Proizvodnja računalnog procesora: Tehnološki proces

Prije nekoliko godina, Intel je uveo korak-po-korak proces za proizvodnju mikroprocesora: od pijeska do konačnog proizvoda. Zapravo, proces proizvodnje poluvodičkih elemenata izgleda stvarno čudno.

Korak 1. Pijesak

Silicij, koji čini oko 25 posto svih kemijskih elemenata u zemljinoj kori, drugi je najrašireniji nakon kisika. Pijesak ima visok postotak silicijevog dioksida (SiO 2), koji je glavni sastojak ne samo za proizvodnju Intel procesora, već i za proizvodnju poluvodiča općenito.

Silicij silicija

Tvar se uklanja u nekoliko stupnjeva dok se poluvodič za poluvodičke čistoće koji se koristi u poluvodičima ne oslobodi. Na kraju, dolazi u obliku monokristalnih ingota promjera oko 300 milimetara (12 inča). Ranije su ingoti imali promjer od 200 mm (8 inča), au dalekoj 1970. - još manje - 50 mm (2 inča).


Na danoj razini proizvodnje procesora nakon čišćenja čistoća kristala je jedan atom nečistoće na milijarde atoma silicija. Težina ingota je 100 kilograma.

Korak 3. Rezanje ingota

Ingot se reže s vrlo finom pilom na pojedinim fragmentima, zvanim supstrati. Svaki od njih se zatim polira kako bi se dobila površina bez ogledala i glatka površina. Bit će na ovoj glatkoj površini naknadno nanošene sitne bakrene žice.

Izlaganje fotosenzitivnom sloju

Što se rotira s visokimBrzina supstrata ispunjena je fotorezistnom tekućinom (isti se materijali koriste u tradicionalnoj fotografiji). Kada se rotira po cijeloj površini podloge, stvara se tanak i ujednačen otporni sloj.


Ultraljubičasti laser kroz masku i leću utječe na površinu podloge, stvarajući na njoj male svjetlosne UV svjetiljke. Objektiv čini fokusiranu sliku 4 puta manjom od maske. Gdje god ultraljubičaste linije utječu na otporni sloj, javlja se kemijska reakcija, što rezultira time da ta područja postaju topiva.

Korak 5. Digestija

Topljivi materijal za fotorezist je tada potpuno otopljen upotrebom kemijskog otapala. Tako se za djelomično otapanje ili jetkanje male količine poliranog poluvodičkog materijala (supstrata) koristi kemijsko sredstvo za nagrizanje. Preostali materijal za fotorezistor se uklanja sličnim postupkom ispiranja, otvaranjem (izlaganjem) urezane površine supstrata.

Formiranje sloja

Dodatni fotorezistori (fotoosjetljivi materijali) koji se također ispiru i izlažu se dodaju kako bi stvorili male bakrene žice koje će naposljetku prenositi električnu energiju u /iz različitih konektora. Nakon toga se provodi postupak ionskog dopiranja radi dodavanja nečistoća i zaštite naslaga iona bakra od bakar sulfata tijekom procesa galvanizacije. U različitim fazama tih procesorskih proizvodnih procesa dodaju se dodatni materijali koji su urezani ipolirana. Taj se postupak ponavlja 6 puta kako bi se dobilo 6 slojeva. Konačni proizvod izgleda kao rešetka mnogih mikroskopskih bakrenih traka koje provode struju. Neki od njih su povezani s drugima, a neki se nalaze na određenoj udaljenosti od drugih. Ali svi se koriste za ostvarenje jednog cilja - za prijenos elektrona. Drugim riječima, oni su namijenjeni pružanju tzv. "Korisnog rada" (na primjer, dodavanjem dva broja na najvećoj mogućoj brzini, što je suština modela računanja u naše vrijeme).
Obrada na više razina ponavlja se na svakoj maloj maloj površini površine podloge na kojoj će se izrađivati ​​žetoni. Uključujući i ta područja uključuju i ona koja su djelomično smještena izvan podloge.

Korak 7. Testiranje

Čim se primijene svi metalni slojevi i svi tranzistori se stvore, vrijeme je za sljedeću fazu proizvodnje Intelovih procesora - ispitivanje. Uređaj s većim brojem igala nalazi se na vrhu čipa. Pričvršćen je na skup mikroskopskih žica. Svaki takav stup ima električni priključak na čip. Da bi se reproducirao rad čipa, prenosi se niz testnih signala. Prilikom testiranja provjeravaju se ne samo tradicionalne računalne sposobnosti, nego se obavlja i unutarnja dijagnostika s određivanjem vrijednosti napona, kaskadnih sekvenci i drugih funkcija. Odziv čipa u obliku rezultata testa pohranjuje se u bazu podataka koja je posebno dodijeljena za ovo područje podloge. Taj se postupak ponavljaza svaku podlogu.

