Производство на компютърен процесор: технологичен процес

Преди няколко години Intel представи поетапен процес за производство на микропроцесори - от пясъка до крайния продукт. Всъщност процесът на производство на полупроводници изглежда наистина невероятно.

Стъпка 1. Пясък

Силицият, който съставлява около 25% от масата на всички химични елементи в земната кора, е вторият най-разпространен елемент след кислорода. Пясъкът има високо съдържание на силициев диоксид (SiO₂), който е ключов елемент не само за производството на процесори на Intel, но и за производството на полупроводници като цяло.

Разтопеният силициев диоксид

Материалът се рафинира на няколко етапа, докато се достигне до полупроводниковия клас силиций, използван в полупроводниците. В крайна сметка той се получава като монокристални слитъци с диаметър около 300 милиметра (12 инча). По-ранните слитъци са били с диаметър 200 милиметра, а през 1970 г. - още по-малки - 50 милиметра (2 инча).

При това ниво на производство на процесори чистотата на кристала след полиране е един примесен атом на милиард силициеви атоми. Теглото на слитъка е 100 килограма.

Стъпка 3. рязане на слитъци

Сливът се нарязва с много фин трион на отделни парчета, наречени субстрати. След това всяка от тях се полира до безупречна, огледално гладка повърхност. Върху тази гладка повърхност впоследствие ще бъдат нанесени малките медни проводници.

Експониране на фоторезистния слой

Върху въртящия се с висока скорост субстрат се излива течност за фоторезист (същите материали се използват в традиционната фотография). При въртенето на субстрата се образува тънък и равномерен съпротивителен слой по цялата му повърхност.

Ултравиолетовият лазер през маска и леща се удря в повърхността на субстрата, създавайки върху нея малки светещи ултравиолетови линии. Обективът прави фокусираното изображение 4 пъти по-малко от маската. Навсякъде, където ултравиолетовите линии въздействат върху съпротивителния слой, протича химическа реакция, която води до разтваряне на тези области.

Стъпка 5. Офорт

След това разтворимият фоторезистентен материал се разтваря напълно с помощта на химически разтворител. По този начин химическото ецване се използва за частично разтваряне или ецване на малко количество полиран полупроводников материал (субстрат). Останалият фоторезистентен материал се отстранява чрез подобен процес на измиване, като се разкрива (експонира) повърхността на ецвания субстрат.

Образуване на слой

Добавя се допълнителен фоторезист (светлочувствителен материал), за да се създадат миниатюрните медни проводници, които в крайна сметка ще пренасят електричеството от/към различните конектори, и те също се измиват и излагат на показ. Извършва се допълнителен процес на йонно легиране, за да се добавят примеси и да се защитят местата за отлагане на медни йони от меден сулфат по време на процеса на галванизиране.

На различни етапи от производствения процес на тези процесори се добавят допълнителни материали, които се гравират и полират. Този процес се повтаря шест пъти, за да се образуват шест слоя.

Крайният продукт прилича на мрежа от множество микроскопични електропроводими медни ивици. Някои от тях са свързани с други, а други са разположени на определено разстояние един от друг. Но всички те се използват с една цел - да прехвърлят електрони. С други думи, те са проектирани да извършват така наречената "полезна работа" (напр. събиране на две числа възможно най-бързо, което е същността на компютрите в наши дни).

Процесът на многостепенна обработка се повтаря за всяка отделна малка област от повърхността на субстрата, върху която трябва да се изработят чиповете. Това включва областите, които са частично разположени извън субстрата.

Стъпка 7. Тестване на

След като всички метални слоеве са нанесени и всички транзистори са поставени, идва време за следващата стъпка в производството на процесора "Intel" - изпитване. Върху чипа се поставя устройство с множество изводи. Към него е прикрепен набор от микроскопични проводници. Всеки от тези проводници е електрически свързан с чипа.

Към чипа се изпраща поредица от тестови сигнали, за да се възпроизведе работата му. Тестът не само проверява традиционните изчислителни възможности, но и извършва вътрешна диагностика със стойности на напрежението, каскадни последователности и други функции. Отговорът на чипа, под формата на резултат от теста, се съхранява в база данни, специално предназначена за тази област на пластината. Този процес се повтаря за всяка отделна зона на субстрата.

Нарязване на плочи

За изрязване на вложките се използва много малък трион с диамантен връх. Базата данни, попълнена в предишната стъпка, се използва за определяне на това кои чипове, изрязани от субстрата, се запазват и кои се изхвърлят.

Стъпка 9. Ограждение

Всички работни пластини се поставят във физически кутии. Макар че вложките са предварително тествани и е установено, че работят правилно, това не означава, че те са добри процесори.

Процесът на капсулиране означава поставяне на силициевия чип в материала на субстрата с миниатюрни златни проводници, свързани с щифтовете или сферичната решетка. Масивът на изводите за топките се намира на гърба на корпуса. В горната част на корпуса се поставя радиатор. Това е метален корпус. В края на процеса процесорът изглежда като готов продукт, предназначен за консумация.

Забележка: Метален радиатор е ключов компонент в съвременните високоскоростни полупроводникови устройства. По-ранните радиатори са били керамични и не са използвали принудително охлаждане. За някои модели 8086 и 80286 и за моделите от 80386 нататък се изискваше принудително охлаждане. Предишните поколения процесори имаха много по-малко транзистори.

Например един процесор 8086 е имал 29 000 транзистора, докато съвременните процесори имат стотици милиони транзистори. При днешния малък брой транзистори не се генерира достатъчно топлина, която да изисква активно охлаждане. За да се разграничат тези процесори от процесорите, изискващи такъв тип охлаждане, керамичните чипове впоследствие бяха обозначени като "Heat sinks required".

Съвременните процесори генерират достатъчно топлина, за да се разтопят за секунди. Само наличието на радиатор, свързан с голям радиатор и вентилатор, им позволява да функционират продължително време.

Сортиране на процесори по производителност

На този етап от производството процесорът изглежда като този, който купувате в магазина. Въпреки това е необходима още една стъпка за завършване на производствения процес. Нарича се триаж.

Тук се измерва действителната производителност на отделен процесор. Измерени параметри, като напрежение, честота, производителност, разсейване на топлина и други характеристики.

По-добрите чипове се предлагат като продукти от по-висок клас. Те се продават не само като най-бързия компоненти, но също и като модели за ниско и свръхниско напрежение.

Чиповете, които не са в групата на най-добрите процесори, често се продават с по-ниска тактова честота. Алтернативно, четириядрените процесори от по-нисък клас могат да се продават като дву- или триядрени.

Производителност на процесора

Процесът на сортиране определя крайната скорост, напрежение и топлинни характеристики. Например при стандартен субстрат само 5% от произведените чипове могат да работят на честота над 3,2 GHz. В същото време обаче 50% от чиповете могат да работят на 2,8 GHz.

Производителите на процесори непрекъснато проучват причините, поради които по-голямата част от произведените процесори работят на 2,8 GHz вместо на изискваните 3,2 GHz. Понякога могат да се направят промени в дизайна на процесора, за да се увеличи производителността.

Най-ниски производствени разходи

Рентабилността на бизнеса с процесори, както и на повечето полупроводникови елементи, е в диапазона 33-50%. Това означава, че поне 1/3 до 1/2 от пластините на всеки субстрат работят и тогава компанията е печеливша.

Рентабилност на производството в Intel оперативна печалба при използване на 45 nm технология върху 300 mm пластинка ефективността е 95%. Това означава, че ако е възможно да се произведат 500 силициеви пластини от една пластина, 475 от тях ще работят, а само 25 ще бъдат изхвърлени. Колкото повече пластини могат да бъдат произведени от една пластинка, толкова по-голям е маржът на печалбата за компанията.

Съвременни технологии на Intel

История на новите технологии на Intel за масово производство на процесори:

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

В началото на 2018 г. Intel обяви, че ще премести масовото производство на 10 nm процесори за 2019 г. Причината за това са високите производствени разходи. Понастоящем компанията продължава да доставя 10nm процесори в малки количества.

Нека характеризираме технологията за производство на процесори на Intel от гледна точка на разходите. Ръководството на компанията обяснява високата цена на процеса с дългия производствен цикъл и използването на голям брой маски. Технологията 10 nm се основава на дълбока ултравиолетова литография (DUV) с лазери, работещи на 193 nm.

За 7 nm процес ще се използва екстремна ултравиолетова литография (EUV) с лазери, работещи на 13,5 nm. Благодарение на тази дължина на вълната ще се избегнат многопластовите модели, които обикновено се използват при 10 nm процес.

Инженерите на компанията смятат, че на този етап е необходимо да се прецизира технологията DUV, а не да се преминава директно към 7 nm процес. Така че, докато процесорите, използващи 10nm технология, ще бъдат постепенно изведени от употреба.

Перспективи за производството на микропроцесори на AMD

Единственият истински конкурент "Intel" на пазара за производство на процесори днес е AMD. Заради грешки "Intel", свързана с 10nm технология, AMD леко подобри пазарната си позиция. Масовото производство на Intel по 10nm процес е отдавна закъсняло. Известно е, че AMD използва трета страна за производството на своите чипове. И сега има ситуация, в която AMD използва всички 7 nm за производство производствени технологии процесори, които не отстъпват на основния му конкурент.

Основните производители на полупроводници от трети страни, които използват новата технология за сложна логика, са Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), базираната в САЩ GlobalFoundaries и корейската Samsung Foundry.

AMD планира да използва TSMC изключително за производство на микропроцесори от следващо поколение. Ще се използват нови процесорни технологии. Компанията вече пусна на пазара редица продукти, работещи по 7nm процес, включително 7nm графичен процесор. Първият е планиран да бъде пуснат през 2019 г. Още след 2 години е планирано да започне масово производство на 5nm чипове.

GlobalFoundaries се отказа от разработването на 7nm процес, за да съсредоточи усилията си върху разработването на 14/12nm процес за клиенти, насочени към бързоразвиващи се пазари. AMD прави допълнителна инвестиция в GlobalFoundaries за производство на настоящото поколение микропроцесори AMD Ryzen, EPYC и Radeon.

Производство на микропроцесори в Русия

Основните производствени мощности за микроелектроника са разположени в Зеленоград ("Micron", "Angstrem") и Москва ("Crocus"). Беларус има и собствено предприятие за производство на микроелектроника, а именно "Интегрален", използване на технологичен процес 0,35 µm.

Производството на процесори в Русия се осъществява от дружествата на "ICST" и "Байкал Електроникс". Последни разработки "ICST" - Процесор Elbrus-8S. Това е 8-ядрен микропроцесор с тактова честота 1,1-1,3 GHz. Руският процесор има производителност от 250 гигафлопа (операции с плаваща запетая в секунда). Представители на компанията твърдят, че процесорът може да се конкурира дори с лидера в бранша Intel по редица показатели.

Производство на процесори "Елбрус" ще бъде продължен с "Elbrus-16" 1,5 GHz (цифровият индекс в името показва броя на ядрата). Масовото производство на тези микропроцесори ще се извършва в Тайван. Това би трябвало да помогне за намаляване на цената. Известно е, че цената на продуктите на компанията е прекомерно висока. В същото време по отношение на производителността компонентите значително отстъпват на водещите компании в този сектор. Засега тези процесори ще се използват само от правителствени агенции и за целите на отбраната. Производствената технология, която ще се използва в тази линия процесори, ще бъде 28 nm технологичен процес.

"Байкал Електроникс" произвежда процесори, предназначени за промишлена употреба. По-специално това се отнася за модела "Байкал T1". Областта на приложение е фрезови машини, CNC системи и офис оборудване. Компанията не спира дотук и вече разработва процесор за Компютри - "Байкал M". Все още няма много информация за спецификациите му. Известно е, че има 8-ядрен процесор с поддръжка на до 8 графични ядра. Предимството на този микропроцесор е неговата енергийна ефективност.