Почему процессоры делают из кремния
Чтобы создать сверхмощный процессор, достаточно простого.
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.
Привет, сокет!
Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.
Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.
На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.
BONUS
Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.
Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.
Успехов!
Вы, наверное, уже знаете, что кремний материал, из которого, по крайней мере, по большей части, оба Процессоры ПК и почти все чипы в отрасли производятся. Много было сказано о возможных более эффективных заменителях, чем кремний, таких как «чудесный» графен это в то время казалось решением всех проблем, но реальность такова, что кремний был и продолжает оставаться материалом, из которого производятся процессоры. ты хочешь знать почему? В этой статье мы вам все расскажем.
В 1950-х годах технологический мир нашел надежного партнера в области кремния, и с тех пор - а прошло уже около 70 лет - он продолжает использоваться. Предположим, что благодаря кремнию вместо компьютеров размером с комнату у нас есть компьютеры, которые мы знаем сегодня, некоторые из которых даже умещаются на ладони. Этот материал стал причиной отказа от старой схемотехники, ее миниатюризации, ускорения и гораздо более доступной стоимости.
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.
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.
Уроки химии
Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO2) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.
Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:
Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:
Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.
Слиток шкурят «нулёвкой» :) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2"), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.
Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.
Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка :) Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.
Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном ;) Ну или хотя бы попытаться разобраться.
Стекло, оптические интерфейсы и «оборудование без силикона»
Здесь мы собираемся обмануть, так как стекло частично состоит из кремния. Когда мы говорим о процессорах или аппаратном обеспечении, не содержащих кремния, мы имеем в виду те, которые созданы не из слитков очищенного кремния, поэтому стекло попадает в эту категорию. У нас есть пример ИонКью компания, которой удалось разработать основные элементы конструкции процессоров из этого материала.
Мы уже говорили, что сегодня большая проблема для развития оборудования заключается в затратах энергии на перемещение данных. Проблема, которая на уровне домашних ПК нас не волнует, но является призраком будущих разработок в самых мощных суперкомпьютерах. Как решить проблему расхода и повысить производительность? Использование оптических интерфейсов, в которых вместо электронов используются фотоны для передачи информации.
Проблема в том, что конструкция из стекла намного дороже и менее гибка, чем из пластика. А пока за пределами интерфейсов для подключения видеокарт на большом расстоянии или для строительства и посредники на массовом рынке, похоже, нет спроса на использование высокоскоростных интерфейсов, построенных без кремния. Давайте не будем забывать, что использование процессоров на основе нескольких микросхем на промежуточном устройстве - это не хлеб насущный, и поэтому потребуется время, чтобы увидеть вставки для стекла, и, конечно же, в продуктах с очень ограниченным тиражом или для очень специализированных рынков.
В течение нескольких лет вы, возможно, слышали о графен как почти волшебное решение ограничений процессоров ПК сегодня. Эта тема находится в разработке более десяти лет, и все же, почему до сих пор нет процессоры сделаны с графеном ? Ниже мы объясним, почему графических процессоров в конце не будет и, конечно, не будет.
Было много обещаний вокруг графена в процессорах; Не останавливаясь на достигнутом, в 2018 году Каталонский институт нанонауки и нанотехнологий (ICN2) сделал открытие, с помощью которого стало возможным изготавливать графеновые транзисторы, которые впоследствии будут использоваться в процессорах, умножив их мощность. Однако время идет, и новостей больше нет. Что происходит?
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.
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.
Band Gap, проблема с графеном
Полоса разрыва представляет собой небольшой промежуток между зоной проводимости и валентной зоной, который говорит нам, какой уровень тока будет фактически течь между ними. Это похоже на маленького швейцара, который поддерживает электрический заряд в пространстве, пока не «выключится». Практически все процессоры изготовлены из полупроводящего материала, что означает, что он имеет умеренную запрещенную зону, что не позволяет ему проводить электричество так же легко или отклонять все электрические заряды. Это связано с базовой молекулярной структурой, поэтому при создании чипа задействовано немало химии.
В материалах, таких как резина, есть очень большие полосовые зазоры, которые будут сопротивляться обоим электрическим токам, которые, прежде чем пропустить их, могут воспламениться (именно поэтому для изоляции кабелей используется резина). Материалы с очень низкой шириной запрещенной зоны известны как проводники, в то время как материалы, практически не имеющие так называемых сверхпроводники, такие как графен .
Сегодня большинство процессоров сделаны из кремния, который служит очень прочным и надежным полупроводником. Помните, что нам нужны полупроводники, которые можно включать и выключать, чтобы они могли действовать как «переключатели» и представлять единицы и нули двоичной системы, и для этого сверхпроводник не работает. Вот почему до сих пор нет процессоров из графена.
Графеновые процессоры, почему они не возможны?
