Розвиток і виробництво мікропроцесорів (Лекція)

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

1. Сім поколінь процесорів

2. Технологія виробництва

3. Технологічні етапи виробництва мікропроцесорів

1. Сім поколінь процесорів

Перше покоління (процесори 8086 і 8088 і математичний співпроцесор 8087) поклало архітектурну основу - набір «нерівноправних» 16-розрядних регістрів, сегментну систему адресації в межах 1 Мб з великою різноманітністю режимів, систему команд, систему переривань і ряд інших атрибутів. У процесорах використовувалася «мала» конвейеризация: поки одні вузли виконували поточну команду, блок попередньої вибірки вибирав з пам'яті наступну.

Третє покоління (80386/80387 з «суфіксами» DX і SX, визначальними розрядність зовнішньої шини) ознаменувався переходом до 32-розрядної архітектури. Крім розширення діапазону подаються величин (16 біт відображають цілі числа в діапазоні від 0 до 65535 або від -32768 до +32767, а 32 біта - більше чотирьох мільярдів), збільшилася ємність адресної пам'яті. З цими процесорами початку широко використовуватися операційна система система Microsoft Windows.

Четверте покоління (80486 також DX і SX) не додало великих змін в архітектуру, проте був прийнятий ряд заходів для підвищення продуктивності. У цих процесорах був значно ускладнений виконавчий конвеєр. Виробники відмовилися від зовнішнього співпроцесора - його стали розміщуватися на одному кристалі з центральним.

П'яте покоління (процесор Pentium у фірми Intel і К5 у фірми AMD) дало суперскалярну архітектуру. Для швидкого постачання конвеєрів командами і даними з пам'яті шина даних цих процесорів зроблена 64-розрядної. Пізніше у цього покоління з'явилося розширення ММХ (Matrics Math Extensions instruction set) - набір команд для розширення матричних математичних операцій (спочатку Multimedia Extension instruction set) - набір команд для мультимедіа-розширення)). Традиційні 32-розрядні процесори можуть виконувати операції додавання двох 8-розрядних чисел, розміщуючи кожне з них в молодших розрядах 32-розрядних регістрів. При цьому 24 старших розряду регістрів не використовуються, і тому, виходить, що при одній операції додавання ADD здійснюється просто додавання двох 8-розрядних чисел. Команди ММХ оперують відразу з 64 розрядами, де можуть зберігатися вісім 8-розрядних чисел, причому є можливість виконати їх складання з іншими 8-розрядними числами в процесі однієї операції ADD. Регістри ММХ можуть вживатися також для одночасного додавання чотирьох 16-розрядних слів або двох 32-разряних довгих слів. Цей принцип отримав назву SIMD (Single Instruction / Multiple Data - «один потік команд / багато потоків даних»). Нові команди в основному були призначені для прискорення виконання мультимедійних програм, але використовувати їх з технологією мультимедіа. У ММХ з'явився і новий тип арифметики - з насиченням: якщо результат операції не поміщається в розрядної сітці, то переповнення (або «антипереполнение») не відбувається, а встановлюється максимально (або мінімально) можливе значення числа.

Шосте покоління процесорів взяло свій початок з Pentium Pro і продовжилося в процесорах Pentium III, Celeron і Xeon (у фірми AMD Прикладом можуть служити процесори К6, ДО6-2, ДО6-2 +, К6-III). Основою тут є динамічну дію, виконання команд не в тому порядку, який наказує програмний код, а в тому, як буде зручніше для процесора. Тут слід зазначити, що тут між процесорами п'ятого і шостого покоління існує схожість, а саме додавання розширення п'яте покоління було доповнено розширенням ММХ, шосте покоління отримало розширення, уелічівающіе можливості ММХ. У AMD це розширення 3dNnoy !, а у Intel - SSE (Streaming SIMD Extensions - потокові розширення SIMD).

Сьоме покоління почалося з процесора Athlon фірми AMD. Процесор мав характеристиками обумовлюють розвиток суперскалярного і суперконвейерная. Пізніше компанія Intel також випустила свій процесор сьомого покоління Pentium 4.

