Výroba počítačového procesoru: Technologický proces

Před několika lety představila společnost Intel postupný postup pro výrobu mikroprocesorů: od písku až po konečný produkt. Ve skutečnosti proces výroby polovodičových prvků vypadá opravdu divně.

Krok 1. Písek

Křemík, který tvoří zhruba 25 procent všech chemických prvků v zemské kůře, je druhým nejrozšířenějším kyslíkem. Písek má vysoké procento oxidu křemičitého (SiO 2), což je hlavní složka nejen pro výrobu procesorů Intel, ale i pro výrobu polovodičů obecně.

Křemík taveniny

Látka se odstraňuje po několik stupňů, až se uvolní polovodič polovodičové čistoty používaný v polovodičích. Nakonec jde o formu monokrystalických ingotů o průměru asi 300 milimetrů (12 palců). Dříve ingoty měly průměr 200 mm (8 palců) a v roce 1970 ještě méně - 50 mm (2 palce).


Na dané úrovni výroby zpracovatelů po čištění je čistota krystalů jedním atomem nečistot na miliardu atomů křemíku. Hmotnost ingotu je 100 kilogramů.

Krok 3. Krájení ingotu

K ingotu se na jednotlivých úlomcích, nazývaných podklady, řeže velmi jemná pila. Každá z nich je následně leštěná, aby poskytla bezchybný, zrcadlově hladký povrch. Bude na tomto hladkém povrchu následně aplikovány drobné měděné dráty.

Expozice fotorezistentní vrstvy

Co rotuje s vysokýmRychlost podkladu je vyplněna fotorezistující kapalinou (stejné materiály se používají v tradiční fotografii). Po otočení na celý povrch podkladu se vytvoří tenká a rovnoměrná odporová vrstva.


Ultrafialový laser skrze masku a čočku ovlivňuje povrch substrátu, čímž vytváří na sobě malé světlo UV svítidla. Objektiv je čtyřikrát menší než maska. Tam, kde ultrafialové linky ovlivňují odporovou vrstvu, vzniká chemická reakce, která vede k tomu, že se tyto oblasti stanou rozpustnými.

Krok 5. Trávení

Rozpustný fotorezistický materiál se poté zcela rozpustí za použití chemického rozpouštědla. Proto se pro částečné rozpouštění nebo leptání malého množství leštěného polovodivého materiálu (substrátu) používá chemické leptací činidlo. Zbývající fotorezistický materiál se odstraňuje obdobným procesem oplachování, který otevírá (vystavuje) leptaný povrch substrátu.

Tvorba vrstev

Další fotorezisty (světlocitlivé materiály), které jsou také promyty a exponovány, jsou přidávány pro vytvoření drobných měděných drátů, které nakonec přenášejí elektřinu do různých konektorů. Následně se provádí proces iontového dopingu, který přidává nečistoty a chrání usazeniny iontů mědi od síranu měďnatého během procesu galvanického pokovování. V různých fázích těchto výrobních procesů procesoru se přidávají další materiály, které jsou leptané aleštěné. Tento proces se opakuje 6krát, čímž vzniknou 6 vrstev. Konečný produkt vypadá jako mřížka mnoha mikroskopických měděných proužků, které vedou elektrickou energii. Některé z nich jsou spojeny s ostatními a některé jsou umístěny v určité vzdálenosti od ostatních. Ale všichni jsou zvyklí realizovat jeden cíl - pro přenos elektronů. Jinými slovy, jsou navrženy tak, aby takzvané „užitečné práce“ (jako je například přidání dvě čísla tak rychle, jak je to možné, což je základní model výpočtu těchto dnech).
Víceúrovňové zpracování se opakuje na každé malé malé ploše povrchu substrátu, na kterém budou vyrobeny třísky. Mezi tyto oblasti patří ty, které jsou částečně umístěny mimo substrát.

Krok 7. Testování

Jakmile nést všechny kovové vrstvy a vytvořil všechny tranzistory, je další etapu výroby procesory „Intel“ - testování. Zařízení s množstvím kolíků je umístěno na vrcholu čipu. Je připojen k sadě mikroskopických drátů. Každý takový post má elektrické připojení k čipu. Pro reprodukci práce čipu se vysílá sekvence testovacích signálů. Když testování kontroluje nejen tradiční výpočetní schopnosti, ale také provozuje interní diagnostiku s hodnotami stanovení napětí zřetězené sekvencí a další funkce. Odpověď čipu ve formě výsledku testu je uložena v databázi speciálně přidělené pro tuto oblast substrátu. Tento proces se opakujepro každou oblast substrátu.