Rezanje ploča

Vrlo mala pila s dijamantnim vrhom služi za rezanje ploča. Baza podataka, popunjena u prethodnom koraku, koristi se za određivanje koji su čipovi odsječeni od podloge, spremljeni i odbačeni.

Korak 9. Izlazni slučaj

Sve radne ploče su smještene u fizičkim kućištima. Unatoč činjenici da su ploče prethodno testirane iu odnosu na njih odlučeno je da rade ispravno, to ne znači da su oni dobri procesori. Proces izrade kućišta znači postavljanje silikonskog kristala u materijal supstrata na kontakte ili niz terminala žarulja pričvršćenih minijaturnim zlatnim žicama. Niz kugličnih terminala može se naći na poleđini kućišta. Izmjenjivač topline ugrađen je u gornjem dijelu kućišta. To je metalni kovčeg. Po završetku ovog procesa, CPU izgleda kao gotov proizvod namijenjen potrošnji. Napomena: Metalni hladnjak je ključna komponenta suvremenih poluvodičkih uređaja velike brzine. Ranije su bili keramika koja proizvodi toplinu i nisu se koristili prisilnim hlađenjem. Bio je potreban za neke modele 8086 i 80286, a za modele s početkom u 80386. Prethodne generacije procesora imale su daleko manje tranzistora.

Na primjer, procesor 8086 imao je 29.000 tranzistora, dok moderni središnji procesori imaju stotine milijuna tranzistora. Tako mala, prema trenutnim standardima, količinatranzistori nisu proizvodili dovoljno topline da bi zahtijevali aktivno hlađenje. Da biste odvojili podatke o procesoru od potrebitih u ovoj vrsti hlađenja, kasnije na keramičke čipove stavite marku "Trebate hladnjak". Moderni procesori stvaraju dovoljno topline da se rastope za nekoliko sekundi. Samo prisutnost disipacije topline spojena na veliki radijator i ventilator, omogućujući im da funkcioniraju dugo vremena.

Sortiranje procesora po karakteristikama

U ovoj fazi proizvodnje procesor izgleda kao da je kupljen u trgovini. Međutim, da bi se dovršio proces proizvodnje, potreban je još jedan stupanj. Zove se sortiranje. U ovoj fazi mjere se stvarne karakteristike pojedinog CPU-a. Izmjereni parametri kao što su napon, frekvencija, performanse, rasipanje topline i druge karakteristike. Najbolji čipovi pohranjeni su kao proizvodi više klase. Prodaju se ne samo kao najbrže komponente, već i kao modeli s niskim i ultra-niskim naponom. Čipovi koji nisu uključeni u grupu najboljih procesora često se prodaju kao procesori s nižim taktovima. Osim toga, niži quad-core procesori mogu se prodavati kao dual-core ili tro-core.

Performanse CPU-a

U postupku sortiranja utvrđuju se krajnje vrijednosti brzine, napona i toplinskih svojstava. Na primjer, na standardnoj podlozi samo 5% proizvedenih čipova može raditi na 32 GHz. U isto vrijeme, 50% čipova možeradi na 28 GHz. Proizvođači procesora stalno otkrivaju razloge zbog kojih je većina procesora radila na 28 GHz umjesto potrebnih 32 GHz. Ponekad se mogu napraviti promjene kako bi se povećala učinkovitost procesora.

Isplativost proizvodnje

Isplativost poslovanja za proizvodnju procesora i većine poluvodičkih elemenata leži u rasponu od 33-50%. To znači da su barem 1/3 do 1/2 ploče na svakoj podlozi radnici, a tvrtka je u ovom slučaju profitabilna. U Intelu je operativna dobit od 45 nm za 300 mm podloge 95%. To znači da ako se od jedne podloge može izraditi 500 silikonskih ploča, njih 475 će raditi i samo 25 će biti izbačeno. Što se više ploča može dobiti na jednoj osnovi, to će više dobiti tvrtka.