2. Технологія виробництва

В даний час ми можемо спостерігати цікаву тенденцію на ринку: з одного боку компанії-виробники намагаються швидкими темпами впровадити нові техпроцеси і технології в свої продукцію, з іншого ж боку, спостерігається штучне обмеження зростання частот процесорів. Це пояснюється тим, що, позначається відчуття неповної готовності ринку до чергової зміни сімейств процесорів, а фірми виробники ще не отримали достатньо прибутку від обсягу продажів виробляються зараз CPU. Тут слід зазначити, що для компаній основоположною в порівнянні з іншими інтересами є ціна готового продукту. Однак велике значення в зниження темпів розвитку мікропроцесорів пов'язано з розумінням необхідності впровадження нових технологій, які будуть збільшувати продуктивність при мінімальному обсязі технологічних витрат

Виробникам при переході на нові техпроцеси довелося вирішувати ряд проблем. Технологічна норма 90 нм виявилася значно серйозним технологічним перешкодою для багатьох виробників чіпів. Це підтверджує і компанія TSMC, дана компанія займається виробництвом чіпів для багатьох великих виробників ринку, а саме компанії AMD, nVidia, ATI, VIA. Довгий час у неї не виходило налагодити виробництво чіпів за технологією 0,09 мкм, це призвело до низького виходу придатних кристалів. Це призвело до того, що AMD довгий час переносила випуск своїх процесорів з технологією SOI (Silicon-on-Insulator). Обумовлюється ж це тим, що саме на цій розмірності елементів проявилися недоліки раніше не є відчутними, такі як струми витоку, великий розкид параметрів і експоненціальне підвищення тепловиділення. Один з альтернативних виходів - це застосування технології SOI кремній на ізоляторі, який був недавно впроваджений AMD в своїх 64-розрядних процесорах. Однак, це обійшлося їй чималою кількістю зусиль і подоланням чималої кількості технологічних бар'єрів. Але слід зазначити, що дана технологія має багато приимущество які здатні компенсувати її недоліки. Сутність цієї технології, цілком логічна - транзистор відділяється від кремінної підкладки ще одним тонким шаром ізолятора. До позитивних якостей можна віднести. Відсутність неконтрольованого руху електронів під каналом транзистора, що вплива на його електричних характеристиках - раз. Після подачі відмикає струму на затвор, час іонізації каналу до робочого стану, до моменту, поки по нього піде робочий струм, зменшується, це тягне за собою поліпшення другого ключового параметра продуктивності транзистора, час його включення / вимикання. Можна також, при тій же швидкості, просто знизити отпирающий ток - три. Або ж знайти якесь рішення між можливістю збільшення швидкості роботи і можливістю зменшення напруги. При збереженні того ж відмикає струму, збільшення продуктивності транзистора може скласти до 30%, якщо залишити частоту тієї ж, роблячи екцент на енергозбереження, в цьому випадку продуктивність може скласти - до 50%. У підсумку, характеристики каналу стають більш передбачуваними, а сам транзистор стає більш стійким до спорадичним помилок, прикладом яких можуть служити космічні частинки, потрапляючи в субстрат каналу, і непередбачено іонізуючи його. Потрапляючи в підкладку, розташовану під шаром ізолятора, вони ніяк не впливають на роботу транзистора. Єдиним недоліком SOI є те, що необхідно зменшувати глибину області емітер / колектор, що в свою чергу позначається на збільшенні її опору в міру скорочення товщини.

Ще одна причина, яка сприяла уповільненню темпів зростання частот - це невисока активність виробників на ринку. Наприклад, кожен компанія AMD працювала над повсюдним впровадженням 64-бітових процесорів, Intel в цей період удосконалила новий техпроцес, налагодження для збільшена виходу придатних кристалів.

Впровадження нових технологій в техпроцеси очевидна, але технологам це з кожним разом дається все важче. Перші процесори Pentium (1993р) проводилися по техпроцесу 0,8 мкм, потім по 0,6 мкм. У 1995 році вперше для процесорів 6-го покоління був застосований техпроцес 0,35 мкм. У 1997 році він змінився на 0,25 мкм, а в 1999 - на 0,18 мкм. Сучасні процесори виконуються за технологією 0,13 і 0,09 мкм введена в 2004році.

Необхідно описати саму структуру транзистора, а саме - тонкий шар діоксиду кремнію, ізолятора, що знаходиться між затвором і каналом, і виконує функцію - бар'єру для електронів, що запобігає витік струму затвора. Відповідно, що чим товще цей шар, тим краще він виконує свої ізоляційні функції, але він є складовою частиною каналу, і не менш очевидно, що якщо виробники збираються зменшувати довжину каналу (розмір транзистора), то треба зменшувати його товщину вельми швидкими темпами. За останні кілька десятиліть товщина цього шару складає в середньому близько 1/45 від усієї довжини каналу. Але у цього процесу є свій кінець - як стверджував все той же Intel, при продовженні використання SiO2, як це було протягом останніх 30 років, мінімальна товщина шару становитиме 2.3. нм, інакше витік придбає просто нереальні величини. Для зниження подканальной витоку до останнього часу нічого не робилося, в даний час ситуація починає змінюватися, оскільки робочий струм, поряд з часом спрацьовування затвора, є одним з двох основних параметрів, що характеризують швидкість роботи транзистора, а витік в вимкненому стані на ньому безпосередньо відбивається ( на збереженні необхідної ефективності транзистора). Необхідно, відповідно, збільшувати робочий струм, з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками.

Основні етапи виробництва

Виготовлення мікропроцесора - це дуже складний процес, що включає більше 300 етапів. Мікропроцесори формуються на поверхні тонких кругових пластин кремнію - підкладках, в результаті певної послідовності різних процесів обробки з використанням хімічних препаратів, газів і ультрафіолетового випромінювання.

Підкладки зазвичай мають діаметр 200 міліметрів. Однак корпорація Intel вже перейшла на пластини діаметром 450 -мілліметровие підкладки. Перехід на пластини більшого діаметра дозволить знизити собівартість виробництва мікросхем, підвищити ефективність використання енергії та скоротити викиди шкідливих газів в атмосферу. Площа поверхні 450-міліметрових підкладок більш ніж в два рази перевищує показник для пластин розміром 300 мм. Як результат, з одного 450-міліметрової підкладки можна отримати вдвічі більше кінцевих виробів.

Пластини виготовляють з кремнію, який очищають, плавлять і вирощують з нього довгі циліндричні кристали. Потім кристали розрізають на тонкі пластини і полірують їх до тих пір, поки їх поверхні не стануть дзеркально гладкими і вільними від дефектів. Далі послідовно циклічно повторюючись виробляють термічне оксидування, фотолитографию, дифузію домішки, епітаксії.

В процесі виготовлення мікросхем на пластини-заготовки наносять у вигляді ретельно розрахованих малюнків найтонші шари матеріалів. На одній пластині поміщається до декількох сотень мікропроцесорів. Весь процес виробництва процесорів можна розділити на кілька етапів: вирощування діоксиду кремнію і створення провідних областей, тестування і виготовлення.

Вирощування діоксиду кремнію і створення провідних областей

Процес виробництва мікропроцесора починається з "вирощування" на поверхні відполірованою пластини ізоляційного шару діоксиду кремнію. Здійснюється цей етап в електричній печі при дуже високій температурі. Товщина оксидного шару залежить від температури і часу, яке пластина проводить в печі.

Потім слід фотолітографія - процес, в ході якого на поверхні пластини формується малюнок-схема. Спочатку на пластину наносять тимчасовий шар світлочутливого матеріалу - фоторезист, на який за допомогою ультрафіолетового випромінювання проектують зображення прозорих ділянок шаблону, або фотомаски. Маски виготовляють при проектуванні процесора і використовують для формування малюнків схем в кожному шарі процесора. Під впливом випромінювання засвічені ділянки фотослоя стають розчинними, і їх видаляють за допомогою розчинника (плавикова кислота), відкриваючи знаходиться під ними діоксид кремнію.

Відкритий діоксид кремнію видаляють за допомогою процесу, який називається "травленням". Потім прибирають залишився фотослой, в результаті на напівпровідниковій пластині залишається малюнок з діоксиду кремнію. В результаті ряду додаткових операцій фотолитографии і травлення на пластину наносять також полікристалічний кремній, що володіє властивостями провідника. У ході наступної операції, званої "легированием", відкриті ділянки кремнієвої пластини бомбардують іонами різних хімічних елементів, які формують в кремнії негативні і позитивні заряди, які змінюють електричну провідність цих ділянок.