Графен является не чем иным, как очень тонким слоем (толщиной в атом) углерода, который давно был открыт сверхпроводящий то есть он способен пропускать электричество, не оказывая практически никакого сопротивления, поэтому скорость и эффективность практически абсолютны.
Проблема заключается в том, что с помощью современной технологии невозможно построить полупроводниковые транзисторы, и это так, потому что, поскольку графен является сверхпроводящим, он не будет иметь «выключенного» состояния. Транзистор - не что иное как переключатель, который позволяет или не позволяет электричеству проходить, представляя единицы и нули двоичной системы, и в это время графен не способен генерировать нули, представленные, когда он не пропускает ток .
Это называется «Band Gap» (что-то вроде запрещенной зоны), и мы объясним это подробно ниже.
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.
The end
Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.
Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?
Наномагнитная логика и углеродные нанотрубки
Одним из ключей к использованию материалов, отличных от кремния, является замена использования электрических сигналов альтернативными формами. Один из них является наномагнитный логика, основанная на использовании наномагниты где можно создавать процессоры не из кремния, а из других металлов. Поскольку не будет использоваться электрический ток, эти процессоры работают с очень низким энергопотреблением и позволят внедрить их в местах, где зависимость от энергии для работы процессора больше не будет проблемой.
Другое решение - углеродные нанотрубки, которые основаны на использовании молекул графена, которые имеют особенность использования в качестве полупроводникового материала, такого как кремний, и поэтому ожидается, что это будет материал, который больше всего обещает, когда дело доходит до заменить кремний. На данный момент не заявлено ни одного коммерческого процессора, а значит, для массового рынка. Однако графен рассматривается как материал, предназначенный для решения некоторых присущих кремнию проблем, и рассматривается скорее как материал будущего и заменяющий его, чем как альтернатива.
Фотолитография
Проблема решается с помощью технологии фотолитографии — процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:
— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.
Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.
Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.
Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).
Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.
Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.
В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.
Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.
Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.
Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.
Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.
Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.
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.
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.
Почему из кремния делают процессоры?
Разработка интегральных схем улучшила их положение, поместив различные электронные схемы компьютера в один кусок полупроводникового металла, называемый «микросхемой». Таким образом, интегральные схемы оставили после себя старые и хрупкие электронные лампы и, значительно уменьшив их размер, позволили их массовое производство.
В периодической таблице элементов кремний принадлежит к группе углерода, германия, олова, свинца и флеровия. Обозначенный как «Да», это восьмой по численности элемент в известной вселенной, и даже если мы говорим только о планете Земля, 28.2% земной коры содержит его. Таким образом, можно сделать вывод, что кремний - один из самых распространенных материалов и, следовательно, один из самое простое и дешевое сырье чтобы получить.
Микроконтроллеры без пластика и силикона
В июле 2021 года ARM представила то, что они назвали ПластикАРМ , первый в истории процессор, полностью сделанный из пластика, и нет, даже не представить себе чего-то сопоставимого даже с APU для бюджетных смартфонов, поскольку это очень примитивный одноядерный микроконтроллер с 32-битным ядром на основе ISA ARMv7 , 128 байт Оперативная память и 456 байтов ПЗУ, что является реализацией Cortex M0. Конечно, с очень скромной скоростью 20 кГц , так что есть огромный запас для улучшения, хотя мы принимаем во внимание тип используемого материала, а именно то, что пластик точно не известен как проводящий элемент электричества.
В чем его главное преимущество? Они очень дешевы в производстве по сравнению с обычными микросхемами. И какая от этого польза? Что ж, многие, например, мы можем поместить его в контейнер для еды и объединить его с небольшими датчиками, которые всегда предупреждают о состоянии еды, и это не единственная полезность, поскольку она также будет служить для хранения такой информации, как как его химический состав, его питательная ценность или даже его аллергены. И дело не только в еде, но и в одежде. Вы выбросили этикетку любимой одежды и испортили ее при стирке? Не беспокойтесь об этом, так как вы снова сможете проверить информацию.
Другая утилита предназначена для создания карт и / или карт в настольных играх, где каждый элемент, имеющий один из этих микроконтроллеров, не содержащих кремния, может напрямую взаимодействовать с другими картами или даже с игровой доской. Мы даже можем найти элементы мерчандайзинга и продвижения с этим типом интегрированных чипов, которые взаимодействуют с другими устройствами. Представьте, например, что вы покупаете готовый к выпечке продукт, в котором вам нужно только связать пластиковый микроконтроллер с духовкой, и что это настраивается напрямую. Как видите, утилит много, и, безусловно, подавляющее большинство еще не реализовано.
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.
Другие материалы для изготовления процессоров
Одной из проблем, с которыми сталкивается кремний, является его негибкость при работе на очень тонких поверхностях. Кусок кремния должен иметь минимальная толщина быть функциональным, и именно поэтому изучается возможность использования графена (поскольку его толщина равна толщине атома, но, как мы объяснили в этом случае, сверхпроводимость является недостатком). Поскольку графен, будучи многообещающим, требует затрат времени и денег, слишком больших для прибыльности, которую можно получить в будущем, ученые начали экспериментировать с другими материалами .
