Як робляться процесори — 3 ключові технологічні операції

Процесор — серце комп'ютера, без нього неможливе оброблення інформації. Виробництво чіпів настільки складний процес, що його, поряд із польотами в космос, можна розглядати як один з маркерів розвитку людства. Розберемося, як робляться процесори для ПК і смартфонів.

Історія появи першого у світі процесора

Перші комп'ютери винайшли під час Другої світової війни. Машини разючих габаритів займали кілька десятків квадратних метрів. За обчислювальні функції відповідали механічні реле (німецький Z3) чи електронні лампи (американський ENIAC). Новий поштовх обчислювальні технології отримали після винаходу напівпровідникових транзисторів у 1947 р. Більш-менш сучасний формат чипів з'явився на рубежі 1960-70 років. Найвідоміший мікропроцесор того періоду — Intel 4004.

Персональних комп'ютерів тоді ще не було, Intel 4004 працював у великій ЕОМ. Мікропроцесор, розміри якого становили 3х4 мм, виконував 60-93 тисячі операцій за секунду залежно від режиму роботи. Новинка виглядала вкрай перспективно у комерційному плані, коштувала $200. Тоді купівельна спроможність у долара була в рази вищою, але за нову технологію компанії та заможні громадяни готові були платити.

Однак компанія Intel обрала невдалу маркетингову стратегію щодо просування мікрочипа на ринок. Найбільш комерційно успішним став удосконалений Intel 8080 від 1974 року з частотою 2-4 МГц та техпроцесом 6 мкм. Ще через 4 роки компанія змогла запропонувати вже 16-бітний мікрочип Intel 8086 із частотою 4-16 МГц на техпроцесі 3 мкм. Процесори приблизно з такими ж характеристиками стали встановлювати в перші персоналки IBM PC. Сталося це в 1981 році. На створення процесора для першого масового ПК витратили 8 років, якщо рахувати від появи чіпа 4004.

Вибираємо ОЗП: DDR4 vs. DDR5 — у чому різниця, 6 технологічних плюшок та 3 підводні камені нової пам'яті

Яку функцію виконують транзистори у процесорі

Розібратися у технології виробництва процесорів простіше людям, які розуміють принцип роботи чипів. Мікропроцесори збудовані на транзисторах, при їх виготовленні використовують напівпровідники. Такі матеріали займають проміжне положення між провідниками струму та діелектриками. З двох різнотипних напівпровідників роблять діоди, які пропускають електрику лише в одному напрямку, з трьох напівпровідників — тріоди, вони ж — транзистори.

КМОП-транзистор має 3 контакти: витік, затвор і стік. Тріод пропускає струм, коли на затворі є напруга. Транзистор, по суті, — звичайний перемикач, тільки не механічний, а електронний, без частин, що рухаються. Він спрацьовує миттєво, його можна зробити дуже маленьким, тому активно використовується в мікроелектроніці.

На базі КМОП-транзисторів спочатку почали виготовляти прості обчислювальні пристрої — калькулятори, а пізніше — комп'ютери. Робота мікропроцесора будується на двійковій системі числення. Чіп виконує логічні та арифметичні операції, завдання, поставлені програмами. Числами можна закодувати текст, звук, колір для подальшого оброблення інформації мікропроцесором.

Транзистори — це своєрідна начинка процесора, обчислювальний вузол, що виконує основну роботу. Чим їх більше, тим вища продуктивність. Зростання кількості транзисторів у процесорах наприкінці XX століття відповідало закону Гордона Мура — кожні 2 роки подвоєння за збереженням площі кристала. Однак нескінченне зменшення тріодів неможливе, оскільки впирається у розміри атомів. У кремнію розмір кристалічної решітки — 0,5 нм.

Нюанси вибору: TBP, TGP, TDP відеокарти — яку з трьох характеристик шукати при виборі ноутбука

З чого роблять процесори

Основна сировина, яку використовують під час виробництва мікропроцесорів, — пісок. Пісок — це діоксид кремнію. Його розплавляють у печах та шляхом хімічної реакції виробляють технічний кремній, чистота якого 98-99%. Для чіпів цього недостатньо, за допомогою хлорування та інших процесів отримують склад, у якому не сота, а мільярдна частка чужорідних атомів.

Наступний крок — надання структурі кремнію кристалічних властивостей. Етап необхідний для отримання матеріалу з чітко упорядкованим розташуванням атомів. Матеріал розплавляють і занурюють у нього підготовлений кремнієвий кристал. Відбувається кристалізація. Після закінчення процесу утворюється кристалічна структура циліндричної форми вагою 100 кг.

Монокристал розрізають на диски завтовшки близько 1 мм, «млинці» діаметром 30 см піддають шліфування. На дисках «малюють» шари транзисторів за допомогою фотолітографії — формування шарів з надлишком та нестачею електронів. У процесі крім кремнію беруть участь атоми фосфору, бору та інших речовин.

З чого ще роблять процесори, які метали йдуть у хід? Транзистори в чіпах розташовані шарами, розділеними ізоляцією. Порожнечі між логічними елементами заповнюють атомами міді, забезпечуючи провідність.

Таким чином, процесори виробляють на кремнієвій основі, додаючи по ходу справи інші речовини з різною струмопровідністю.

Для геймерів: ТОП ігрових ноутбуків з 11 моделей

Як відбувається виробництво транзисторів для процесорів

На фабриках з виробництва чіпів працює кілька різновидів устаткування. Призначення обладнання:

1. Підготовка пластини до нанесення матеріалу.
2. Додавання струмопровідного матеріалу або діелектрика.
3. Видалення зайвого.

На попередньому етапі виготовляють маски — шаблони, за якими наносять матеріали на пластину. Для кожного шару транзисторів свій трафарет.

Підготовка пластини

У центрифузі розмішують фоторезист — світлочутливу речовину, потім наносять на пластину. Пластину нагрівають, в результаті надлишки фоточутливого шару випаровуються.

Літографічний сканер подає на пластину ультрафіолет через трафарет. У освітлених місцях фоторезист фіксується, у не освітлених — ні.

Проявник змиває фоторезист, що не закріпився, після чого припікає решту шляхом нагрівання.

Нанесення матеріалу

На початковому етапі трансформації пластин використовують технологію іонного бомбардування — точкове впровадження атомів бору, фосфору чи інших речовин. При бомбардуванні деформуються кремнієві кристалічні грати, їх відновлюють шляхом нагрівання.

Більше матеріалу на пластину наносять шляхом розпилення. У хід йде провідник струму чи діелектрик. Залежно від речовини, що розпилюється, змінюють технологію нанесення. Метали напилюють одним способом, діелектрики — другим, кристалічний кремній — третім.

Вилучення

Надлишки прибирають двома способами:

• Травлення. Хімічне шліфування зазвичай працює через трафарет. Роблять заглиблення у пластині для заповнення іншим матеріалом.
• Абразивне шліфування запускають після завершення роботи над шаром транзисторів. Перед процесом наносять суспензію, а потім досягають рівної поверхні.

Як бачите, роблять транзистори для процесорів у кілька етапів, причому у статті викладено лише найзагальнішу інформацію. У технологічний ланцюжок також входять промивання та перевірка пластин.

Переходимо на нову ОС: Як оновитися до Windows 11 за допомогою стороннього ПЗ та 3 класичними методами

Що таке техпроцес і як він впливає на продуктивність чіпів

Техпроцес позначають відповідно до величини окремих елементів транзистора або інших особливостей технології. У 1970-80 роки техпроцес вимірювався мікронами, в 1990-ті та далі — нанометрами. Чим менший показник, тим вища продуктивність мікропроцесора та/або нижче тепловиділення. При зменшенні техпроцесу знижується енергоспоживання.

На рубежі століть AMD та Intel виробляли комп'ютерні чіпи за техпроцесами 180-130 нм. З настанням 2010-х провідні компанії перейшли на 22-нанометровий техпроцес.

Технологія виготовлення потужних мікропроцесорів на цьому не зупинилася:

Тайванська компанія TSMC планує розпочати серійний випуск чіпів за техпроцесом 2 нм у 2025 році. На цього виробника припадає понад 50% світового постачання процесорів.

До 2029 року прогнозують перехід на техпроцес 1,4 нм, але не факт що це відбудеться, оскільки мініатюризація пов'язана з технологічними проблемами та збільшенням цін на продукцію. Перехід з 3 на 2 нм помітно буксує, оскільки веде до подорожчання чіпів.

Поява нового техпроцесу не значить припинення виробництва менш просунутих чіпів. Ті ж Coffee Lake успішно продаються й у 2024 році, що вже казати за 5-нанометрову технологію, яка, напевно, не втратить актуальності до 2030 року.

Нанометри та щільність розміщення транзисторів

Спочатку процесорні транзистори вимірювали мкм (0,001 мм), з часом перейшли на нм (0,000001 мм). За розмірами тріод співвідноситься з волоссям людини, як порошинка з колодою. Як роблять такі крихітні транзистори для процесорів? Насправді темпи мініатюризації, що озвучуються виробниками, дещо перебільшені.

Виробничі компанії у кожному новому поколінні чіпів збільшують кількість транзисторів за збереження площі процесора. При цьому розміри тріодів щоразу зменшуються приблизно у 1,4 раза. Коли транзистори вимірювали в мкм, значення техпроцесу визначали за мінімальним лінійним розміром найдрібнішого елемента. Такий порядок діяв до техпроцесу 250 нм.

На наступному етапі термінологію переглянули. Техпроцес прив'язали до ширини доріжки металу — величини, що перевищує довжину затвора у 2-3 рази. Це правило мало працювати для техпроцесу 65 нм. Однак виробники в маркетингових цілях відносили до цільового техпроцесу чіпи, що складаються з більших елементів. Різниця у розмірах була суттєвою — до 1,5 раза.

Нестикування між реальними нанометрами та числом, що фігурує у назві технології, викликала питання. Щоб розв'язувати проблему, виробники домовилися вважати нанометри у техпроцесі маркетинговим поняттям. Це спрощення запрацювало, починаючи з 45 нм. З того часу прив'язка до розмірів транзисторів умовна.

Поліпшення структури створення транзисторів

У процесі виготовлення процесорів компанії розширюють технічні можливості за допомогою вдосконалення структури транзисторів.

В еволюції тріодів можна виділити 4 етапи:

Що таке транзистори та як роблять сучасні процесори, — розібралися. Залишилося згадати про ще один важливий момент, який дозволив виробникам просунутися в мініатюризації тріодів. Йдеться про перехід від глибокої ультралітографії (DUV) до екстремальної EUV. У першому випадку у лазера, який «малює» транзистори, довжина хвилі близько 200 нм, у другому — 13,5 нм. Чим менша довжина хвилі, тим простіше йти шляхом мініатюризації з урахуванням виробничих витрат. Літографія EUV — порівняно нова технологія, при виготовленні процесорів для споживчого ринку її почали використовувати у 2019 році.

Цікава стаття: Відвал відеочіпа — 3 способи боротьби з навалою