Накладення нових шарів з подальшим травленням схеми здійснюється кілька разів, при цьому для міжшарових з'єднань в шарах залишаються "вікна", які заповнюють металом, формуючи електричні з'єднання між шарами. У своєму 0.13-микронном технологічному процесі корпорація Intel використовувала мідні провідники. В 0.18-микронном виробничому процесі і процесах попередніх поколінь Intel застосовувала алюміній. І мідь, і алюміній - хороші провідники електрики. При використанні 0,18-мкм техпроцесу використовувалося 6 шарів, при впровадженні 90 нм техпроцесу в 2004 році застосували 7 шарів кремнію.

Кожен шар процесора має свій власний малюнок, в сукупності всі ці шари утворюють тривимірну електронну схему. Нанесення шарів повторюють 20 - 25 разів протягом декількох тижнів.

тестування

Для стійкості до впливів, яким піддаються підкладки в процесі нанесення шарів, кремнієві пластини спочатку повинні бути досить товстими. Тому перед тим як розрізати пластину на окремі мікропроцесори, її товщину за допомогою спеціальних процесів зменшують на 33% і видаляють забруднення із зворотного боку. Після цього на зворотну сторону "обробленої" пластини наносять шар спеціального матеріалу, який покращує подальше кріплення кристала до корпусу. Даний шар забезпечує електричний контакт між задньою поверхнею інтегральної схеми і корпусом після складання.

Після цього виробляють тестування пластини, для перевірки якості виконання всіх операцій обробки. Для визначення, коректності роботи процесора, перевіряють їх окремі компоненти. У разі виявлення несправності, проводять аналіз отриманих даних, для виявлення етапу на якому сталася помилка.

Потім до кожного процесору підключають електричні зонди і подають харчування. Процесори тестуються комп'ютером, він визначає, чи відповідають характеристики виготовлених процесорів заданих параметрах.

виготовлення корпусу

Після тестування пластини відправляються в складальне виробництво, де за допомогою спеціальної прецизійної пили їх нарізають на маленькі прямокутники, кожен з яких містить інтегральну схему. Непрацюючі кристали відбраковуються.

Потім кожен кристал поміщають в індивідуальний корпус. Корпус служить захистом кристала від зовнішніх впливів і забезпечує його електричне з'єднання з платою, на яку він буде встановлений. Крихітні кульки припою, розташовані в певних точках кристала, припаюють до електричних виводів корпусу. На цьому етапі електричні сигнали можуть надходити з плати на кристал і назад

После установки кристала в корпус процесор роблять повторне тестування, для визначення его працездатності. Несправні процесори відбраковують, а справні піддають навантажувальні випробувань: впліву різніх температурних и вологісніх режімів, а такоже електростатічніх розрядів. Після кожного навантажувального випробування процесор тестують для визначення його функціонального стану. Потім відбувається сортування процесорів сортують залежно від їх поведінки при різних тактових частотах і напрузі живлення.

3. Технологічні етапи виробництва мікропроцесорів

Як робляться чіпи

Виробництво чіпів полягає в накладенні тонких шарів зі складним "візерунком" на кремнієві підкладки. Спочатку створюється ізолюючий шар, який працює як електричний затвор. Підкладки нарізаються монокристалла-циліндра тонкими "млинцями", щоб потім легко розрізати на окремі кристали процесорів. Для проведення тестів кожного кристала на підкладці використовуються електричні зонди. Нарешті, підкладка розрізається на окремі ядра, неробочі ядра відразу ж відбраковуються. Залежно від характеристик, ядро ​​стає тим чи іншим процесором і полягає в упаковку, яка полегшує установку процесора на материнську плату. Всі функціональні блоки проходять через інтенсивні стрес-тести.

Все починається з підкладок

Перший крок у виробництві процесорів виконується в чистій кімнаті. Слід зазначити, що це дуже капіталомістке виробництво. На будівництво сучасного заводу з усім обладнанням може бути витрачено більше 2-3 млрд. Доларів. Тільки після повної наладки і тестування обладнання завод може серійно випускати процесори.

Загалом, процес виробництва чіпів складається з ряду етапів обробки підкладок. Сюди входить і створення самих підкладок, які в наслідку будуть розрізані на окремі кристали.

виробництво підкладок

Перший етап - вирощування монокристалів. Для цього початковий кристал впроваджується в ванну з розплавленим кремнієм, який знаходиться трохи вище точки плавлення полікристалічного кремнію. Важливо, щоб кристали росли повільно приблизно добу, щоб гарантувати правильне розташування атомів. Полікристалічний або аморфний кремній складається з безлічі різномастих кристалів, які приведуть до появи небажаних поверхневих структур з поганими електричними властивостями.

Коли кремній буде розплавлений, його можна легувати за допомогою інших речовин, що змінюють його електричні властивості. Весь процес відбувається в герметичному приміщенні зі спеціальним повітряним складом, щоб кремній, що не окислюється.

Монокристал розрізається на "млинці" за допомогою кільцевої високо - точної алмазної пилки, що не створює великих нерівностей на поверхні підкладок. При цьому поверхня підкладок все одно не ідеально плоска, тому необхідні додаткові операції. Зовнішній вигляд монокристалів можна побачити на малюнку 1.

Мал. 1. Зовнішній вигляд монокристалла

Спочатку за допомогою обертових сталевих пластин і абразивного матеріалу оксиду алюмінію, знімається товстий шар з підкладок (процес називається притиранням). В результаті усуваються нерівності розміром від 0,05 мм до, приблизно, 0002 мм (2 000 нм). Потім слід закруглити краю кожної підкладки, оскільки при гострих крайках можуть відшаровуватися шари. Далі використовується процес травлення, коли за допомогою різних хімікатів (плавикова кислота, оцтова кислота, азотна кислота) поверхню згладжується ще приблизно на 50 мкм. Фізично поверхня не погіршується, оскільки весь процес повністю хімічний. Він дозволяє видалити залишилися похибки в структурі кристала, в результаті чого поверхня буде близька до ідеалу.

Останній крок - полірування, яка забезпечує згладжування поверхні до нерівностей, максимум, 3 нм. Полірування здійснюється за допомогою суміші гідроксиду натрію і гранульованого діоксиду кремнію.

В даний час підкладки для мікропроцесорів мають діаметр 300 або 450 мм, що дозволяє виробникам чіпів отримувати з кожної з них безліч процесорів. В цілому, чим більше діаметр підкладки, тим більше можна зробити чіпів однакового розміру. 300-мм підкладка, наприклад, дає більш ніж в два рази більше процесорів, ніж 200-мм.

Легування і дифузія

Легування проводиться і з готовою підкладкою, і під час процесів фотолітографії. Це дає можливість змінювати електричні властивості певних областей і шарів, а не всієї структури кристала.

Додавання легуючого речовини може відбуватися за допомогою дифузії. Атоми легирующего речовини заповнюють вільний простір усередині кристалічної решітки, між структурами кремнію. У деяких випадках можна легувати і існуючу структуру. Дифузія здійснюється за допомогою газів (азот і аргон) або за допомогою твердих речовин або інших джерел легирующего речовини.

створення маски

Для створення ділянок інтегральної схеми, використовується процес фотолітографії. При цьому потрібно опромінювати не всю поверхню підкладки, в таких випадках важливо використовувати так звані маски, які пропускають випромінювання високої інтенсивності тільки на певні ділянки. Маски можна порівняти з чорно-білим негативом. Інтегральні схеми мають безліч шарів (20 і більше), і для кожного з них потрібно своя маска.

Структура з тонкої хромової плівки наноситься на поверхню пластини з кварцового скла, щоб створити шаблон. При цьому дорогі інструменти, що використовують потік електронів або лазер, прописують необхідні дані інтегральної схеми, в результаті чого виходить шаблон з хрому на поверхні кварцової підкладки. Слід зазначити, що будь-яка зміна інтегральної схеми призводить до необхідності виробництва нових масок, тому весь процес внесення правок дуже дорогий.