Это где TiS3 (Титан трисульфида ) появился материал, который не только обладает способностью работать даже при толщине одной молекулы, но также имеет запрещенную зону, очень похожую на кремниевую.
Последствия этого могут иметь далеко идущие последствия для технологических продуктов, которые, как правило, становятся все меньше и меньше с целью размещения большего количества транзисторов в одном пространстве, увеличивая мощность и эффективность. Это имеет еще одно дополнительное преимущество: более тонкий материал быстрее рассеивает тепло, что делает его еще более перспективным для использования в тестерах.
Финишная прямая
Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!
Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.
На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).
Производство процессоров
Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.
Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.
Преимущества использования кремния в производстве микросхем
Кремний - это металлоид, поэтому он обладает некоторыми металлическими характеристиками, но это не настоящий металл как таковой. И здесь мы находим его актуальность для компьютерной индустрии: это хороший полупроводник , поэтому он позволяет прохождение электричества, но, в отличие от металлов, поток можно легко контролировать. Другими словами, металл по своей природе проводит электроны и не может (или трудно) деактивировать это свойство, тогда как изолирующий материал, такой как пластик или дерево, не позволяет электричеству проходить через них. Со своей стороны, такой полупроводник, как кремний, пропускает электричество, одновременно действуя как изолятор.
На данный момент у нас уже есть три преимущества: его много, он дешев и естественным образом действует как полупроводник, поэтому не требуется больших технологий, чтобы заставить его работать так, как нужно людям (его очень легко очистить). . Он также хорошо работает в широком диапазоне температур и может быть химически модифицирован для изменения его электрических свойств. Таким образом, он может обрабатывать столько электроэнергии, сколько необходимо.
Это позволяет, например, переключаться из режима «выключено» в режим «включено» и наоборот или позволяет электричеству выборочно проходить через определенные транзисторы без сжигания цепей и, кроме того, при комнатной температуре. Более того, только этот материал можно использовать для создания множества различных типов компонентов в одном устройстве.
Крошечные транзисторы, из которых состоит процессор ПК, нуждаются в изолированных областях, и поток электричества может быть точно направлен, и все это обеспечивается кремнием с минимальной очисткой, а также материалом, который хорошо работает при температуре. атмосфера, которая изобилует, и что дешево. Это причины, по которым сегодня, спустя 70 лет после того, как он начал использоваться в промышленности, он продолжает использоваться и будет использоваться еще долгое время.
Из какого материала будут производиться процессоры будущего?
Кремний уже занял важное место в истории технического прогресса, но развитие не останавливается, и все имеет свои ограничения. Разрабатываются высокопроизводительные процессоры, в которых электроны движутся даже быстрее, чем в кремнии. С другой стороны, транзисторы с каждым разом становятся меньше, чтобы сделать микросхемы более мощными и эффективными, и кремний будет продолжать использоваться в той мере, в какой это позволяют его физические и химические свойства, но, как мы уже говорили ранее, все имеет предел.
Чтобы поместить это в контекст, теперь, когда компании используют наночипы, кремний больше не может удовлетворять эти потребности в течение длительного времени, и потребуются исследования с другими материалами, потенциально сплавами кремния и других металлов. Путь от схемотехники на электронных лампах до эры современных транзисторов был проложен с использованием кремния, но будущее явно выходит за рамки его возможностей, и потребуются другие материалы.
Презентация ARM Первый процессор, полностью сделанный из пластика, открывает двери на новые рынки, на которые кремний не имеет выхода, и открывает новые возможности использования, которые ранее были невозможны. В мире, где мы перешли к парадигме Интернета вещей, где каждое устройство подключено к другим, появление процессоров, не основанных на кремнии, полностью меняет ситуацию. Можно ли создать оборудование без кремния ?
Кремний, несомненно, является базовым элементом для создания полупроводников, и вся современная полупроводниковая технология основана на использовании кремниевых слитков для создания новых микросхем, поскольку этот материал обладает превосходными свойствами для этой задачи. Вот почему мы не можем ожидать, что использование бессиликоновой электроники даже даст нам производительность, которая приближается к этому.
Однако есть рынки, где использование микросхем, созданных без кремния, обещает стать революционным и развернуться на 180 градусов, не считая изменения способа нашего повседневного взаимодействия. Понятно, что процессоры на основе бессиликоновой электроники имеют большое количество полезных выходов. Поэтому давайте посмотрим на некоторые примеры, разработанные в последние годы.
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 см 2 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.
В «Яндекс Практикуме» можно стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером цифровых продуктов. Первая часть обучения всегда бесплатная, чтобы попробовать и найти то, что вам по душе. Дальше — программы трудоустройства.
Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?
Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )
Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».
Читайте также: