Технология изготовления процессора – Компания AMD закрыла Китаю доступ к современным технологиям изготовления процессоров

Как разрабатываются и производятся процессоры: изготовление чипа / Habr

Это третья статья из серии о проектировании ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй статье говорилось о проектировании и реализации некоторых компонентов чипа. В третьей части мы узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.

Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберёмся.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как говорилось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика составлены из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Мы сказали, что существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это

полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.

Чтобы превратить кремниевую пластину в практическую электрическую схему добавлением транзисторов, производственные инженеры используют процесс под названием «легирование«. Легирование — это процесс добавления в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два вида транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.

Процесс изготовления пластины до размещения чипов в корпусе.

Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда взялось название типа (n — negative) и буква «n» в nMOS. Добавляя на кремний такие элементы-акцепторы электронов, как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда взялась буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive). Конкретные процессы добавления этих примесей к кремнию называются ионной имплантацией и диффузией; их мы в статье рассматривать не будем.

Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре соединения. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). В n-канальном устройстве ток обычно входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном устройстве он обычно течёт из истока и выходит из стока. Затвор (Gate) — это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. Наконец, у устройства есть тело транзистора (Body), которое не относится к процессору, поэтому мы не будем его рассматривать.

Физическая структура инвертора в кремнии. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Заметьте, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа

Технические подробности работы транзисторов и взаимодействия отдельных областей — это содержание целого курса колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы — это разводной мост над рекой. Автомобили — электроны в транзисторе — хотят перетечь с одной стороны реки на другую, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не заряжен, разводной мост поднят и электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.

Для точного контроля над расположением на кремнии разных областей p и n производители, например Intel и TSMC используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании тратят миллиарды долларов на его усовершенствование для того, чтобы создавать более мелкие, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, который можно использовать для рисования на кремнии паттернов для каждой области.

Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины (подложки). Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный фоторезистивный полимер. Освещая полимер светом определённых частот, мы можем обнажать полимер в тех областях, где хотим выполнять легирование. Это этап литографии, и он схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.

Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в местах, где был удалён полимер. Затем фоторезист убирается, оставляя только находящийся под ним оксидный слой. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует оксид.

Этот процесс маскирования, формирования и легирования повторяется десятки раз для медленного построения каждого уровня элементов в полупроводнике. После завершения базового уровня кремния поверх можно создать металлические соединения, соединяющие разные транзисторы. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.

Разумеется, производители чипов не выполняют процесс создания транзисторов под одному. При проектировании нового чипа они генерируют маски для каждого этапа процесса изготовления. Эти маски содержат местоположения каждого элемента миллиардов транзисторов чипа. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются совместно на одном кристалле.

После изготовления пластины она разрезается на отдельные кристаллы, которые помещаются
в корпуса. Каждая пластина может содержать сотни или даже больше чипов. Обычно чем более мощный производится чип, тем больше будет кристалл, и тем меньше чипов производитель может получить с каждой пластины.

Можно подумать, что нам просто стоит производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства. Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора сломана, то может быть выброшен весь чип. При увеличении размера процессоров вероятность неисправности чипа повышается.

Продуктивность процессов изготовления своих чипов компании тщательно скрывают, но её можно примерно оценить в 70-90%. Компании обычно изготавливают чипы с запасом, потому что знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный, потому что рассчитывает, что одно или два ядра могут быть сломаны. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене. Этот процесс называется binning.

Один из самых серьёзных маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов — это размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нанометровый процесс, AMD использует для некоторых GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нанометровым процессом. Но что означают все эти числа? Традиционно размером элемента называется минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. В процессе развития технологий мы научились уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. При уменьшении транзисторов они также становятся всё быстрее и быстрее.

Глядя на эти числа, важно помнить, что некоторые компании могут основывать размер техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что процессы с разным размером у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. С другой стороны, не все транзисторы в отдельном техпроцессе имеют одинаковый размер. Проектировщики могут решить ради компромиссов сделать некоторые транзисторы крупнее других. Мелкий транзистор будет быстрее, потому на зарядку и разрядку его затвора требуется меньше времени. Однако мелкие транзисторы могут управлять только очень малым количеством выходов. Если какой-то кусок логики будет управлять чем-то, требующим много мощности, например, контактом вывода, то его придётся сделать намного больше. Такие транзисторы вывода могут быть на порядки величин больше, чем транзисторы внутренней логики.

Снимок кристалла современного процессора AMD Zen. Эта конструкция состоит из нескольких миллиардов транзисторов.

Однако проектирование и изготовление транзисторов — это только половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте многоуровневую дорожную развязку с въездами, выездами и кучей пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. У разных процессоров разное количество металлических связующих слоёв над транзисторами. Транзисторы уменьшаются, и для маршрутизации всех сигналов требуется всё больше слоёв металлизации. Сообщается, что в будущем 5-нанометровом техпроцессе TMSC будет использоваться 15 слоёв. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку — это даст вам представление о том, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.

На показанном ниже изображении с микроскопа показана решётка, образованная семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и при поднимании вверх слои становятся больше, чтобы способствовать снижению сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, которые используются для перехода на более высокий уровень. Обычно каждый слой меняет направление относительно слоя под ним, чтобы снизить нежелательные ёмкостные сопротивления. Нечётные слои металлизации могут использоваться для создания горизонтальных соединений, а чётные — для вертикальных соединений.

Можно понять, что управление всеми этими сигналами и слоями металлизации очень быстро становится невероятно сложным. Чтобы способствовать решению этой проблемы, применяются компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции программы даже могут транслировать функции высокоуровневого кода на C вниз до физических расположений каждого проводника и транзистора. Обычно разработчики чипов позволяют компьютерам генерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.

Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют проектировщикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Проектировщики могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который хотят произвести. Затем они отправляют на фабрику — место, где необработанный кремний превращается в рабочие чипы — электрические схемы транзисторов чипа и слоёв металлизации. Эти схемы превращаются в маски, которые используются в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как может выглядеть процесс проектирования чрезвычайно простого чипа.

Первой мы видим схему инвертора, который является стандартной ячейкой. Заштрихованный зелёный прямоугольник наверху — это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник — это поликремниевый затвор, синие области — это металлизация 1, а сиреневые области — металлизация 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металлизации 2.
Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта конструкция может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными входами. Идущие вверх заштрихованные синие проводники это слои металлизации 3. Немного более крупные квадраты на концах проводников — это перемычки, соединяющие два слоя.
Наконец, объединив вместе множество ячеек и примерно 2 000 транзисторов, мы получили простой 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырёх слоях металлизации. Увидев, насколько он сложен, можно только представлять, как трудно проектировать 64-битный процессор с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и 20 с лишним этапами конвейера. Учитывая то, что у современных высокопроизводительных ЦП есть до 5-10 миллиардов транзисторов и дюжина слоёв металлизации, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.

Это даёт нам понять, почему новый процессор является таким дорогостоящим куском технологий и почему AMD и Intel так долго выпускают новые продукты. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от чертёжной доски до рынка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые современные чипы созданы на технологиях, которым уже несколько лет, и что мы ещё много лет не увидим чипов с современным уровнем технологий изготовления.

В четвёртой и последней статье серии мы вернёмся к физической сфере и рассмотрим современные тенденции в отрасли. Что разрабатывают исследователи, чтобы сделать следующее поколении компьютеров ещё быстрее?

Как делают процессоры | Журнал Популярная Механика

Вы когда-нибудь задумывались, как одна и та же компания может 23 года кряду лидировать на рынке микропроцессоров? Или почему в течение тех же двух десятков лет мы, покупая компьютер для дома или офиса, выбираем между процессорами всего двух марок (за редчайшими исключениями), невзирая на антимонопольное законодательство и конкуренцию?

Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.

А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?

Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.

Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.

Принципиальная схема установки Mapper

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Транзисторный ликбез Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа. Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Как сегодня делают процессоры

Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.

Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.

Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.

Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.

На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.

Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.

После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.

Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.

Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.

Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.

13 000 телевизоров

Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.

До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.

К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.

Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.

Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.

Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.

Статья «Крафтовый процессор» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2016).

Как на самом деле производят процессоры

Песок. В наших ком­пью­те­рах в бук­валь­ном смыс­ле песок, вер­нее — состав­ля­ю­щий его крем­ний. Это основ­ной эле­мент, бла­го­да­ря кото­ро­му в ком­пью­те­рах всё рабо­та­ет. А вот как из пес­ка полу­ча­ют­ся ком­пью­те­ры.

Что такое процессор

Про­цес­сор — это неболь­шой чип внут­ри ваше­го ком­пью­те­ра или теле­фо­на, кото­рый про­из­во­дит все вычис­ле­ния. Об осно­ве вычис­ле­ний мы уже писа­ли — это тран­зи­сто­ры, кото­рые собра­ны в сум­ма­то­ры и дру­гие функ­ци­о­наль­ные бло­ки.

Если очень упро­щён­но — это слож­ная систе­ма кра­нов и труб, толь­ко вме­сто воды по ним течёт ток. Если пра­виль­ным обра­зом соеди­нить эти тру­бы и кра­ны, ток будет течь полез­ным для чело­ве­ка обра­зом и полу­чат­ся вычис­ле­ния: сна­ча­ла сум­мы, потом из сумм мож­но полу­чить более слож­ные мате­ма­ти­че­ские опе­ра­ции, потом чис­ла­ми мож­но зако­ди­ро­вать текст, цвет, пик­се­ли, гра­фи­ку, звук, 3D, игры, ней­ро­се­ти и что угод­но ещё.

Кремний

Почти все про­цес­со­ры, кото­рые про­из­во­дят­ся в мире, дела­ют­ся на крем­ни­е­вой осно­ве. Это свя­за­но с тем, что у крем­ния под­хо­дя­щая внут­рен­няя атом­ная струк­ту­ра, кото­рая поз­во­ля­ет делать мик­ро­схе­мы и про­цес­со­ры прак­ти­че­ски любой кон­фи­гу­ра­ции.

Самый доступ­ный источ­ник крем­ния — песок. Но крем­ний, кото­рый полу­ча­ет­ся из пес­ка, на самом пер­вом эта­пе недо­ста­точ­но чистый: в нём есть 0,5% при­ме­сей. Может пока­зать­ся, что чисто­та 99,5% — это кру­то, но для про­цес­со­ров нуж­на чисто­та уров­ня 99,9999999%. Такой крем­ний назы­ва­ет­ся элек­трон­ным, и его мож­но полу­чить после цепоч­ки опре­де­лён­ных хими­че­ских реак­ций.

Когда цепоч­ка закан­чи­ва­ет­ся и оста­ёт­ся толь­ко чистый крем­ний, мож­но начи­нать выра­щи­вать кри­сталл.

Кристалл и подложка

Кри­стал­лы — это такие твёр­дые тела, в кото­рых ато­мы и моле­ку­лы веще­ства нахо­дят­ся в стро­гом поряд­ке. Про­ще гово­ря, ато­мы в кри­стал­ле рас­по­ло­же­ны пред­ска­зу­е­мым обра­зом в любой точ­ке. Это поз­во­ля­ет точ­но пони­мать, как будет вести себя это веще­ство при любом воз­дей­ствии на него. Имен­но это свой­ство кри­стал­ли­че­ской решёт­ки исполь­зу­ют на про­из­вод­стве про­цес­со­ров.

Самые рас­про­стра­нён­ные кри­стал­лы — соль, дра­го­цен­ные кам­ни, лёд и гра­фит в каран­да­ше.

