Proizvodnja računalnog procesora: tehnološki proces

Prije nekoliko godina, tvrtka Azipa predstavila je korak-po-korak proces proizvodnje mikroprocesora: od pijeska do konačnog proizvoda. Zapravo, proces proizvodnje poluvodičkih elemenata izgleda doista nevjerojatno.

Korak 1. Pijesak

Silicij, koji čini oko 25 posto svih kemijskih elemenata u Zemljinoj kori po ukupnoj masi, drugi je najzastupljeniji nakon kisika. Pijesak ima visok postotak silicijevog dioksida (NASA₂), koji je glavni sastojak ne samo za proizvodnju CPU-a, već i općenito za proizvodnju poluvodiča.

Rastaljeni silicij

Tvar se pročišćava u nekoliko koraka dok se ne dobije silicij čistoće poluvodiča koji se koristi u poluvodičima. U konačnici, dolazi u obliku monokristalnih ingota promjera oko 300 milimetara (12 inča). Ranije su ingoti imali promjer od 200 milimetara (8 inča), a još 1970. još manji na 50 milimetara (2 inča).

Na određenoj razini proizvodnje procesora, nakon pročišćavanja, čistoća kristala je jedan atom nečistoće na milijardu atoma silicija. Težina ingota je 100 kilograma.

Korak 3. Rezanje ingota

Ingot se vrlo tankom pilom reže na pojedinačne kriške koje se nazivaju podloge. Svaka se naknadno polira kako bi se dobila zrcalno glatka površina bez nedostataka. Na ovu glatku površinu naknadno će se nanositi sitne bakrene žice.

Izlaganje fotootpornog sloja

Fotootporna tekućina izlije se na podlogu koja se okreće velikom brzinom (isti se materijali koriste u tradicionalnoj fotografiji). Rotacijom se na cijeloj površini podloge stvara tanak i ujednačen otporni sloj.

Ultraljubičasti laser djeluje na površinu podloge kroz maske i leću, tvoreći na njoj male osvijetljene ultraljubičaste linije. Objektiv čini fokusiranu sliku 4 puta manjom od maske. Gdje god ultraljubičaste linije utječu na otporni sloj, dolazi do kemijske reakcije koja uzrokuje da ta područja postanu topiva.

Korak 5. Bakropis

Topljivi fotootporni materijal se zatim potpuno otapa kemijskim otapalom. Dakle, za djelomično otapanje ili Nagrizanje male količine poliranog poluvodičkog materijala (podloge) koristi se kemijski nagrizač. Preostali dio fotootpornog materijala uklanja se sličnim postupkom pranja, otkrivajući (izlažući) urezanu površinu podloge.

Formiranje slojeva

Da bi se stvorile sitne bakrene žice koje će na kraju prenijeti električnu energiju na/iz različitih konektora, dodaju se dodatni fotootpornici (fotoosjetljivi materijali) koji se također ispiru i izlažu. Dalje se provodi postupak ionskog dopinga kako bi se dodale nečistoće i zaštitila mjesta taloženja bakrenih iona od bakrenog sulfata tijekom postupka galvanizacije.

U različitim fazama ovih procesa proizvodnje procesora dodaju se dodatni materijali koji se urezuju i poliraju. Ovaj se postupak ponavlja 6 puta kako bi se formiralo 6 slojeva.

Konačni proizvod izgleda kao mreža mnogih mikroskopskih bakrenih traka koje provode električnu energiju. Neki su povezani s drugima, a neki se nalaze na određenoj udaljenosti od drugih. Ali svi se koriste za ostvarenje jedne svrhe-za prijenos elektrona. Drugim riječima, namijenjeni su pružanju takozvanog "korisnog rada" (na primjer, zbrajanje dva broja najvećom mogućom brzinom, što je srž računalnog modela ovih dana).

Višeslojna obrada ponavlja se na svakom pojedinom malom dijelu površine podloge na kojem će se proizvoditi čipovi. Uključujući takva područja uključuju ona koja se djelomično nalaze izvan podloge.

Korak 7. Testiranje

Nakon što se nanesu svi metalni slojevi i stvore svi Tranzistori, vrijeme je za sljedeću fazu proizvodnje procesora "Intel" - testiranje. Uređaj s više pinova nalazi se na vrhu čipa. Na njega su pričvršćene mnoge mikroskopske žice. Svaki takav ožičenje ima električni priključak na čip.

Da bi se reproducirao rad čipa, na njega se prenosi niz testnih signala. U testiranju se provjeravaju ne samo tradicionalne računalne sposobnosti, već se provodi i interna dijagnostika s određivanjem vrijednosti napona, kaskadnih sekvenci i drugih funkcija. Odgovor čipa u obliku rezultata ispitivanja pohranjuje se u bazu podataka posebno dodijeljenu određenom dijelu podloge. Ovaj se postupak ponavlja za svaki dio podloge.

Rezanje ploča

Za rezanje ploča koristi se vrlo mala pila s dijamantnim vrhom. Baza podataka popunjena u prethodnom koraku koristi se za određivanje koji su čipovi odsječeni od podloge pohranjeni, a koji odbačeni.

Korak 9. Zatvor u korpusu

Sve radne ploče uklapaju se u fizička kućišta. Iako su ploče prethodno testirane i s obzirom na njih donesena je odluka da rade ispravno, to ne znači da su dobri procesori.

Proces zatvaranja kućišta znači stavljanje silicijskog kristala u materijal podloge na čije su kontakte ili niz kugličnih vodova povezane minijaturne zlatne žice. Niz kugličnih vodova može se otkriti na stražnjoj strani kućišta. U gornjem dijelu kućišta ugrađen je hladnjak. To je metalno kućište. Po završetku ovog postupka, središnja procesorska jedinica izgleda kao gotov proizvod namijenjen potrošnji.

Napomena: metalni hladnjak ključna je komponenta modernih poluvodičkih uređaja velike brzine. Prije su hladnjaci bili keramički i nisu koristili prisilno hlađenje. Bilo je potrebno za neke modele 8086 i 80286 i za modele počevši od 80386. Prethodne generacije procesora imale su mnogo manje tranzistora.

Na primjer, procesor 8086 imao je 29 tisuća tranzistora, dok moderni središnji procesori imaju stotine milijuna tranzistora. Tako mali broj tranzistora prema trenutnim standardima nije proizveo dovoljno topline da zahtijeva aktivno hlađenje. Da bi se ti procesori odvojili od onih kojima je potrebna ova vrsta hlađenja, naknadno je na keramičke čipove stavljen žig "potreban je hladnjak".

Moderni procesori stvaraju dovoljno topline da se rastope u nekoliko sekundi. Samo postojanje hladnjaka spojenog na veliki radijator i ventilator omogućuje im dugotrajno funkcioniranje.

Sortiranje procesora prema karakteristikama

Do ove faze proizvodnje procesor izgleda onako kako se kupuje u trgovini. Međutim, potreban je još jedan korak da bi se dovršio njegov proizvodni proces. Zove se Sortiranje.

U ovoj se fazi mjere stvarne karakteristike pojedinog središnjeg procesora. Mjere se parametri kao što su napon, Frekvencija, performanse, proizvodnja topline i druge karakteristike.

Bolji čipovi se izdvajaju kao vrhunski proizvodi. Ne prodaju se samo kao najbrži komponente, ali i kao modeli niskog i ultra niskog napona.

Čipovi koji nisu ušli u skupinu najboljih procesora često se prodaju kao procesori nižeg takta. Uz to, četverojezgreni procesori niže klase mogu se prodavati kao dvo-ili trojezgreni.

Performanse procesora

U procesu sortiranja određuju se konačne vrijednosti brzine, naprezanja i toplinske karakteristike. Na primjer, na standardnoj podlozi samo 5 % proizvedenih čipova može funkcionirati na frekvenciji većoj od 3,2 GHz. Istodobno, 50 % čipova može funkcionirati na 2,8 GHz.

Proizvođači procesora neprestano istražuju razloge zašto većina proizvedenih procesora radi na 2,8 GHz umjesto na potrebnih 3,2 GHz. Ponekad se mogu napraviti promjene u dizajnu procesora kako bi se povećale performanse.

Profitabilnost proizvodnje

Profitabilnost poslovanja za proizvodnju procesora i većine poluvodičkih elemenata leži u rasponu od 33-50 %. To znači da su barem 1/3 do 1/2 ploča na svakoj podlozi radnici, a tvrtka je u ovom slučaju isplativa.

Tvrtka ima operativna dobit primjenom tehnologije 45 nm za podlogu, 300 mm je 95 %. To znači da ako je moguće proizvesti 500 silikonskih pločica iz jedne podloge, 475 će biti radnika, a samo 25 će biti odbačeno. Što se više ploča može dobiti s jedne podloge, to će tvrtka imati veću dobit.

Tehnologija koja se danas koristi

Povijest primjene novih tehnologija za masovnu proizvodnju procesora:

• 1999. - 180 nm;
• 2001. - 130 Nm;
• 2003. - 90 nm;
• 2005. - 65 nm;
• 2007. - 45 nm;
• 2009. - 32 nm;
• 2011. - 22 nm;
• 2014. - 14 nm;
• 2019. – 10 nm (planirano).

Početkom 2018. tvrtka Uminis najavila je da će masovnu proizvodnju 10nm procesora premjestiti na 2019. godinu. Razlog tome su visoki troškovi proizvodnje. Za sada tvrtka nastavlja isporučivati 10nm procesore u malim količinama.

Okarakterizirajmo tehnologije proizvodnje CPU-a u smislu troškova. Uprava tvrtke objašnjava visoku cijenu tehnološkog procesa dugim proizvodnim ciklusom i upotrebom velikog broja maski. 10nm tehnologija temelji se na dubokoj ultraljubičastoj litografiji (IPAS) pomoću lasera koji rade na valnoj duljini od 193nm.

Za 7nm postupak koristit će se ekstremna ultraljubičasta litografija (IAS) koja koristi lasere koji rade na valnoj duljini od 13,5 nm. Zahvaljujući ovoj valnoj duljini, moguće je izbjeći upotrebu višestrukih uzoraka koji se široko koriste za 10nm proces.

Inženjeri tvrtke vjeruju da je u ovom trenutku potrebno polirati tehnologiju koja se temelji na oceanu, a ne skočiti izravno na 7nm proces. Dakle, za sada će biti ukinuti procesori koji koriste 10nm tehnologiju.

Izgledi za mikroprocesorsku proizvodnju tvrtke

Jedini pravi konkurent "Intel" na tržištu proizvodnje CPU-a danas je. Zbog pogrešaka "Intel", povezan s 10nm tehnologijom, IASNI je malo popravio svoj položaj na tržištu. Masovna proizvodnja s 10nm tehnološkim postupkom uvelike je kasnila u oceanima. Poznato je da tvrtka za proizvodnju svojih čipova koristi treću stranu. A sada postoji situacija kada se za proizvodnju koristi cijeli 7nm proizvodne tehnologije procesora koji nisu inferiorni u odnosu na glavnog konkurenta.

Glavni proizvođači poluvodičkih uređaja treće strane koji koriste nove tehnologije za složenu logiku su tajvanska tvrtka za proizvodnju poluvodiča (IPA), američka tvrtka i korejska IPA.

AMAINE planira koristiti amaine isključivo za proizvodnju mikroprocesora sljedeće generacije. U tom će se slučaju koristiti nove tehnologije za proizvodnju procesora. Tvrtka je već lansirala niz proizvoda koji koriste 7nm proces, uključujući 7nm GPU. Prvi bi trebao biti objavljen 2019. U roku od 2 godine planira se započeti masovna proizvodnja 5-nm čipova.

Iasini je odustao od razvoja procesa od 7 nm kako bi usmjerio svoje napore na razvoj svojih 14/12 nm procesa za kupce usmjerene na tržišta s visokim rastom. AMD ulaže u GlobalFoundaries dodatna ulaganja za proizvodnju procesora AMD trenutne generacije Ryzen, EPYC i Radeon.

Proizvodnja mikroprocesora u Rusiji

Glavna mikroelektronska proizvodnja nalazi se u gradovima Zelenograd ("Micron", "Angstrom") i Moskva ("Crocus"). Vlastita mikroelektronska proizvodnja dostupna je i u Bjelorusiji-tvrtka "Integral", pomoću tehnološkog procesa 0,35 mikrona.

Tvrtke se bave proizvodnjom procesora u Rusiji "ICST" i "Baikal Electronics". Najnoviji razvoj "ICST" - procesor "Elbrus-8S". To je 8-jezgreni mikroprocesor s taktom od 1,1-1,3 GHz. Performanse ruskog procesora su 250 gigaflops (operacije s pomičnim zarezom u sekundi). Predstavnici tvrtke izjavljuju da se procesor po brojnim pokazateljima može natjecati čak i s liderom u industriji-tvrtkom Clippants.

Proizvodnja procesora "Elbrus" nastavlja se modelom "Elbrus-16" frekvencija 1,5 GHz (digitalni indeks u nazivu označava broj jezgri). Masovna proizvodnja ovih mikroprocesora odvijat će se u Tajvanu. To bi trebalo pridonijeti smanjenju cijene. Kao što znate, cijena proizvoda tvrtke je nebeska. Istodobno, komponente su po karakteristikama znatno inferiornije od vodećih tvrtki u ovom gospodarskom sektoru. Za sada će se takvi procesori koristiti samo u državnim organizacijama i u obrambene svrhe. 28-nm će se koristiti kao tehnologija proizvodnje procesora ove linije tehnološki proces.

"Baikal Electronics" proizvodi procesore dizajnirane za industrijsku upotrebu. To se posebno odnosi na model "Baikal T1". Područje njegove primjene su usmjerivači, CNC sustavi i uredska oprema. Tvrtka se tu ne zaustavlja i već razvija procesor za osobna računala – "Baikal M". Još nema puno podataka o njegovim karakteristikama. Poznato je da će imati 8-jezgreni procesor s podrškom za do 8 grafičkih jezgri. Prednost ovog mikroprocesora bit će njegova energetska učinkovitost.