На uCrazy 15 лет 6 месяцев
Сердце компьютера: как создаётся кремниевый процессор. Часть первая
«Мозгом» современной техники являются различные микрочипы. Самые сложные из них — это центральные и графические процессоры, а также системы на чипе для смартфонов. В их составе находятся миллиарды транзисторов. Как они производятся? И как такое огромное количество электронных компонентов и соединений между ними помещается на маленьком кристалле?
Сердце процессора
Принципы устройства микрочипов не менялись с самого их появления. Что микропроцессор Intel 4004, которому уже больше полувека, что современный Core i9 состоят из транзисторов — миниатюрных переключателей электрической цепи, которыми можно управлять с помощью подачи тока.
Главное отличие в том, что старые чипы производились по достаточно «толстым» техпроцессам и содержали небольшое количество транзисторов. В Intel 4004, который выпускался по техпроцессу 10 мкм (10000 нм), их было всего 2300. А в современном Core i9-13900K, производящемся по техпроцессу Intel 7 (10 нм), транзисторов в миллионы раз больше — целых 26 миллиардов.
Рассмотрим строение чипа на его примере. Данный процессор содержит восемь больших ядер и 16 малых, крупный кэш третьего уровня, контроллер памяти с поддержкой DDR4 и DDR5, встроенную графику UHD770 и прочие функциональные блоки. При этом размер кристалла такого чипа всего 10.7х24.2 мм.
Если заглянуть в любое ядро, мы увидим, что оно состоит из различных частей — блоков выборки и декодеров, целочисленной части, блока вычислений с плавающей запятой, блоков загрузки/выгрузки, кэша первого и второго уровня. На каждую из них приходится несколько миллионов транзисторов.
Обратимся к еще более маленькой составляющей ЦП: блоку умножения в целочисленной части ядра. Он состоит из 44 тысяч транзисторов, что составляет всего 0,00017 % от их общего количества в чипе.
Увеличив масштаб, мы увидим несколько слоёв из множества металлических соединений, которые проводят сигналы от транзисторов.
Сами транзисторы находятся под слоями этих соединений.
Для наглядности соединения были представлены в виде тонких проволочек в пространстве. На самом деле они не парят в воздухе — между ними находятся слои изоляционного материала.
Это упрощенное представление, включающее слой транзисторов и пять слоев соединений. Всего в процессоре 17 слоев соединений, расположенных друг над другом. Внизу расположены локальные соединения между компонентами ядер, посередине — соединения вокруг ядер, на самом верху — глобальные соединения между разными компонентами ЦП. Чем ближе слой к верху, тем крупнее становятся соединяющие линии.
В современных процессорах используются трехмерные транзисторы FinFET. При технологии производства Intel 7 (10 нм), размер канала транзистора составляет 36 × 6 × 52 нм, а шаг между затворами транзисторов — 57 нм.
Чтобы представить себе размер такого транзистора, можно сравнить его с митохондрией, частицей домашней пыли или человеческим волосом. Транзистор — это первая белая точка слева, митохондрия — вторая.
Как же производят чипы из таких микроскопических составляющих? Чтобы узнать это, пройдем небольшую виртуальную экскурсию по производству.
Заготовки для будущих процессоров делают на заводе по производству кремниевых пластин. Основой для них служит кварцит — горная порода, из которой сложными методами очистки получается чистый кремний.
После очистки кремний расплавляется, и из него «выращивается» кристалл формы цилиндра.
С помощью лазера кристалл разрезается на множество пластин, а затем шлифуется до идеально ровной поверхности. Одна пластина имеет диаметр 30 см и толщину около 0,75 мм. У каждой из них сбоку делается небольшая выемка для указания положения кристаллической решетки, а сзади наносится серийный номер. Такие пластины очень хрупкие — стоит им упасть, и они разлетятся на множество мелких кусочков.
После производства пластин дальнейший процесс по «готовке» процессоров происходит на полупроводниковом производстве. Общая площадь помещений такого завода, отведенная непосредственно под производство чипов, составляет десятки тысяч квадратных метров.
Внутри производственной зоны поддерживается практически стерильная чистота, так как попадание пыли на будущие чипы непременно грозит их порчей. Здесь находятся сотни различных установок для работы с кремниевыми пластинами. Каждая из них имеет размер, схожий с фургоном или автобусом.
Кремниевые пластины последовательно перемещаются от установки к установке, поочередно проходя около тысячи производственных этапов. С момента поступления пластины на производства до готовности процессоров проходит около трех месяцев.
Пластины перевозятся стопками по 25 штук в специальном герметичном контейнере (FOUP), которые передвигаются по производственному помещению благодаря подвесной транспортной системе. С нее контейнеры опускаются на загрузочную площадку принимающей установки.
Через переходное отверстие контейнера пластины забирают роботизированные манипуляторы. Они отправляют их в камеры обработки, где добавляются, обрабатываются или смываются различные материалы.
После этого пластины вновь возвращаются в контейнер и едут в нем на следующие этапы обработки в других установках.
Таким образом наносятся и обрабатываются 80 различных слоев. После окончания обработки из одной пластины могут получится 230 центральных процессора или 952 чипа оперативной памяти.
На одном заводе имеется несколько сотен установок каждого вида, которые производят одни и те же операции с пластинами. Таким образом обеспечивается массовое производство: за месяц один завод может обработать 50000 пластин или 11.5 млн процессорных чипов.
Как выглядят установки и как они распределяются на заводе, можно увидеть на иллюстрациях ниже.
Рассмотрим каждый вид установок подробнее.
Ввиду ограничения фотоматериалов
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ.....
Принципы устройства микрочипов не менялись с самого их появления. Что микропроцессор Intel 4004, которому уже больше полувека, что современный Core i9 состоят из транзисторов — миниатюрных переключателей электрической цепи, которыми можно управлять с помощью подачи тока.
Главное отличие в том, что старые чипы производились по достаточно «толстым» техпроцессам и содержали небольшое количество транзисторов. В Intel 4004, который выпускался по техпроцессу 10 мкм (10000 нм), их было всего 2300. А в современном Core i9-13900K, производящемся по техпроцессу Intel 7 (10 нм), транзисторов в миллионы раз больше — целых 26 миллиардов.
Рассмотрим строение чипа на его примере. Данный процессор содержит восемь больших ядер и 16 малых, крупный кэш третьего уровня, контроллер памяти с поддержкой DDR4 и DDR5, встроенную графику UHD770 и прочие функциональные блоки. При этом размер кристалла такого чипа всего 10.7х24.2 мм.
Если заглянуть в любое ядро, мы увидим, что оно состоит из различных частей — блоков выборки и декодеров, целочисленной части, блока вычислений с плавающей запятой, блоков загрузки/выгрузки, кэша первого и второго уровня. На каждую из них приходится несколько миллионов транзисторов.
Обратимся к еще более маленькой составляющей ЦП: блоку умножения в целочисленной части ядра. Он состоит из 44 тысяч транзисторов, что составляет всего 0,00017 % от их общего количества в чипе.
Увеличив масштаб, мы увидим несколько слоёв из множества металлических соединений, которые проводят сигналы от транзисторов.
Сами транзисторы находятся под слоями этих соединений.
Для наглядности соединения были представлены в виде тонких проволочек в пространстве. На самом деле они не парят в воздухе — между ними находятся слои изоляционного материала.
Это упрощенное представление, включающее слой транзисторов и пять слоев соединений. Всего в процессоре 17 слоев соединений, расположенных друг над другом. Внизу расположены локальные соединения между компонентами ядер, посередине — соединения вокруг ядер, на самом верху — глобальные соединения между разными компонентами ЦП. Чем ближе слой к верху, тем крупнее становятся соединяющие линии.
В современных процессорах используются трехмерные транзисторы FinFET. При технологии производства Intel 7 (10 нм), размер канала транзистора составляет 36 × 6 × 52 нм, а шаг между затворами транзисторов — 57 нм.
Чтобы представить себе размер такого транзистора, можно сравнить его с митохондрией, частицей домашней пыли или человеческим волосом. Транзистор — это первая белая точка слева, митохондрия — вторая.
Как же производят чипы из таких микроскопических составляющих? Чтобы узнать это, пройдем небольшую виртуальную экскурсию по производству.
Создание пластин
Заготовки для будущих процессоров делают на заводе по производству кремниевых пластин. Основой для них служит кварцит — горная порода, из которой сложными методами очистки получается чистый кремний.
После очистки кремний расплавляется, и из него «выращивается» кристалл формы цилиндра.
С помощью лазера кристалл разрезается на множество пластин, а затем шлифуется до идеально ровной поверхности. Одна пластина имеет диаметр 30 см и толщину около 0,75 мм. У каждой из них сбоку делается небольшая выемка для указания положения кристаллической решетки, а сзади наносится серийный номер. Такие пластины очень хрупкие — стоит им упасть, и они разлетятся на множество мелких кусочков.
Устройство полупроводникового производства
После производства пластин дальнейший процесс по «готовке» процессоров происходит на полупроводниковом производстве. Общая площадь помещений такого завода, отведенная непосредственно под производство чипов, составляет десятки тысяч квадратных метров.
Внутри производственной зоны поддерживается практически стерильная чистота, так как попадание пыли на будущие чипы непременно грозит их порчей. Здесь находятся сотни различных установок для работы с кремниевыми пластинами. Каждая из них имеет размер, схожий с фургоном или автобусом.
Кремниевые пластины последовательно перемещаются от установки к установке, поочередно проходя около тысячи производственных этапов. С момента поступления пластины на производства до готовности процессоров проходит около трех месяцев.
Пластины перевозятся стопками по 25 штук в специальном герметичном контейнере (FOUP), которые передвигаются по производственному помещению благодаря подвесной транспортной системе. С нее контейнеры опускаются на загрузочную площадку принимающей установки.
Через переходное отверстие контейнера пластины забирают роботизированные манипуляторы. Они отправляют их в камеры обработки, где добавляются, обрабатываются или смываются различные материалы.
После этого пластины вновь возвращаются в контейнер и едут в нем на следующие этапы обработки в других установках.
Таким образом наносятся и обрабатываются 80 различных слоев. После окончания обработки из одной пластины могут получится 230 центральных процессора или 952 чипа оперативной памяти.
На одном заводе имеется несколько сотен установок каждого вида, которые производят одни и те же операции с пластинами. Таким образом обеспечивается массовое производство: за месяц один завод может обработать 50000 пластин или 11.5 млн процессорных чипов.
Классификация установок обработкиУстановки для обработки пластин можно поделить на шесть категорий.1. Нанесение слоев маски2. Добавление материала3. Удаление материала4. Модификация материала5. Очистка пластины6. Проверка пластины
Как выглядят установки и как они распределяются на заводе, можно увидеть на иллюстрациях ниже.
Рассмотрим каждый вид установок подробнее.
Ввиду ограничения фотоматериалов
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ.....
Пожалуйста оцените статью и поделитесь своим мнением в комментариях — это очень важно для нас!
Комментарии2
