Как делаются процессоры — 3 ключевые технологические операции

Процессор — сердце компьютера, без него невозможна обработка информации. Производство чипов настолько сложный процесс, что его, наряду с полетами в космос, можно рассматривать как один из маркеров развития человечества. Разберемся в общих чертах, как делаются миниатюрные процессоры для ПК и смартфонов. 

История появления первого в мире процессора 

Первые компьютеры изобрели во время Второй мировой войны. Машины впечатляющих габаритов занимали несколько десятков квадратных метров. За вычислительные функции в них отвечали механические реле (немецкий Z3) или электронные лампы (американский ENIAC). Новый толчок вычислительные технологии получили после изобретения полупроводниковых транзисторов в 1947 г. Более или менее современный формат чипов появился на рубеже 1960-70 годов. Самый известный микропроцессор того периода — Intel 4004. 

Персональных компьютеров тогда еще не было, Intel 4004 работал в большой ЭВМ. Микропроцессор, размеры которого составляли 3х4 мм, выполнял 60-93 тысяч операций в секунду в зависимости от режима работы. Новинка выглядела крайне перспективно в коммерческом плане, стоила $200. Тогда покупательная способность у доллара была в разы выше, но за новую технологию компании и состоятельные граждане готовы были платить. 

Однако компания Intel выбрала неудачную маркетинговую стратегию по продвижению микрочипа на рынок. Более коммерчески успешным стал усовершенствованный Intel 8080 от 1974 года с частотой 2-4 МГц и техпроцессом 6 мкм. Еще через 4 года компания смогла предложить уже 16-битный микрочип Intel 8086 с частотой 4-16 МГц на техпроцессе 3 мкм. Процессоры примерно с такими же характеристиками стали устанавливать в первые персоналки IBM PC. Случилось это в 1981 году. На создание процессора для первого массового ПК ушло 8 лет, если считать от появления чипа 4004. 

Выбираем ОЗУ: DDR4 vs. DDR5 — в чем разница, 6 технологических плюшек и 3 подводных камешка новой памяти

Какую функцию выполняют транзисторы в процессоре 

Разобраться в технологии производства процессоров проще людям, которые понимают принцип работы чипов. Микропроцессоры построены на транзисторах, при их изготовлении используют полупроводники. Такие материалы занимают промежуточное положение между проводниками тока и диэлектриками. Из двух разнотипных полупроводников делают диоды, которые пропускают электричество только в одном направлении, из трех полупроводников — триоды, они же — транзисторы.  

КМОП-транзистор имеет 3 контакта: исток, затвор и сток. Триод пропускает ток, когда на затворе есть напряжение. Транзистор, по сути, — обычный переключатель, только не механический, а электронный, без движущихся частей. Он срабатывает мгновенно, его можно сделать очень маленьким, отсюда актуальность использования в микроэлектронике. 

На базе КМОП-транзисторов сначала начали изготавливать простые вычислительные устройства — калькуляторы, а позже — компьютеры. Работа микропроцессора строится на двоичной системе исчисления. Чип выполняет логические и арифметические операции, задачи, поставленные программами. Числами можно закодировать текст, звук, цвет для последующей обработки информации микропроцессором. 

Транзисторы — это своего рода начинка процессора, вычислительный узел, выполняющий основную работу. Чем их больше, тем выше производительность. Рост количества транзисторов в процессорах в конце ХХ века соответствовал закону Гордона Мура — каждые 2 года удвоение при сохранении площади кристалла. Однако бесконечное уменьшение триодов невозможно, поскольку упирается в размеры атомов. У кремния размер кристаллической решетки — 0,5 нм. 

Нюансы выбора: TBP, TGP, TDP видеокарты — какую из 3 характеристик искать при выборе ноутбука

Из чего делают процессоры 

Основное сырье, которое используют при производстве микропроцессоров, — песок. Песок — это диоксид кремния. Его расплавляют в печах и путем химической реакции производят технический кремний, чистота которого 98-99%. Для чипов этого недостаточно, с помощью хлорирования и ряда других процессов получают состав, в котором уже не сотая, а миллиардная доля чужеродных атомов.

Следующий шаг — придание структуре кремния кристаллических свойств. Этап нужен для получения материала с четко упорядоченным расположением атомов. Материал расплавляют и погружают в него заранее подготовленный кремниевый кристалл. Происходит кристаллизация. По окончании процесса образуется кристаллическая структура цилиндрической формы весом в 100 кг.

Монокристалл разрезают на диски толщиной около 1 мм, «блинчики» диаметром 30 см подвергают шлифовке. На дисках «рисуют» слои транзисторов с помощью фотолитографии — формирования слоев с избытком и недостатком электронов. В процессе кроме кремния участвуют атомы фосфора, бора и других веществ. 

Из чего еще делают процессоры, какие металлы идут в ход? Транзисторы в чипах расположены слоями, разделенными изоляцией. Пустоты между логическими элементами заполняют атомами меди, обеспечивая проводимость. 

Таким образом, процессоры производят на кремниевой основе, добавляя по ходу дела другие вещества с разной токопроводимостью.

Для геймеров: ТОП игровых ноутбуков из 11 моделей

Как происходит производство транзисторов для процессоров 

На фабриках по производству чипов работает несколько разновидностей оборудования. Назначение установок:

1. Подготовка пластины к нанесению материала.
2. Добавление токопроводящего материала или диэлектрика.
3. Удаление лишнего.

На подготовительном этапе изготавливают маски — шаблоны, по которым наносят материалы на пластину. Для каждого слоя транзисторов — свой трафарет. 

Подготовка пластины 

В центрифуге размешивают фоторезист — светочувствительное вещество, затем его наносят на пластину. Пластину нагревают, в результате излишки фоточувствительного слоя испаряются. 

Литографический сканер подает на пластину ультрафиолет через трафарет. В освещенных местах фоторезист фиксируется, в неосвещенных — нет.

Проявитель смывает не закрепившийся фоторезист, после чего припекает оставшуюся часть путем нагрева.

Нанесение материала 

На начальном этапе трансформации пластин используют технологию ионной бомбардировки — точечное внедрение атомов бора, фосфора или других веществ.  При бомбардировке деформируется кремниевая кристаллическая решетка, ее восстанавливают путем нагревания.

Больше материала на пластину наносят путем распыления. В ход идет проводник тока или диэлектрик. В зависимости от распыляемого вещества меняют технологию нанесения. Металлы напыляют одним способом, диэлектрики — другим, кристаллический кремний — третьим.

Удаление 

Излишки убирают двумя способами:

• Травление. Химическая шлифовка обычно работает через трафарет. Делают углубления в пластине для заполнения другим материалом.
• Абразивную шлифовку запускают после завершения работы над слоем транзисторов. Перед процессом наносят суспензию, а затем добиваются ровной поверхности.

Как видите, делают транзисторы для процессоров в несколько этапов, причем в статье изложена только самая общая информация. В технологическую цепочку также входят промывание и проверка пластин. 

Переходим на новую ОС: Как обновиться до Windows 11 с помощью стороннего ПО и 3 классическими методами

Что такое техпроцесс и как он влияет на производительность чипов 

Техпроцесс обозначают в соответствии с величиной отдельных элементов транзистора или другими особенностями технологии. В 1970-80 годы техпроцесс измерялся микронами, в 1990-ые и далее — нанометрами. Чем меньше показатель, тем выше производительность микропроцессора и/или ниже тепловыделение. При уменьшении техпроцесса падает энергопотребление. 

На рубеже веков AMD и Intel производили компьютерные чипы по техпроцессам 180-130 нм. С наступлением 2010-ых ведущие компании перешли на 22-нанометровый техпроцесс. 

Технология изготовления мощных микропроцессоров на этом не застопорилась: 

Тайваньская компания TSMC планирует начать серийный выпуск чипов по техпроцессу 2 нм в 2025 году. На этого производителя приходится более 50% мировых поставок процессоров.

К 2029 прогнозируют переход на техпроцесс 1,4 нм, но не факт что это произойдет, поскольку миниатюризация связана с технологическими проблемами и окупаемостью. Переход с 3 на 2 нм заметно буксует, поскольку ведет к подорожанию чипов.

Появление нового техпроцесса не означает прекращения производства менее продвинутых чипов. Те же Coffee Lake успешно продаются и в 2024 году, что уж говорить 5-нанометровой технологии, которая наверняка не потеряет актуальность до 2030 года. 

Нанометры и плотность размещения транзисторов 

Сначала процессорные транзисторы измеряли в мкм (0,001 мм), со временем перешли в нм (0,000001 мм). По размерам триод соотносится с волосом человека, как пылинка с бревном. Как же делают такие крохотные транзисторы для процессоров? На самом деле, темпы озвучиваемой производителями миниатюризации несколько преувеличены.

Производственные компании в каждом новом поколении чипов увеличивают количество транзисторов при сохранении площади процессора. При этом размеры триодов каждый раз уменьшаются примерно в 1,4 раза. Когда транзисторы измеряли в мкм, значение техпроцесса определяли по минимальному линейному размеру самого мелкого элемента. Такой порядок действовал до техпроцесса 250 нм.

На следующем этапе терминологию пересмотрели. Техпроцесс привязали к ширине дорожки металла — величине, которая превышает длину затвора в 2-3 раза. Это правило должно было работать для техпроцесса 65 нм. Однако производители в маркетинговых целях относили к целевому техпроцессу чипы, состоящие из более крупных элементов. Разница в размерах была существенной — до 1,5 раз. 

Нестыковка между реальными нанометрами и числом, фигурирующем в названии технологии, вызывала вопросы. Чтобы решить проблему, производители договорились считать нанометры в техпроцессе маркетинговым понятием. Это упрощение заработало, начиная с 45 нм. С тех пор привязка к размерам транзисторов условна. 

Улучшение структуры создания транзисторов 

В процессе изготовления процессоров компании расширяют технические возможности за счет совершенствования структуры транзисторов. 

В эволюции триодов можно выделить 4 этапа: 

Что такое транзисторы и как делают современные процессоры, в целом разобрались. Осталось упомянуть об еще одном важном моменте, позволившим производителям продвинуться в миниатюризации триодов. Речь идет о переходе от глубокой ультралитографии (DUV) к экстремальной EUV. В первом случае у лазера, который «рисует» транзисторы, длина волны около 200 нм, во втором — 13,5 нм. Чем меньше длина волны, тем проще идти по пути миниатюризации с учетом производственных издержек. Литография EUV — сравнительно новая технология, при изготовлении процессоров для потребительского рынка ее начали использовать в 2019 году.

Интересная статья: Отвал видеочипа — 3 способа борьбы с напастью