Боль­шой кри­сталл мож­но полу­чить, если крем­ний рас­пла­вить, а затем опу­стить туда зара­нее под­го­тов­лен­ный малень­кий кри­сталл. Он сфор­ми­ру­ет вокруг себя новый слой кри­стал­ли­че­ской решёт­ки, полу­чив­ший­ся слой сде­ла­ет то же самое, и в резуль­та­те мы полу­чим один боль­шой кри­сталл. На про­из­вод­стве он весит под сот­ню кило­грамм, но при этом очень хруп­кий.

Гото­вый кри­сталл крем­ния.

После того, как кри­сталл готов, его наре­за­ют спе­ци­аль­ной пилой на дис­ки тол­щи­ной в мил­ли­метр. При этом диа­метр тако­го дис­ка полу­ча­ет­ся око­ло 30 сан­ти­мет­ров — на нём будет созда­вать­ся сра­зу несколь­ко десят­ков про­цес­со­ров.

Каж­дую такую пла­стин­ку тща­тель­но шли­фу­ют, что­бы поверх­ность полу­чи­лась иде­аль­но ров­ной. Если будут зазуб­ри­ны или шеро­хо­ва­то­сти, то на сле­ду­ю­щих эта­пах диск забра­ку­ют.

Гото­вые отпо­ли­ро­ван­ные пла­сти­ны крем­ния.

Печатаем транзисторы

Когда дис­ки отпо­ли­ро­ва­ны, на них мож­но фор­ми­ро­вать про­цес­со­ры. Про­цесс очень похож на то, как рань­ше печа­та­ли чёрно-белые фото­гра­фии: бра­ли плён­ку, све­ти­ли свер­ху лам­пой, а сни­зу кла­ли фото­бу­ма­гу. Там, куда попа­дал свет, бума­га ста­но­ви­лось тём­ной, а те места, кото­рые закры­ло чёр­ное изоб­ра­же­ние на плён­ке, оста­ва­лись белы­ми.

С тран­зи­сто­ра­ми всё то же самое: на диск нано­сят спе­ци­аль­ный слой, кото­рый при попа­да­нии све­та реа­ги­ру­ет с моле­ку­ла­ми дис­ка и изме­ня­ет его свой­ства. После тако­го облу­че­ния в этих местах диск начи­на­ет про­во­дить ток чуть ина­че — силь­нее или сла­бее.

Что­бы так поме­нять толь­ко нуж­ные участ­ки, на пути све­та поме­ща­ют фильтр — пря­мо как плён­ку в фото­пе­ча­ти, — кото­рый закры­ва­ет те места, где менять ниче­го не надо.

Потом полу­чив­ший­ся слой покры­ва­ют тон­ким сло­ем диэлек­три­ка — это веще­ство, кото­рое не про­во­дит ток, типа изо­лен­ты. Это нуж­но, что­бы слои про­цес­со­ра не вза­и­мо­дей­ство­ва­ли друг с дру­гом. Про­цесс повто­ря­ет­ся несколь­ко десят­ков раз. В резуль­та­те полу­ча­ют­ся мил­ли­о­ны мель­чай­ших тран­зи­сто­ров, кото­рые теперь нуж­но соеди­нить меж­ду собой.

Соединяем всё вместе

То, как соеди­ня­ют­ся меж­ду собой тран­зи­сто­ры в про­цес­со­ре, назы­ва­ет­ся про­цес­сор­ной архи­тек­ту­рой. У каж­до­го поко­ле­ния и моди­фи­ка­ции про­цес­со­ров своя архи­тек­ту­ра. Все про­из­во­ди­те­ли дер­жат в сек­ре­те тон­ко­сти архи­тек­ту­ры, пото­му что от это­го может зави­сеть ско­рость рабо­ты или сто­и­мость про­из­вод­ства.

Так как тран­зи­сто­ров мно­го, а свя­зей меж­ду ними нуж­но сде­лать нема­ло, то посту­па­ют так: нано­сят токо­про­во­дя­щий слой, ста­вят фильтр и закреп­ля­ют про­вод­ни­ки в нуж­ном месте. Потом слой диэлек­три­ка и сно­ва токо­про­во­дя­щий слой. В резуль­та­те выхо­дит бутер­брод из про­вод­ни­ков, кото­рые друг дру­гу не меша­ют, а тран­зи­сто­ры полу­ча­ют нуж­ные соеди­не­ния.

Токо­про­во­дя­щие дорож­ки круп­ным пла­ном. На фото они уже в несколь­ко сло­ёв и не меша­ют друг дру­гу.

В чём сложность

Совре­мен­ные про­цес­со­ры про­из­во­дят­ся на нано­мет­ро­вом уровне, то есть раз­ме­ры эле­мен­тов изме­ря­ют­ся нано­мет­ра­ми, это очень мало.

Если, напри­мер, во вре­мя печа­ти очень тол­стый маль­чик упа­дёт на пол в сосед­нем цехе, еле замет­ная удар­ная вол­на про­ка­тит­ся по пере­кры­ти­ям заво­да и печат­ная фор­ма немно­го сдви­нет­ся, а напе­ча­тан­ные таким обра­зом тран­зи­сто­ры ока­жут­ся бра­ко­ван­ны­ми. Пылин­ка, попав­шая на пла­сти­ну во вре­мя печа­ти — это, счи­тай, загуб­лен­ное ядро про­цес­со­ра.

Поэто­му на заво­дах, где дела­ют про­цес­со­ры, соблю­да­ют­ся жёст­кие стан­дар­ты чисто­ты, все ходят в мас­ках и костю­мах, на всех воз­ду­хо­во­дах сто­ят филь­тры, а сами заво­ды нахо­дят­ся на сей­сми­че­ских подуш­ках, что­бы толч­ки зем­ной коры не меша­ли про­из­во­дить про­цес­со­ры.

Крышка и упаковка

Когда дорож­ки гото­вы, диск отправ­ля­ют на тесты. Там смот­рят на то, как рабо­та­ет каж­дый про­цес­сор, как он гре­ет­ся и сколь­ко ему нуж­но энер­гии, заод­но про­ве­ря­ют на брак.

В зави­си­мо­сти от резуль­та­тов про­цес­со­ры с одной пла­сти­ны могут полу­чить раз­ную мар­ки­ров­ку и про­да­вать­ся по раз­ной сто­и­мо­сти. Те про­цес­со­ры, кото­рые полу­чи­лись более удач­ны­ми, ста­но­вят­ся доро­ги­ми сер­вер­ны­ми про­дук­та­ми. Те, где кто-то рядом чих­нул или вздох­нул, име­ют неко­то­рые несо­вер­шен­ства и дефек­ты, их могут отпра­вить на потре­би­тель­скую линию.

После тестов диск раз­ре­за­ют на гото­вые про­цес­сор­ные ядра.

Пла­сти­на со мно­же­ством оди­на­ко­вых про­цес­сор­ных ядер.
Робот выре­за­ет ядра из гото­вой пла­сти­ны.

После это­го к ядру про­цес­со­ра добав­ля­ют кон­так­ты, что­бы мож­но было вста­вить его в мате­рин­скую пла­ту, и накры­ва­ют крыш­кой. Чёр­ный или метал­ли­че­ский пря­мо­уголь­ник, из кото­ро­го тор­чат нож­ки, — это как раз крыш­ка.

Крыш­ка выпол­ня­ет две функ­ции: защи­ща­ет сам кри­сталл от повре­жде­ний и отво­дит от него теп­ло во вре­мя рабо­ты. Дело в том, что мил­ли­о­ны тран­зи­сто­ров при рабо­те нагре­ва­ют­ся, и если про­цес­сор не осту­жать, то он пере­гре­ет­ся и кри­сталл может испор­тить­ся. Что­бы тако­го не про­изо­шло, на крыш­ку про­цес­со­ра ста­вят воз­душ­ные куле­ры или дела­ют водя­ное охла­жде­ние.

Система на чипе

Чипы про­цес­со­ров уже настоль­ко малень­кие, что под одной крыш­кой мож­но поме­стить какое-нибудь ещё устрой­ство. Напри­мер, видео­си­сте­му — то, что обсчи­ты­ва­ет кар­тин­ку перед выво­дом на экран. Или устрой­ство радио­свя­зи с антен­ной.

В какой-то момент на малень­ком чипе пло­ща­дью око­ло 1 см² уже мож­но было поме­стить про­цес­сор, видео, модем и блю­тус, сде­лать всё нуж­ное для под­держ­ки памя­ти и пери­фе­рии — в общем, систе­ма на чипе. Под­клю­ча­е­те к это­му хозяй­ству экран, нуж­ное коли­че­ство антенн, пор­тов и кно­пок, а глав­ное — здо­ро­вен­ную бата­рею, и у вас гото­вый смарт­фон. По сути, все «моз­ги» ваше­го смарт­фо­на нахо­дят­ся на одном малень­ком чипе, а 80% про­стран­ства за экра­ном зани­ма­ет бата­рея.

Производство процессоров в картинках — ITC.ua

Современные микропроцессоры – одни из сложнейших устройств, изготавливаемых человеком. Производство полупроводникового кристалла намного более ресурсоемко, чем, скажем, возведение многоэтажного дома или организация крупнейшего выставочного мероприятия. Однако благодаря массовому выпуску CPU в денежном эквиваленте мы этого не замечаем, да и редко кто задумывается обо всей грандиозности элементов, занимающих столь видное место внутри системного блока. Мы решили изучить детали производства процессоров и поведать о них в данном материале. Благо в Сети сегодня достаточно информации на эту тему, а специализированная подборка презентаций и слайдов корпорации Intel позволяет выполнить поставленную задачу максимально наглядно. Предприятия других гигантов полупроводниковой индустрии работают по тому же принципу, поэтому с уверенностью можно сказать, что все современные микросхемы проходят идентичный путь создания.

Первое, о чем стоит упомянуть, – строительный материал для процессоров. Кремний (англ. silicon) – второй после кислорода наиболее распространенный элемент на планете. Он является природным полупроводником и используется как основной материал для производства чипов всевозможных микросхем. Больше всего кремния содержится в обычном песке (особенно кварце) в виде диоксида кремния (SiO2).

Впрочем, кремний – не единственный материал. Самый близкий его родственник и заменитель – германий, однако в процессе совершенствования производства ученые выявляют хорошие полупроводниковые свойства у соединений других элементов и готовятся опробовать их на практике или уже это делают.

1 Кремний проходит многоступенчатый процесс очистки: сырье для микросхем не может содержать больше примесей, чем один чужеродный атом на миллиард.

2 Кремний расплавляют в специальной емкости и, опустив внутрь постоянно охлаждаемый вращающийся стержень, «наматывают» на него благодаря силам поверхностного натяжения вещество.

3 В итоге получаются продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, каждая массой около 100 кг.

4 Заготовку нарезают на отдельные кремниевые диски – пластины, на которых будут расположены сотни микропроцессоров. Для этих целей используются станки с алмазными режущими дисками или проволочно-абразивные установки.

5 Подложки полируют до зеркального блеска, чтобы устранить все дефекты на поверхности. Следующий шаг – нанесение тончайшего фотополимерного слоя.

6 Обработанная подложка подвергается воздействию жесткого ультрафиолетового излучения. В фотополимерном слое происходит химическая реакция: свет, проходя через многочисленные трафареты, повторяет рисунки слоев CPU.

7 Реальный размер наносимого изображения в несколько раз меньше собственно трафарета.

8 Участки, «протравленные» излучением, вымываются. На кремниевой подложке получается рисунок, который затем подвергается закреплению.

9 Следующий этап изготовления одного слоя – ионизация, в процессе которой свободные от полимера участки кремния бомбардируются ионами.