Řezání desek

Při řezání desek se používá velmi malá pila s diamantovým hrotem. Databáze vyplněná v předchozím kroku se používá k určení, které čipy jsou odříznuty od substrátu, uloženy a odmítnuty.

Krok 9. Pouzdro na výstup

Všechny pracovní desky jsou umístěny ve fyzických skříních. Navzdory skutečnosti, že desky byly předběžně testovány a ve vztahu k nim bylo rozhodnuto, že fungují správně, neznamená to, že jsou dobré procesory. Proces vytváření kufru znamená umístění krystalu křemíku v materiálu substrátu do kontaktů nebo do sady žárovkových svorek připojených miniaturní zlaté kabeláže. Pole kulových terminálů se nachází na zadní straně pouzdra. Výměník tepla je instalován v horní části krytu. Jedná se o kovové pouzdro. Po dokončení tohoto procesu CPU vypadá jako hotový produkt určený ke spotřebě. Poznámka: Kovový chladič je klíčovou součástí moderních vysokorychlostních polovodičových zařízení. Dříve byly keramikou vyrábějící teplo a nepoužívaly nucené chlazení. Bylo to potřeba u některých modelů 8086 a 80286 a u modelů začínajících na 80386. Předchozí generace procesorů měla mnohem méně tranzistorů.
Například procesor 8086 měl 29 000 tranzistorů, zatímco moderní centrální procesory mají stovky milionů tranzistorů. Tak malé, podle současných standardů, množstvítranzistory nevytvářely dostatek tepla, aby vyžadovaly aktivní chlazení. K oddělení procesorových dat od potřebných v tomto typu chlazení, později na keramické čipy vložte značku "Potřebujete chladič". Moderní procesory vytvářejí dostatek tepla, aby se rozplynuly během několika sekund. Pouze přítomnost odvodu tepla připojeného k velkému radiátoru a ventilátoru, což umožňuje dlouhou funkci.

Třídící procesory podle vlastností

V této fázi výroby procesor vypadá, jako by byl zakoupen v obchodě. K dokončení procesu výroby je však třeba ještě další stupeň. Říká se to třídění. V této fázi se měří skutečné vlastnosti jednotlivých CPU. Naměřené parametry jako napětí, frekvence, výkon, rozptyl tepla a další charakteristiky. Nejlepší žetony jsou uloženy jako výrobky vyšší třídy. Jsou prodávány nejen jako nejrychlejší komponenty, ale také jako modely s nízkým a velmi nízkým napětím. Čipy, které nejsou zahrnuty ve skupině nejlepších procesorů, jsou často prodávány jako procesory s nižšími frekvencemi. Kromě toho mohou být čtyřjádrové procesory s nižším koncem prodávány jako dvoujádrové nebo trojjádrové procesory.

Výkon CPU

Při třídění jsou určeny koncové hodnoty rychlosti, napětí a tepelných charakteristik. Například na standardním substrátu může fungovat pouze 5% vyrobených čipů na 32 GHz. Současně může 50% čipůpři 28 GHz. Výrobci procesorů neustále zjišťují důvody, proč většina procesorů produkovala práci na 28 GHz místo požadovaných 32 GHz. Někdy lze provést změny, které zvyšují výkon procesoru.

Nákladová efektivita výroby

Nákladová efektivnost podnikání pro výrobu procesorů a většiny polovodičových prvků leží v rozmezí 33-50%. To znamená, že alespoň 1/3 až 1/2 desek na každém substrátu jsou pracovníci a společnost je v tomto případě zisková. U společnosti Intel je provozní zisk 45 nm pro substrát 300 mm 95%. To znamená, že pokud lze vyrobit 500 křemíkových desek z jednoho substrátu, bude pracovat 475 a bude vyhozeno pouze 25. Čím více desek lze získat na jednom základě, tím větší zisk bude společnost mít.

Intel dnes používané technologie

Historie využití nových technologií společnosti Intel pro hromadnou výrobu zpracovatelů:
  • 1999-180 nm;
  • 2001 - 130 nm;
  • 2003 - 90 nm;
  • 2005 - 65 nm;
  • 2007 - 45 nm;
  • 2009 - 32 nm;
  • 2011 - 22 nm;
  • 2014 - 14 nm;
  • 2019 - 10 nm (plánováno).
  • Na začátku roku 2018 oznámila společnost Intel přenos hromadné výroby procesorů o 10 nm do roku 2019. Důvodem to - za skvělé výrobní náklady. V současné době společnost dodává v malých svazcích procesory s 10 nm. Charakterizujeme technologie výroby procesorů Intel z hlediska hodnoty. Moje rodné městovedení společnosti vysvětluje dlouhý výrobní cyklus a použití velkého množství masky. Základem technologie 10 nm je hluboká ultrafialová litografie (DUV), která využívá lasery pracující při vlnové délce 193 nm. U 7-nanometrového procesu se použije extrémní ultrafialová litografie (EUV) s použitím laserů pracujících při vlnových délkách 135 nm. Díky takové vlnové délce bude možné vyhnout se použití multipowerů, které jsou široce používány pro proces 10 nm. Inženýři společnosti se domnívají, že je nezbytné politovat technologii DUV namísto přímého skoku do procesu o délce 7 nm. Takže zatímco procesory používající technologii 10nm budou přerušeny.

    Vyhlídky na mikroprocesorovou výrobu AMD

    AMD je dnes jediným skutečným konkurentem společnosti Intel na trhu procesorů. Vzhledem k chybám společnosti Intel v souvislosti s technologií 10 nm, společnost AMD poněkud napravila svou pozici na trhu. V Intel byla masová produkce s využitím procesu 10 nm velmi pozdě. Společnost AMD je známa výrobou čipů třetích stran. A nyní existuje situace, kdy AMD využívá technologii všech 7 procesorů, která není nižší než hlavní konkurent. Hlavní výrobci polovodičových zařízení třetích stran používajících nové technologie pro komplexní logiku jsou společnost Taiwan Semiconductor Company (TSMC), americká společnostGlobalFoundaries a korejský Samsung Foundry. AMD plánuje používat TSMC výhradně pro novou generaci mikroprocesorů. Bude se jednat o novou technologii procesorů. Společnost již vydala řadu produktů, které používají proces 7 nm, včetně grafického procesoru o délce 7 nm. První je plánováno na vydání v roce 2019. Za 2 roky se plánuje zahájení hromadné výroby čipů o délce 5 nm. GlobalFoundaries opuštěné vývojový proces 7 nm zaměřit své úsilí na rozvoj svých 14/12 nm procesy pro zákazníky zaměřený na rozvíjející se trhy. AMD investuje do GlobalFoundaries dodatečnými investicemi na výrobu současné generace procesorů AMD Ryzen, EPYC a Radeon.
    ​​

    výroba mikroprocesorů v Rusku

    Hlavní mikroelektronické výrobní nachází ve městech Zelenograd ("Micron", "Angstrom") a Moskva ("Crocus"). Ve skutečnosti mikroelektronické výroby je také v Bělorusku - společnost „Integral“, který využívá 035 mikronů výrobní technologie. Výrobní procesory v Rusku jsou zapojeny do společnosti "MTSST" a "Baikal Electronics". Nejnovější vývoj „MTSST - procesor.“. Elbrus-8C „8-core mikroprocesor s frekvencí o 11-13 GHz Výkon ruského hihaflops procesoru 250 (pohyblivé řádové čárce za sekundu) Zástupci společnosti tvrdí, že řada ukazatelů procesor. dokonce konkurovat lídra -. Intel procesor Production „Elbrus“ model nadále „Elbrus-16“ na 15 GHz (digitálního kódu v názvu označuje počet jader) mši.výroba těchto mikroprocesorů bude prováděna na Tchaj-wanu. To by mělo pomoci snížit cenu. Jak víte, cena produktů společnosti je zakalená. Současně jsou charakteristiky komponentů výrazně nižší než přední společnosti v tomto odvětví ekonomiky. Zatímco takové procesory budou využívány pouze ve státních organizacích a pro obranné účely. Jako procesorovou technologii bude tato linka využívána 28-nm procesní technologií. "Baikal Electronics" vyrábí procesory určené pro použití v průmyslu. Zejména se jedná o model "Baikal T1". Jeho rozsah použití - směrovače, CNC systémy a kancelářské vybavení. Společnost se na to nezastaví a již vyvíjí procesor pro osobní počítače - "Baikal". Informace o jeho charakteristikách jsou stále trochu. Je známo, že bude mít 8jádrový procesor s podporou až 8 grafických jader. Výhodou tohoto mikroprocesoru bude jeho energetická účinnost.

    Související publikace