Из какого металла ножки процессора
Обновлено: 21.09.2024
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Из какого металла ножки процессора
Репутация: 0
Вопрос эрудитам: из чего сделаны ножки кристалла процессора – не из золота ли случайно(лучший теплопроводник)? Или ввсе таки всего лишь из меди? А то у друзей пара процев сгорело – не переплавить ли ?
у кристалла нет ножек
Выводы кристалла подпаиваются к ножкам обычно золотой проволокой (по крайней мере, реньше было именно так), сами ножки процессора — просто позолочены.
Репутация: 13
Ты прав — я плохо сформулировал вопрос.
Годятся значит паленые камни только на сувениры:—)
Anton
bdfy — Так ведь медь вроде лучше тепло проводит — почему какой-то сплав?
— они и так гнутся "хорошо", а если будут из меди?
Репутация: 56
Vaitek и это тоже. Но всё-таки способность работать в агрессивных средах, не окисляясь (нге корродируя) — важнее.
На высоких частотах токи текут только по поверхности проводника (скинслой). Для достижения проводимости по постоянному току ноги питания многократно продублированы. Основной материал ножек выбран, скорее всего, из оптимального коэффициента термического расширения для согласования с окружающими материалами.
Золото не лучший, а наиболее дешёвый из благородных (стойких к воздействию окружающей среды) металлов. Из сплавов платины ножки получились бы гораздо лучше.
Micca
Но всё-таки способность работать в агрессивных средах, не окисляясь (нге корродируя) — важнее — а что за агрессивная среда в сокете процессора?
Jordan согласись, что условия работы процессора — совсем не лабораторные. А при этом ещё нужно обеспечить многократность выемки процуессора из/в сокет.
Micca
А при этом ещё нужно обеспечить многократность выемки процуессора из/в сокет. — вероятнее всего вот это.
Ребята, да контакты золотят просто для того, чтобы они не окислялись (обычным кислородом воздуха) и не теряли надёжности. В этом смысле, серебро даже лучше золота, но вот беда — оно боится соединений серы, которых много атмосфере промышленных городов.
Anton
Действительно, у серебра удельнре сопротивление (а также удельная теплопроводность) меньше чем у золота, но оно окисляется. Окисляется даже не из-за присутствия соединений серы в воздухе, а электрохимически -- самим кислородом воздуха в присутствии влаги и контачащим с серебром проводником другой природы (будь то медь или человеческая кожа). А вот на счет платины -- она куда менее активна чем золото и, тем более, серебро, однако ток (и, соответственно, тепло) проводит хреново, вследствие этого на границе меди и платины возникает разность потенциалов, которая является дополнительным препятствием току (следовательно -- это и дополнительное тепло), а поэтому платина для покрытия ножек не годится.
Сказ о том как я золото из процессоров добывал.
Все наверное знают, как из отжившей своё электроники извлекают золото (если оно конечно там есть). Разламывают платы, сортируют, и извлекают золото с помощью кислот.
Но золото можно извлечь и по другому, из процессоров точно (:
Однажды по работе, мне пришлось вытравливать заготовку для платы. Вытравливал обычным хлорным железом по 150 рублей за баночку.
Травил я в обыкновенном пластиковом ведёрке, в горячей воде из под крана. Порошок добавляется до тех пор пока он может растворяться.
Так вот. Плата успешно вытравилась, а раствор остался. Жалко же выливать. И кинул я туда старый процессор. Примерно такой.
Минут через двадцать, достав процессор из раствора, я удивление обнаружил что у него отвалились все ножки с подложки.
Главное не передержать, иначе медь которая перешла из процессора в раствор, может вернуться обратно на процессор, тогда будет так. (это не фатально, и поддаётся обратному растворению)
В ходе дальнейших опытов выяснилось что совсем старые процессоры, сделанные в керамическом корпусе, растворению не поддаются. (ножки не отпадают), хотя можно их оторвать, если очень захочется.
В итоге после 30 минут ожидания, и процеживания раствора с ножками через фильтровальную бумагу, получилось это (в живую выглядит лучше, чем на фото) ножки с двух процессоров. осталась тонкая золотая фольга, все внутренности остались в растворе:
Если кому-то будет интересно, постараюсь запилить пост про совсем простенькую Катушку Теслу, для которой и травилась плата. (хотя в итоге всё равно собрал на просто куске текстолита, и навесном монтаже).
Всем Котиков, Добра, и Печенек (:
А теперь внимание, вопрос: знает ли автор о существовании 41-ФЗ "О драгоценных металлах и драгоценных камнях"?
Вспомнил, как Скрудж МакДак с внуками полетели на Марс, где была целая свалка разбитых спутников/ракет/кораблей, и за пару часов навысасывали оттуда целую тележку слитков.
Я помню мы ядерные ракеты ломали, срезали разъемы, каждый подписывали, заворачивали в бумажку, и укладывали спать в коробочку.
На каждой МБР примерно 30 кг золота.
Почему никто не говорит о чистоте металла, 998 проба- это не аффинаж, например, а обогащение. Срок меньше. Лицензия дешевле.
Тут такой хайп по поводу уголовщины, но что если: допустим я добыл Х грамм золота из мусора, выплавил из него ювелирное изделие в своём гараже в Нижнем Подзатворожье и поставил маркировку соответсвующей пробы. Будет оно эксплуатироваться до самой смерти Пра правнуков которым оно досталось по наследству, и они решат его продать/сдать в ломбард/обменять на другие вещи, будут ли из действия незаконными? Или в турму должен сесть уже мертвый к тому времени я
жду пост о самодельной катушке Тесла!
погоди, ты после использования каждый раз выливаешь раствор хлорного железа?!
в советских приборах этого добра дофига
это ж сколько из них можно всего понаделать. жаль плавить нужно при очень высокой температуре
В интернете много информации на эту тему.
Странно. Вот у нас проблема списать холодильники: надо сдать на выплавку драгметалла, а выплавка стоит В РАЗЫ дороже цены сами драгметаллов. КАК ТАК?
И много ли там чистого золота?
Как-то жалко первопни бомжевать из-за золотники.
А лицензия у тебя есть?
В XXIV веке будет хорошо, говорят
Действительно
Депутат Госдумы Олег Нилов, заявил, что в первую очередь должны мобилизоваться депутаты и остальная власть«Членов партии под 3 миллиона, вот кому надо в первую очередь самомобилизоваться!»
Уже не так смешно
Мобилизовать элиту
Помните сына депутата из Асбеста, который называл людей грязью и многих других кто прославился в подобных скандалах. Неплохо бы Верховному главнокомандующему создать батальон элиты и золотой молодежи. Пусть искупят кровью и докажут любовь к родине.
Не ошибается тот, что ничего не делает. 21.09.2022
Вчера в посте 12 дней. 20.09.2022 я сделал заявление о том, что мобилизации не будет.
Цитата по тексту:
"Главное: мобилизации не будет. Повторяю: не будет. Будет привлечение иностранных граждан, увеличение оплат по контрактам, вероятно - частичная мобилизация в новых регионах. Не более. Мобилизация экономически не выгодна."
Ниже - разбор причин ошибки прогнозирования, и детальный анализ положений Указа Президента Российской Федерации от 21 сентября 2022 года № 647 "Об объявлении частичной мобилизации в Российской Федерации".
Причины возникновения ошибки:
1. Применение экономического подхода для анализа военно-политических процессов. Этого делать было нельзя. Метод исследования не совпал с предметом исследования. Результат - фатальная ошибка. Практически полное несовпадение прогноза с фактом.
2. Неверная трактовка информации из источников. В основу моего прогноза было положено вот это заявление: https://news.ru/vlast/v-komitete-gosdumy-otricayut-ideyu-o-v. . В источнике указано (цитата): "Всеобщей мобилизации не будет". Далее, из комментариев к заявлению, я сделал ошибочный вывод о том, что мобилизации не будет в принципе.
Теперь о сути происходящего. Разбор указа по пунктам.
С моими и внешними комментариями. Текст указа приводится по публикации:
1. Объявить с 21 сентября 2022 г. в Российской Федерации частичную мобилизацию.// Выдержка из Закона: "Мобилизация в Российской Федерации может быть общей или частичной".
Теоретически мобилизации подлежат следующие граждане:
Также в комментариях к Указу даётся уточнение - призыву подлежат только имеющие боевой опыт.
2. Осуществить призыв граждан Российской Федерации на военную службу по мобилизации в Вооруженные Силы Российской Федерации. Граждане Российской Федерации, призванные на военную службу по мобилизации, имеют статус военнослужащих, проходящих военную службу в Вооруженных Силах Российской Федерации по контракту.
3. Установить, что уровень денежного содержания граждан Российской Федерации, призванных на военную службу по мобилизации в Вооруженные Силы Российской Федерации, соответствует уровню денежного содержания военнослужащих, проходящих военную службу в Вооруженных Силах Российской Федерации по контракту. // Соответственно, всем призванным в рамках частичной мобилизации, будут выплачиваться все положенные контрактникам выплаты, а также льготы - по окончании действия контракта.
4. Контракты о прохождении военной службы, заключенные военнослужащими, продолжают свое действие до окончания периода частичной мобилизации, за исключением случаев увольнения военнослужащих с военной службы по основаниям, установленным настоящим Указом.// Неоднозначная трактовка. Не устанавливается срок контракта. Скорее всего, будет дополнение к Указу.
5. Установить в период частичной мобилизации следующие основания увольнения с военной службы военнослужащих, проходящих военную, службу по контракту, а также граждан Российской Федерации, призванных на военную службу по мобилизации в Вооруженные Силы Российской Федерации:
а) по возрасту - по достижении ими предельного возраста пребывания на военной службе;
б) по состоянию здоровья - в связи с признанием их военно-врачебной комиссией не годными к военной службе, за исключением военнослужащих, изъявивших желание продолжить военную службу на воинских должностях, которые могут замещаться указанными военнослужащими;
в) в связи с вступлением в законную силу приговора суда о назначении наказания в виде лишения свободы. // Комментарий не требуется.
6. Правительству Российской Федерации:
а) осуществлять финансирование мероприятий по проведению частичной мобилизации;
б) принять необходимые меры для удовлетворения потребностей Вооруженных Сил Российской Федерации, других войск, воинских формирований и органов в период частичной мобилизации.// Финансирование выделено.
8. Высшим должностным лицам субъектов Российской Федерации обеспечить призыв граждан на военную службу по мобилизации в Вооруженные Силы Российской Федерации в количестве и в сроки, которые определяются Министерством обороны Российской Федерации для каждого субъекта Российской Федерации. // Комментарий не требуется.
9. Предоставить гражданам Российской Федерации, работающим в организациях оборонно-промышленного комплекса, право на отсрочку от призыва на военную службу по мобилизации (на период работы в этих организациях). Категории граждан Российской Федерации, которым предоставляется право на отсрочку, и порядок его предоставления определяются Правительством Российской Федерации. // Список будет опубликован.
10. Настоящий Указ вступает в силу со дня его официального опубликования.//21.09.2022
Резюме по тексту Указа:
Указ соответствует действующему законодательству. Если среди Уважаемых Читателей есть юристы, прошу дать соответствующие комментарии.
Частное мнение автора поста по тексту Указа:
2. Призыв осуществляется на контрактной основе. С соответствующими выплатами и гарантиями (см текст Указа). Это тоже честно.
Основные слухи и опасения вокруг Указа и внешние комментарии к ним:
1. О введении ограничений на выезд за границу: Дополнительных ограничений на выезд резервистов из-за частичной мобилизации нет. Заявление Главы комитета Госдумы по обороне.
2. Студенты и срочники подлежат мобилизации:
Экономический фон к событиям:
Рубль - стабилен. Нефть - рост. Золото и серебро - рост. Нефть Urals - рост. Газ ТТФ - слабый рост.
Индекс ММВБ - незначительное падение. Основное падение произошло ещё вчера.
1. Си Цзиньпин приказал армии сосредоточиться на подготовке к боевым действиям.//Без комментариев.
2. Минфин выплатил в рублях купон по евробондам с погашением в 2029 году.// Схема "с нотариусом" продолжает работу.
4. Сбербанк не зафиксировал повышенного спроса на снятие наличных со стороны клиентов.// Это свидетельствует об отсутствии паники. Хорошая новость.
5. Халык банк (Казахстан) и BIDV (Вьетнам) прекратили обслуживание карт "Мир" из-за угроз вторичных санкций.// Не удивительно. Это реакция на "впечатление о слабости России". Большие репутационные потери. Причём со стороны "дружественных" стран. Плохая новость.
6. Бюджетная система России перешла к дефициту в августе.// Ждал этого заявления. Новость временно плохая. В сентябре - ноябре поступит НДПИ от Газпрома.
8. Германия консолидирует 99% акций Uniper: сначала будет проведена допэмиссия акций по цене 1,7 евро на общую сумму 8 миллиардов евро, которую полностью выкупит федеральное правительство, затем оно приобретет оставшуюся у Fortum долю за около 0,5 миллиарда евро.// Грабят не только Россию. Но и своих тоже.
9. Европа фактически прекратила работу по линии каучуков и полимеров с Россией, замещение российских каучуков для ЕС займет годы. // Санкции вредны для всех.
10. ЦБ рекомендовал давать кредитные каникулы мобилизованным.// Ожидаемая рекомендация. Жду соответствующего распоряжения с прямым указанием на предоставление таких каникул.
Частное заявление:
1. Количество фекалий, вылитое в комментариях ко вчерашнему посту "12 дней" удивило даже меня, привыкшего за семь месяцев активного постинга ко всякому. Причем удивил не сам факт указания на ошибку прогнозирования, а характер этого указания. Некоторые комментаторы опустились ниже общечеловеческого дна. Я даже представить себе не мог, насколько мерзкими могут быть слова, написанные на русском языке. Обращаюсь к авторам подобных заметок: Бог Вам судья. Не судите, и не судимы будете (Лука, 6.37). Впрочем - всё, что не делается, делается к лучшему. У меня теперь есть полный список. И ко всем, кто в него попал, я применю самую страшную кару, которую может позволить себе цивилизованный человек: я буду вас игнорировать. Не включать в черный список, не писать о вас модераторам (обратите внимание, ни одного призыва модератора от меня сегодня не было). Я не буду вам отвечать. Вы можете резвиться на моей ветке столько сколько хотите. Но это будут ваши пляски друг с другом. Без меня. Прощайте.
2. Для тех, кто читает мои посты, априори считая, что я приукрашиваю действительность и на "чёрное" говорю "белое" - специальный комментарий. Если я пишу, что частичная мобилизация соответствует законодательству РФ, а действия властей являются "актом честности" по отношению к гражданам, это не значит, что я считаю частичную мобилизацию чем-то хорошим. Частичная мобилизация - это плохо. Это не выгодно экономически. Это трудно принять по-человечески. Но это свершившийся факт.
3. Вечернего поста сегодня не будет. Завтра - по расписанию. Не позднее 23-00 мск.
Как делают микропроцессоры. Польский химик, голландские монополисты и закон Мура
Современные микропроцессоры поражают своей сложностью. Наверное, это высочайшие технологические достижения человеческой цивилизации на сегодняшний день, наряду с программированием ДНК и автомобилями Tesla, которые после заказа через интернет сами приезжают к вашему дому.
Удивляясь красоте какой-нибудь микросхемы, невольно думаешь: как же это сделано? Давайте посмотрим на каждый шаг в производственном процессе.
Метод Чохральского
Жизнь микросхемы начинается с песка. Песок почти полностью состоит из кварца, а это основная форма диоксида кремния, SiO2. Сам кремний — второй по распространённости элемент в земной коре.
Чтобы получить из кварца чистый кремний, песок смешают с коксом (каменный уголь) и раскаляют в доменной печи до 1800 °C. Так удаляется кислород. Метод называется карботермическое восстановление.
Доменная печь с кварцем и коксом
В результате получаются блоки кремния поликристаллической структуры, так называемый технический кремний.
Чистота полученного кремния достигает 99,9%, но его необходимо очистить, чтобы получить поликристаллический кремний. Тут применяют разные методы. Самые популярные — хлорирование, фторирование и вытравливание примесей на межкристаллитных границах. Техпроцессы очистки кремния постоянно совершенствуются.
Затем из поликристаллического кремния выращивают монокристаллический кремний — это кремний электронного качества с чистотой 99,9999% (1 атом примесей на миллион атомов кремния). Кристаллы выращивают методом Чохральского, то есть введением затравки в расплав, а затем вытягиванием кристалла вверх. Метод назван в честь польского химика Яна Чохральского.
Метод Чохральского, Иллюстрация: Д. Ильин
Поэтому монокристаллический кремний представляет собой красивые цилиндрические слитки — их ведь вытягивали из расплава под воздействием земной гравитации.
Монокристаллический кремний электронного качества, нижняя часть слитка
Из этих цилиндрических слитков нарезают кремниевые пластины диаметром 100, 150, 200 или 300 мм. Многие задаются вопросом, почему у пластин круглая форма, ведь это нерациональный расход материала при нарезке на прямоугольные микросхемы. Причина именно в том, что кристаллы выращивают методом Чохральского, вынимая вверх.
Чем больше диаметр кремниевой пластины — тем эффективнее расходуется материал. Пластины доставляют на полупроводниковую фабрику, где начинается самое интересное.
Заводы
В мире всего четыре компании, способные производить продвинутые микросхемы топового уровня: Samsung, GlobalFoundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Intel.
В других странах производство микроэлектроники отстаёт от лидеров на годы или десятилетия. Причина в том, что строительство современного завода — дорогостоящее мероприятие (около $10-12 млрд), а прогресс идёт так быстро, что этот завод устареет через несколько лет. Поэтому позволить себе такие инвестиции могут только компании с прибылью в десятки миллиардов долларов в год.
Кто получает такую прибыль? Тот, кто продаёт товаров на сотни миллиардов долларов. Это мировой лидер в производстве смартфонов и оперативной памяти Samsung, а также мировой лидер в производстве десктопных и серверных процессоров Intel. Ещё две компании GlobalFoundries и TSMC работают по контрактам в секторе B2B.
Столь высокая стоимость современного завода микроэлектроники объясняется высокой стоимостью оборудования, которая обусловлена чрезвычайной сложностью процесса.
Бор и фосфор
Чтобы запустить свободные электроны, нужно заменить некоторые атомы кремния на атомы других элементов с 3 или 5 электронами на внешней орбите. Для этого идеально подходят соседние с кремнием элементы по таблице Менделеева — бор (3 электрона) и фосфор (5). Их подмешивают к кремнию, и эти атомы встают в его кристаллическую решётку. Но в ней только четыре связи. Соответственно, или одной связи не хватает, или освобождается свободный электрон. Заряд такого атома + или −. Так бор и фосфор в решётке кремния создают два слоя полупроводников с зарядами противоположного знака. «Дырочный» слой p- (positive) с бором и недостающим электроном — сток. А «электронный» слой n- (negative) с фосфором и лишними электронами — исток. Они покрыты изолятором из оксида кремния.
Конструкция полевого транзистора MOSFET с управляющим p-n-переходом
Транзистор — минимальный элемент и основной компонент интегральной схемы. В зависимости от напряжения в затворе из поликристаллического кремния ток или потечёт с истока, или нет. Это соответствует логическому 0 и 1.
Вот как выглядит p-n-переход в транзисторе на атомарном уровне при изменении напряжения в затворе:
Из таких транзисторов состоят все логические элементы, а из них инженеры составляют конструкцию микропроцессора.
Микроархитектура
Современные микросхемы состоят из миллиардов транзисторов, соединённых в сложные конструкции: ячейки памяти, микроконтроллеры, криптографические модули и так далее. Все они располагаются на микросхеме в соответствии с планом инженера-микросхемотехника.
AMD Athlon XP 3000+ из каталога siliconpr0n
Инженеры используют специальное ПО для проектирования микросхем. Таких программ огромное множество, в том числе и бесплатных, среди них нет единого стандарта.
В этом ПО выполняется симуляция электрических и физических свойств микросхемы и отдельных цепей, а также тестируется их функциональность.
Проектированием занимаются целые отделы из сотен инженеров, ведь на современных микросхемах огромное количество элементов. У процессоров производства TSMC (AMD) по 7-нм техпроцессу 113,9 млн транзисторов на мм². Intel поставила амбициозную цель достичь плотности 100 млн транзисторов на мм² уже на техпроцессе 10 нм, почти как 7 нм у TSMC. Цель оказалась слишком амбициозной — с этим и связана позорная задержка с внедрением 10 нм.
Все слои микросхемы объединяются в итоговый проект — blueprint, который по электронной почте отправляют на завод в Китае или Тайване.
Фотодело
Из полученных файлов на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Они похожи на плёночные негативы, из которых на фотоувеличителе печатаются фотографии. Но если в фотографии эта техника осталась в прошлом, то в производстве микроэлектроники она сохранилась до сих пор.
Фотомаска
Вот как выглядит современный «фотоувеличитель», а именно, степпер компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).
Иллюстрация: ASML
Машина весом 180 тонн размером с автобус продаётся по цене около $170 млн. Это самое сложное и дорогое оборудование на современном заводе микроэлектроники. Компоненты для такого степпера производят около 5000 поставщиков со всего мира: линзы Carl Zeiss (Германия), роботизированные манипуляторы VDL (Нидерланды), лазеры Cymer (США, куплена ASML в 2013 году).