Intelove tehnologije koje se danas koriste

Povijest uporabe novih Intelovih 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. godine Intel je najavio prijenos masovne proizvodnje 10-nm procesora na 2019. godinu. Razlog za to - na veliku cijenu proizvodnje. Trenutno, tvrtka nastavlja opskrbljivati ​​10-nm procesore u malim količinama. Tehnologije proizvodnje procesora Intel karakteriziramo u smislu vrijednosti. Moj rodni gradUprava tvrtke objašnjava dugi ciklus proizvodnje i korištenje velikog broja maski. Osnova 10-nm tehnologije leži u dubokoj ultraljubičastoj litografiji (DUV) pomoću lasera koji rade na valnoj duljini od 193 nm. Za 7-nanometarski proces koristit će se ekstremna ultraljubičasta litografija (EUV) pomoću lasera koji rade na valnim duljinama od 135 nm. Zahvaljujući takvoj valnoj duljini, moguće je izbjeći uporabu višekratnika, široko korištenih za 10 nm proces. Inženjeri tvrtke vjeruju da je potrebno usavršiti DUV tehnologiju umjesto skakanja ravno na 7-nm proces. Dakle, dok će procesori koji koriste 10nm tehnologiju biti ukinuti.

    Izgledi za AMD-ovu proizvodnju mikroprocesora

    AMD je jedini pravi konkurent Intelu na tržištu procesora danas. Zbog Intelovih grešaka vezanih uz 10-nm tehnologiju, AMD je donekle ispravio svoju poziciju na tržištu. U Intelu je masovna proizvodnja korištenjem procesa od 10 nm bila vrlo kasno. Poznato je da AMD koristi svoje čipove treće strane za proizvodnju. Sada postoji situacija u kojoj AMD koristi svu 7-nm tehnologiju procesora koja nije inferiorna glavnom konkurentu. Glavni proizvođači poluprovodničkih uređaja koji koriste nove tehnologije za kompleksnu logiku su Taiwan Semiconductor Company (TSMC), američka tvrtkaGlobalFoundaries i korejski Samsung Foundry. AMD planira koristiti TSMC isključivo za sljedeću generaciju mikroprocesora. To će primijeniti novu tehnologiju procesora. Tvrtka je već izdala niz proizvoda koristeći 7-nm proces, uključujući i 7-nm grafički procesor. Prvi bi trebao biti objavljen 2019. godine. Za dvije godine planira se masovna proizvodnja 5-nm čipova. GlobalFundaries je odbio razviti proces od 7 nm kako bi usmjerio svoje napore na razvoj svog 14/12 nm procesa za tržišno orijentirane kupce. AMD ulaže u GlobalFoundaries dodatna ulaganja za proizvodnju AMD procesora sadašnje generacije Ryzen, EPYC i Radeon.
    ​​

    Proizvodnja mikroprocesora u Rusiji

    Glavna proizvodnja mikroelektronike nalazi se u gradovima Zelenograd ("Micron", "Angstrom") i Moskvi ("Crocus"). Zapravo mikroelektronska proizvodnja je također u Bjelorusiji - tvrtka "Integral", koja koristi tehnološki proces 035 mikrona. Proizvodni procesori u Rusiji angažirani su u tvrtki "MTSST" i "Baikal Electronics". Najnoviji razvoj ICS-a je Elbrus-8S procesor, koji je 8-jezgreni mikroprocesor s brzinom od 11-13 GHz, a performanse ruskog procesora su 250 gigaflopa (operacije s pomičnim zarezom u sekundi). natjecati čak i s vodećim proizvođačem - Intel.Elbrus procesori će nastaviti model Elbrus-16 na 15 GHz (digitalni indeks u nazivu označava broj jezgri).proizvodnja tih mikroprocesora provodit će se u Tajvanu. To bi trebalo smanjiti cijenu. Kao što znate, cijena proizvoda tvrtke je mutna. Istodobno, obilježja komponenti značajno su inferiorna u odnosu na vodeća poduzeća u ovom sektoru gospodarstva. Takvi će se prerađivači koristiti samo u državnim organizacijama i za potrebe obrane. Kao procesorska tehnologija, u toj će se liniji primjenjivati ​​28-nm procesna tehnologija. "Baikal Electronics" proizvodi procesore namijenjene uporabi u industriji. To se posebno odnosi na model "Baikal T1". Njegov opseg uporabe - usmjerivači, CNC sustavi i uredska oprema. Tvrtka se ne zaustavlja na tome i već razvija procesor za osobna računala - "Baikal". Informacije o njegovim karakteristikama još su malo. Poznato je da će imati 8-jezgreni procesor s podrškom za do 8 grafičkih jezgri. Prednost ovog mikroprocesora bit će njegova energetska učinkovitost.
  • Povezane publikacije