10 В местах их попадания изменяются свойства электрической проводимости.

11 Оставшийся полимер удаляют, и транзистор почти готов. В изолирующих слоях делаются отверстия, которые благодаря химической реакции заполняются атомами меди, используемыми в качестве контактов.

12 Соединение транзисторов представляет собой многоуровневую разводку. Если взглянуть в микроскоп, на кристалле можно заметить множество металлических проводников и помещенных между ними атомов кремния или его современных заменителей.

13 Часть готовой подложки проходит первый тест на функциональность. На этом этапе на каждый из выбранных транзисторов подается ток, и автоматизированная система проверяет параметры работы полупроводника.

14 Подложка с помощью тончайших режущих кругов разрезается на отдельные части.

15 Годные кристаллы, полученные в результате данной операции, используются в производстве процессоров, а бракованные отправляются в отходы.

16 Отдельный кристалл, из которого будет сделан процессор, помещают между основанием (подложкой) CPU и теплорас-пределительной крышкой и «упаковывают».

17 В ходе окончательного тестирования готовые процессоры проверяются на соответствие требуемым параметрам и лишь затем сортируются. На основании полученных данных в них прошивается микрокод, позволяющий системе должным образом определить CPU.

18 Готовые устройства упаковываются и направляются на рынок.

Интересные факты о процессорах и их производстве

«Силиконовая долина» (Silicon Valley, США, Калифорния)

Получила свое название благодаря основному строительному элементу, использующемуся в производстве микрочипов.

«Почему пластины для производства процессоров круглые?» – наверняка спросите вы.

Для производства кремниевых кристаллов применяется технология, позволяющая получать только цилиндрические заготовки, которые затем режутся на части. До сих пор еще никому не удавалось изготовить квадратную пластину, лишенную дефектов.

Почему микрочипы квадратные?

Именно такая литография позволяет использовать площадь пластины с максимальной эффективностью.

Зачем процессорам столько ножек/контактов?

Помимо сигнальных линий каждый процессор для работы нуждается в стабильном питании. При энергопотреблении порядка 100–120 Вт и низком напряжении через контакты может протекать ток силой до 100 А. Значительная часть контактов CPU выделена именно под систему питания и дублируется.

Утилизация отходов производства

Раньше дефектные пластины, их остатки и бракованные микрочипы шли в отходы. На сегодняшний день ведутся разработки, позволяющие использовать их в качестве основы для производства солнечных батарей.

«Костюм кролика».

Такое название получил комбинезон белого цвета, который обязаны носить все рабочие производственных помещений. Делается это для поддержания максимальной чистоты и защиты от случайного попадания частиц пыли на производственные установки. «Костюм кролика» впервые был использован на фабриках по производству процессоров в 1973 году и с тех пор стал общепринятым стандартом.

99,9999%

Для производства процессоров пригоден только кремний высочайшей степени чистоты. Заготовки очищают спецхимией.

300 мм

Таков диаметр современных кремниевых пластин для производства процессоров.

1000 раз

Именно настолько чище воздух в помещениях фабрик для производства чипов, чем в операционной.

20 слоев

Процессорный кристалл очень тонкий (меньше миллиметра), но в нем умещаются более 20 слоев сложнейших структурных объединений транзисторов, которые выглядят как многоуровневые хайвеи.

2500

Именно столько кристаллов процессора Intel Atom (имеют наименьшую площадь среди cовременных CPU) размещаются на одной 300-миллиметровой пластине.

10 000 000 000 000 000 000

Сто квинтиллионов транзисторов в виде структурных элементов микрочипов отгружаются с фабрик каждый год. Это приблизительно в 100 раз больше, чем оценочное количество муравьев на планете.

A

Стоимость производства одного транзистора в процессоре сегодня равна цене печати одной буквы в газете.

В процессе подготовки статьи использовались материалы с официального веб-сайта корпорации Intel, www.intel.ua

Как разрабатываются и производятся процессоры: проектирование ЦП / Habr

Теперь, когда мы знаем, как работают процессоры на высоком уровне, настало время углубиться в разбор процесса проектирования их внутренних компонентов. Это вторая статья из серии, посвящённой разработке процессоров. Рекомендую изучить для начала первую часть, чтобы вы понимать изложенные ниже концепции.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как вы возможно знаете, процессоры и большинство других цифровых устройств состоят из транзисторов. Проще всего воспринимать транзистор как управляемый переключатель с тремя контактами. Когда затвор включён, электрический ток может течь по транзистору. Когда затвор отключён, ток течь не может. Затвор похож на выключатель света в комнате, только он гораздо меньше, быстрее и может управляться электрически.

Существует два основных типа транзисторов, используемых в современных процессорах: pMOS (PМОП) и nMOS (NМОП). nMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор (gate) заряжен или имеет высокое напряжение, а pMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор разряжен или имеет низкое напряжение. Сочетая эти типы транзисторов комплементарным образом, мы можем создавать логические элементы КМОП (CMOS). В этой статье мы не будем подробно разбирать особенности работы транзисторов, но коснёмся этого в третьей части серии.

Логический элемент — это простое устройство, получающее входные сигналы, выполняющее какую-то операцию, и выводящее результат. Например, элемент И (AND) включает свой выходной сигнал тогда и только тогда, когда включены все входы затвора. Инвертор, или элемент НЕ (NOT) включает свой выход, если вход отключён. Можно скомбинировать эти два затвора и получить элемент И-НЕ (NAND), который включает выход, тогда и только тогда, когда не включён ни один из входов. Существуют другие элементы со своей логической функциональностью, например ИЛИ (OR), ИЛИ-НЕ (NOR), исключающее ИЛИ (XOR) и исключающее ИЛИ с инверсией (XNOR).

Ниже показано, как из транзисторов собраны два простых элемента: инвертор и NAND. В инверторе pMOS-транзистор (сверху) соединён с питанием, а nMOS-транзистор (снизу) соединён с заземлением. На обозначении pMOS-транзисторов есть небольшой кружок, соединённый с затвором. Мы сказали, что pMOS-устройства пропускают ток, когда вход отключен, а nMOS-устройства пропускают ток, когда вход включен, поэтому легко заметить, что сигнал на выходе (Out) будет всегда противоположным сигналу на входе (In). Взглянув на элемент NAND, мы видим, что для него требуется четыре транзистора, и что выход всегда будет отключен, если выключен хотя бы один из входов. Соединение подобным образом транзисторов для образования простых сетей — это тот же процесс, который используется для проектирования более сложных логических элементов и других схем внутри процессоров.

Строительные блоки в виде логических элементов так просты, что трудно понять, как они превращаются в функционирующий компьютер. Процесс проектирования заключается в комбинировании нескольких элементов для создания небольшого устройства, способного выполнять простую функцию. Затем можно объединить множество таких устройств, чтобы создать нечто, выполняющее более сложную функцию. Процесс комбинирования отдельных компонентов для создания работающей структуры — это именно тот процесс, который используется сегодня для создания современных чипов. Единственное отличие заключается в том, что современный чип состоит из миллиардов транзисторов.

В качестве небольшого примера давайте возьмём простой сумматор — 1-битный полный сумматор. Он получает три входных сигнала — A, B, и Carry-In (входной сигнал переноса), и создаёт два выходных сигнала — Sum (сумма) и Carry-Out (выходной сигнал переноса). В простейшей схеме используется пять логических элементов, и их можно соединить вместе для создания сумматора любого размера. В современных схемах этот процесс усовершенствован оптимизацией части логики и сигналов переноса, но фундаментальные основы остаются теми же.

Выход Sum равен или A, или B, но никогда обоим, или есть входящий сигнал переноса, и тогда A и B или оба включены, или оба выключены. Выходной сигнал переноса немного сложнее. Он активен, когда или A и B включены одновременно, или есть Carry-in и один из A или B включен. Чтобы соединить несколько 1-битных сумматоров для создания более широкого сумматора, нам просто нужно соединить Carry-out предыдущего бита с Carry-in текущего бита. Чем сложнее становятся схемы, тем запутанней получается логика, но это самый простой способ сложения двух чисел. В современных процессорах используются более изощрённые сумматоры, но их схемы слишком сложны для подобного обзора. Кроме сумматоров процессоры также содержат устройства для деления, умножения и версий всех этих операций с плавающей точкой.

Подобное объединение последовательностей элементов для выполнения некой функции над входными сигналами называется комбинаторной логикой. Однако это не единственный тип логики, используемый в компьютерах. Не будет особой пользы, если мы не сможем хранить данные или отслеживать состояние. Для того, чтобы иметь возможность сохранять данные, нам нужна секвенциальная логика.

Секвенциальная логика строится аккуратным соединением инверторов и других логических элементов так, чтобы их выходы передавали сигналы обратной связи на вход элементов. Такие контуры обратной связи используются для хранения одного бита данных и называются статическим ОЗУ (Static RAM), или SRAM. Эта память называется статическим ОЗУ в противовес динамической (DRAM), потому что сохраняемые данные всегда напрямую соединены с положительным напряжением или заземлением.

Стандартный способ реализации одного бита SRAM — это показанная ниже схема из 6 транзисторов. Самый верхний сигнал, помеченный как WL (Word Line) — это адрес, и когда он включен, то данные, хранящиеся в этой 1-битной ячейке передаются в Bit Line, помеченную как BL. Выход BLB называется Bit Line Bar; это просто инвертированное значение Bit Line. Вы должны узнать два типа транзисторов и понять, что M3 с M1, как и M4 с M2, образуют инвертор.

SRAM используется для построения сверхбыстрых кэшей и регистров внутри процессоров. Эта память очень стабильна, но для хранения каждого бита данных требует от шести до восьми транзисторов. Поэтому по сравнению с DRAM она чрезвычайно затратна с точки зрения стоимости, сложности и площади на чипе. С другой стороны, Dynamic RAM хранит данные в крошечном конденсаторе, а не использует логические элементы. Она называется динамической, потому что напряжение на конденсаторе может значительно изменяться, так как он не подключён к питанию или заземлению. Есть только один транзистор, используемый для доступа к хранящимся в конденсаторе данным.

Поскольку DRAM требует всего по одному транзистору на бит и очень масштабируема, её можно плотно и дёшево упаковывать. Недостаток DRAM заключается в том, что заряд конденсатора так мал, что его необходимо постоянно обновлять. Именно поэтому после отключения питания компьютера все конденсаторы разряжаются и данные в ОЗУ теряются.

Такие компании, как Intel, AMD и Nvidia, не публикуют схем работы своих процессоров, поэтому невозможно показать подобных полных электрических схем для современных процессоров. Однако этот простой сумматор позволит вам получить представление о том, что даже самые сложные части процессора можно разбить на логические и запоминающие элементы, а затем и на транзисторы.

Теперь, когда мы знаем, как производятся некоторые компоненты процессора, нам нужно разобраться, как соединить всё вместе и синхронизировать. Все ключевые компоненты процессора подключены к синхронизирующему (тактовому) сигналу (clock signal). Он попеременно имеет высокое и низкое напряжение, меняя его с заданным интервалом, называемым частотой (frequency). Логика внутри процессора обычно переключает значения и выполняет вычисления, когда синхронизирующий сигнал меняет напряжение с низкого на высокое. Синхронизируя все части, мы можем гарантировать, что данные всегда поступают в правильное время, чтобы в процессоре не возникали «глюки».

Вы могли слышать, что для повышения производительности процессора можно увеличить частоту тактовых сигналов. Это повышение производительности происходит благодаря тому, что переключение транзисторов и логики внутри процессора начинает происходить чаще, чем предусмотрено. Поскольку в секунду происходит больше циклов, то можно выполнить больше работы и процессор будет иметь повышенную производительность. Однако это справедливо до определённого предела. Современные процессоры обычно работают с частотой от 3,0 ГГц до 4,5 ГГц, и эта величина почти не изменилась за последние десять лет. Точно так же, как металлическая цепь не прочнее её самого слабого звена, процессор может работать не быстрее его самой медленной части. К концу каждого тактового цикла каждый элемент процессора должен завершить свою работу. Если какие-то части ещё её не завершили, то тактовый сигнал слишком быстрый и процессор не будет работать. Проектировщики называют эту самую медленную часть критическим путём (Critical Path) и именно он определяет максимальную частоту, с которой может работать процессор. Выше определённой частоты транзисторы просто не успевают достаточно быстро переключаться и начинают глючить или выдавать неверные выходные значения.

Повысив напряжение питания процессора, мы можем ускорить переключение транзисторов, но это тоже срабатывает до определённого предела. Если подать слишком большое напряжение, то мы рискуем сжечь процессор. Когда мы повышаем частоту или напряжение процессора, он всегда начинает излучать больше тепла и потреблять бОльшую мощность. Так происходит потому, что мощность процессора прямо пропорциональна частоте и пропорциональна квадрату напряжения. Чтобы определить энергопотребление процессора, мы рассматриваем каждый транзистор как маленький конденсатор, который нужно заряжать или разряжать при изменении его значения.

Подача питания — это настолько важная часть процессора, что в некоторых случаях до половины физических контактов на чипе может использоваться только для питания или заземления. Некоторые чипы при полной нагрузке могут потреблять больше 150 амперов, и со всем этим током нужно управляться чрезвычайно аккуратно. Для сравнения: центральный процессор генерирует больше тепла на единицу площади, чем ядерный реактор.

Тактовый сигнал в современных процессорах отнимает примерно 30-40% от его общей мощности, потому что он очень сложен и должен управлять множеством различных устройств. Для сохранения энергии большинство процессоров с низким потреблением отключает части чипа, когда они не используются. Это можно реализовать отключением тактового сигнала (этот способ называется Clock Gating) или отключением питания (Power Gating).

Тактовые сигналы создают ещё одну сложность при проектировании процессора: поскольку их частоты постоянно растут, то на работу начинают влиять законы физики. Даже несмотря на чрезвычайно высокую скорость света, она недостаточно велика для высокопроизводительных процессоров. Если подключить тактовый сигнал к одному концу чипа, то ко времени, когда сигнал достигнет другого конца, он будет рассинхронизован на значительную величину. Чтобы синхронизировать все части чипа, тактовый сигнал распределяется при помощи так называемого H-Tree. Это структура, гарантирующая, что все конечные точки находятся на совершенно одинаковом расстоянии от центра.

Может показаться, что проектирование каждого отдельного транзистора, тактового сигнала и контакта питания в чипе — чрезвычайно монотонная и сложная задача, и это в самом деле так. Даже несмотря на то, что в таких компаниях, как Intel, Qualcomm и AMD, работают тысячи инженеров, они не смогли бы вручную спроектировать каждый аспект чипа. Для проектирования чипов такого масштаба они используют множество сложных инструментов, автоматически генерирующих конструкции и электрические схемы. Такие инструменты обычно получают высокоуровневое описание того, что должен делать компонент, и определяют наилучшую аппаратную конфигурацию, удовлетворяющую этим требованиям. Недавно возникло направление развития под названием High Level Synthesis, которое позволяет разработчикам указывать необходимую функциональность в коде, после чего компьютеры определяют, как оптимальнее достичь её в оборудовании.

Точно так же, как вы можете описывать компьютерные программы через код, проектировщики могут описывать кодом аппаратные устройства. Такие языки, как Verilog и VHDL позволяют проектировщикам оборудования выражать функциональность любой создаваемой ими электрической схемы. После выполнения симуляций и верификации таких проектов их можно синтезировать в конкретные транзисторы, из которых будет состоять электрическая схема. Хоть этап верификации может и не кажется таким увлекательным, как проектирование нового кэша или ядра, он значительно важнее их. На каждого нанимаемого компанией инженера-проектировщика может приходиться пять или более инженеров по верификации.

Верификация нового проекта часто занимает больше времени и денег, чем создание самого чипа. Компании тратят так много времени и средств на верификацию, потому что после отправки чипа в производство его невозможно исправить. В случае ошибки в ПО можно выпустить патч, но оборудование работает иначе. Например, компания Intel обнаружила баг в модуле деления с плавающей запятой некоторых чипов Pentium, и в результате это вылилось в потери, эквивалентные современным 2 миллиардам долларов.

Сложно осмыслить то, что в одном чипе может быть несколько миллиардов транзисторов и понять, что все они делают. Если разбить чип на его отдельные внутренние компоненты, становится немного легче. Из транзисторов составляются логические элементы, логические элементы комбинируются в функциональные модули, выполняющие определённую задачу, а эти функциональные модули соединяются вместе, образуя архитектуру компьютера, которую мы обсуждали в первой части серии.

БОльшая часть работ по проектированию автоматизирована, но изложенное выше позволяет нам осознать, насколько сложен только что купленный нами новый ЦП.

Во второй части серии я рассказал о процессе проектирования ЦП. Мы обсудили транзисторы, логические элементы, подачу питания и синхронизирующих сигналов, синтез конструкции и верификацию. В третьей части мы узнаем, что требуется для физического производства чипа. Все компании любят хвастаться тем, насколько современен их процесс изготовления (Intel — 10-нанометровый, Apple и AMD — 7-нанометровый, и т.д.), но что же на самом деле означают эти числа? Об этом мы расскажем в следующей части.

Рекомендуемое чтение

Разработана 5 нм технология изготовления чипов / IBM corporate blog / Habr

Корпорация IBM создала технологию производства чипов с топологией 5 нанометров. Предыдущий минимум, 7 нм, был анонсирован два года назад. В производстве сейчас используется и топология 10 нм, но эта технология еще не слишком распространена. По 10 нм технологии, в частности, изготавливаются чипы Snapdragon 835, которые установлены в Samsung Galaxy S8.

По мнению специалистов, 5 нм чипы смогут значительно снизить энергопотребление устройств, поскольку такие процессоры потребляют на 75% меньше энергии, а вот производительность их на 40% выше, чем у большинства текущих мобильных чипов, изготовленных по 14 нм техпроцессу. Таким образом, в автономном режиме новые устройства смогут работать в 2-3 раза дольше, чем сейчас.

5 нм технология — плод совместных трудов IBM с компаниями Samsung и GlobalFoundries. Дело в том, что корпорация сейчас сама не производит чипы, а GlobalFoundries и Samsung могут лицензировать технологию. По мнению представителей всех компаний-партнеров, в массовое производство технология отправится к 2020 году, тогда же на рынке и начнут появляться новые чипы. В электронике пока что превалируют 14 нм чипы, выпуск которых начался 2-3 года назад.

Разработчики приняли решение использовать новый тип транзисторов, которые объединяются в кремниевые нанолисты. Электроны при этом посылаются через четыре затвора. Наиболее совершенные на данный момент транзисторы типа FinFET, которые массово используются на современном рынке, используют три затвора. Скорее всего, технология FinFET останется и в 7-нм чипах, хотя со временем она уйдет, поскольку ее нельзя масштабировать геометрически. Об этом заявил вице-президент по исследованиям полупроводниковых технологий IBM Research Мукеш Харе (Mukesh Khare).

«Выход за пределы 7 нм — это очень важно. Это важно и в конструктивном плане, и в том, что сейчас возможно собрать вместе все больше транзисторов. Так что мы можем говорить о 5 нм процессе», — заявил Харе. Чем выше плотность размещения транзисторов в микросхеме, тем выше скорость прохождения сигналов между ними, соответственно, тем выше и скорость выполнения различных задач таким чипом.

Для производства новинки, скорее всего, будет использоваться технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете (extreme ultraviolet lithography, EUV). Эта же технология использовалась для создания тестовых 7 нм чипов. Ширина нанолистов в случае использования этого метода может регулироваться. А точная настройка очень важна при производстве чипов. Этого нельзя достичь, используя FinFET.

Новое достижение чрезвычайно важно как для общества, так и для бизнеса. «Для бизнеса и сообщества важны когнитивные и облачные вычисления, которые будут совершенствоваться с появлением новых достижений в полупроводниковых технологиях», — заявил Арвинд Кришна, руководитель IBM Research. Он говорит, что именно поэтому IBM активно продвигает новые типы архитектур и материалы, которые раздвигают границы возможностей производства.

Компания AMD закрыла Китаю доступ к современным технологиям изготовления процессоров

Глава компании AMD Лиза Су заявила о прекращении лицензирования Китаю процессорных х86-архитектур. Три года назад, в 2016 году, КНР и AMD создали общее предприятие по разработке однокристальных систем, которое получило название Tianjin Haiguang Advanced Technology Investment Co. Ltd. (THATIC). Организация лицензировала использование архитектуры Zen в производстве собственных процессоров.

AMD, в свою очередь, получала прибыль — лицензионные выплаты. По условиям договора размер выплат должен был составить $293 млн по мере достижения совместным предприятием определенного уровня развития и доходов. Кроме того, компания получала отчисления с каждого процессора, которое было продано совместной компанией. На данный момент AMD получила около $60 млн.

На выставке Computex 2019 глава AMD заявила о прекращении сотрудничества с Китаем. Свой комментарий Су оставила после того, как на этой же выставке были замечены китайские Zen-чипы, которые получили название Hygon. Правда, она не стала уточнять, связан ли разрыв в сотрудничестве с торговой войной Китая и США и указом Дональда Трампа о запрете совместной работы компаний из США с КНР.

Ранее Су сообщала, что ее компания будет выполнять требования США, следуя законодательным нормам этой страны.

Таким образом, у Китая больше не будет доступа к актуальным разработкам компании, включая новейшую архитектуру Zen 2, которая является основой процессоров Ryzen третьего поколения, а также серверных чипов EPYC Rome.

Соответственно, китайцы в ближайшее время вряд ли смогут освоить эту технологию самостоятельно. Что касается процессоров, представленных китайцами, то полностью новыми их назвать нельзя. Скорее, это клоны чипов AMD, выполненных по 14 нм техпроцессу. Hygon предназначены для установки в Socket SP3, как и процессоры от AMD. Единственное отличие — внедрение в процессоры китайских стандартов шифрования данных. На внешний рынок эти процессоры не пойдут, они предназначены исключительно для Китая.

Китайские процессоры для настольных ПК — практически полная копия Ryzen, их отличие от чипов AMD в том, что процессоры монтируют сразу на материнской плате путем пайки, без использования разъёмов. Еще одно отличие в том, что для этих процессоров не предусмотрен дискретный чипсет, то есть набор системной логики. Разработчики утверждают, что все необходимые компоненты вошли в состав процессоров.

Китайские разработчики продемонстрировали возможности своих процессоров на выставке. Так, процессоры Hygon Dhyana установлены в китайском суперкомпьютере Sugon Advanced Computing System (PreE), который был разработан в прошлом году. Эта система попала в топ-500 наиболее мощных суперкомпьютеров мира.

Закрытие доступа Китаю к американским технологиям, в частности, архитектуре новейших процессоров может означать, что темпы развития электронной промышленности страны несколько снизятся. Производство китайских процессоров с архитектурой AMD Zen могло быть возложено на плечи компании GlobalFoundries — у нее есть промышленные предприятия в США и Германии. Но после выхода указа Трампа о прекращении технологического сотрудничества с КНР неизвестно, как сложится судьба этого процессора и систем на его основе.