Фиолетовым цветом показан маршрут световых импульсов от источника к прибору подсветки, затем к фотомаске с топологией кристалла — и через проекционную оптику на кремниевую пластину.
Пластины из монокристаллического кремния, полученного на первом этапе нашего процесса, помещаются в этот степпер, и здесь засвечиваются через фотомаску, распечатанную из файлов с проектного бюро. Это завершение всего технологического цикла.
Засветка кремниевой пластины
Засветка пластины лазером EUV — тоже весьма нетривиальный процесс. Вот описание и видео из журнала IEEE Spectrum: «Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 тыс. капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину». Для 7-нм процессоров используется литография в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нм.
Настоящая фантастика. Неудивительно, что степпер для EUV по самому современному техпроцессу в мире умеет делать только одна голландская компания ASML, которая сейчас является фактически монополистом в этой нише.
Засветка пластины — не единственный шаг на производстве. Перед степпером пластины нагревают до 1000 °С и окисляют поверхность, чтобы сформировать непроводящий слой из диоксида кремния SiO2. Потом на этом слое диэлектрика равномерно распределяют фоточувствительный материал — фоторезист. И только потом помещают в степпер.
Засветка фоторезиста на кремниевой пластине в степпере
На засвеченных участках пластины обнажается слой SiO2, всё остальное защищено фоторезистом. Теперь наступает этап плазменного вытравливания (plasma etching), где с засвеченных участков снимается слой SiO2, создавая углубления. Вытравленные участки снова окисляют. Поверх SiO2 наносят электропроводящий слой поликристаллического кремния. Потом снова покрывают фоторезистом — и цикл повторяется несколько раз, создавая новые углубления уже во втором слое, затем в третьем, потом пластина покрывается слоем металла — и цикл повторяется. В итоге формируются те самые структуры полевых транзисторов с p-n переходом. Цикл повторяется многократно, пока не будет создана полная структура интегральной микросхемы со всеми необходимыми элементами.
Несколько циклов нанесения разных материалов (фоторезист, поликристаллический кремний, диоксид кремния, металл), засветки и плазменного вытравливания создают многослойную структуру транзистора
В зависимости от техпроцесса, размер минимальных элементов в этих структурах может быть 14 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм или меньше, но это весьма условная разница, которая не совсем отражает реальность. Например, на фотографиях под микроскопом ниже можно сравнить размер транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (техпроцесс 14 нм+++) и TSMC (7 нм). У первого ширина затвора 24 нм, у второго 22 нм, высота одинаковая.
Сравнение транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (14 нм+++) и TSMC (7 нм), сканирующий электронный микроскоп. Источник
По размеру они практически не отличаются, хотя TSMC плотнее размещает эти транзисторы на микросхеме.
В зависимости от размера, на одной пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем.
Микросхемы на кремниевой пластине
Пластины с готовым продуктом проверяют, а затем осуществляется сборка — упаковка чипов в корпуса, подключение контактов. Сборка полностью автоматизирована.
Сборка микросхем
Потом чипы снова тестируют — и если всё удачно, то отправляют клиенту. Через несколько месяцев процессор уже вовсю работает в сервере или на домашнем компьютере, или в телефоне счастливого покупателя.
Мур не сдаётся. Intel тоже
Утратившая технологическое лидерство компания Intel в реальности не испытывает недостатка в денежных средствах. На самом деле совсем наоборот, компания сейчас показывает рекордные прибыли. И она намерена серьёзно инвестировать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Благодаря партнёрству с ASML и EUV-литографии Intel планирует вернуться к прежним темпам выпуска новых поколений CPU раз в 2 года, начав с 7-нм техпроцесса в конце 2021 года и дойдя до 1,4-нм технологии в 2029 году.
Слайд из презентации Intel, показанный в выступлении представителя ASML в декабре 2019 года, источник
Если планы реализуются, то Intel сохранит действие закона Мура и догонит AMD/TSMC. В 90-е годы тоже были моменты, когда AMD выпускала более производительные процессоры. После тупика с Pentium 4 ответом стало новое ядро Core — и лидерство Intel на протяжении десятилетий. Впрочем, это было довольно скучное время. Для рынка гораздо полезнее, когда происходит жёсткая «заруба» между конкурентами, как сейчас, в 2021 году.
На правах рекламы
Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Создайте собственный тарифный план в пару кликов, максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.
От песка до процессора
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».
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.
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.
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.
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).
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.
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?
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.
Читайте также: