Számítógépes processzor gyártása: technológiai folyamat

Néhány évvel ezelőtt az Intel lépésről lépésre vezette be a mikroprocesszorok gyártási folyamatát: a homoktól a végtermékig. Valójában a félvezető elemek gyártási folyamata valóban csodálatosnak tűnik.

1. lépés. Homok

A szilícium, amely a földkéreg összes kémiai elemének körülbelül 25% - át teszi ki teljes tömegben, az oxigén után a második legelterjedtebb. A homok nagy százalékban tartalmaz szilícium-dioxidot (SiO₂), amely nemcsak az Intel processzorok gyártásának, hanem általában a félvezető gyártásának is a fő összetevője.

Olvadt szilícium

Az anyagot több lépésben tisztítjuk, amíg a félvezetőkben használt félvezető tisztaságú szilíciumot el nem kapjuk. Végül körülbelül 300 milliméter (12 hüvelyk)átmérőjű egykristályos öntvények formájában érkezik. Korábban a rúd átmérője 200 milliméter (8 hüvelyk) volt, 1970 – ben pedig még kevesebb-50 milliméter (2 hüvelyk).

A processzor gyártásának ezen szintjén a tisztítás után a kristály tisztasága milliárd szilíciumatomonként egy szennyeződésatom. A rúd súlya 100 kg.

3. lépés. Öntvény szeletelés

Az öntvényt nagyon vékony fűrésszel vágják egyes szeletekre, úgynevezett szubsztrátokra. Mindegyiket később csiszolják, hogy hibamentes tükör-sima felületet kapjanak. Ezen a sima felületen apró rézhuzalokat alkalmaznak később.

A fotorezisztív réteg expozíciója

Fotorezisztív folyadékot öntünk egy nagy sebességgel forgó hordozóra (ugyanazokat az anyagokat használják a hagyományos fényképezésben). Forgatáskor vékony, egyenletes ellenálló réteg képződik az aljzat teljes felületén.

Az ultraibolya lézer maszkon és lencsén keresztül hat a hordozó felületére, kis megvilágított ultraibolya vonalakat képezve rajta. A lencse a fókuszált képet 4-szer kisebbé teszi, mint a maszk. Ahol az UV-vonalak befolyásolják az ellenálló réteget, kémiai reakció lép fel, amelynek eredményeként ezek a területek oldódnak.

5. lépés. Rézkarc

Az oldható fotorezisztív anyagot ezután kémiai oldószerrel teljesen feloldjuk. Így egy kémiai maratót használnak kis mennyiségű polírozott félvezető anyag (szubsztrát)részleges feloldására vagy maratására. A fotorezisztív anyag fennmaradó részét hasonló mosási eljárással távolítják el, feltárva (feltárva) az aljzat maratott felületét.

Rétegek kialakulása

Apró rézhuzalok létrehozásához, amelyek végül villamos energiát továbbítanak a különféle csatlakozókhoz/csatlakozókhoz, további fotorezisztenseket (fényérzékeny anyagokat) adnak hozzá, amelyeket szintén mosnak és kitesznek. A jövőben az iondopping eljárást a szennyeződések hozzáadására és a rézionok lerakódási helyeinek a réz-szulfáttól való védelmére hajtják végre a galvanostegia folyamat során.

A processzor gyártási folyamatainak különböző szakaszaiban további anyagokat adnak hozzá, amelyeket maratnak és políroznak. Ezt a folyamatot 6-szor megismételjük, hogy 6 réteget képezzünk.

A végtermék úgy néz ki, mint sok mikroszkopikus rézcsík rácsa, amely áramot vezet. Némelyikük másokhoz kapcsolódik, mások pedig bizonyos távolságra vannak másoktól. De mindannyian egy cél megvalósítására használják – az elektronok átvitelére. Más szavakkal, úgy tervezték, hogy úgynevezett "hasznos munkát" biztosítsanak (például két szám hozzáadása a lehető legnagyobb sebességgel, ami manapság a számítási modell lényege).

A többszintű feldolgozást megismételjük az aljzat felületének minden egyes különálló kis területén, amelyen a forgácsokat gyártják. Különösen az ilyen területek közé tartoznak azok, amelyek részben az aljzaton kívül helyezkednek el.

7. lépés. Tesztelés

Amint az összes fémréteget felviszik, és az összes tranzisztor létrejön, itt az ideje a processzor gyártásának következő szakaszának "Intel" tesztelés. A chip tetejére több csapos eszköz kerül. Sok mikroszkopikus vezeték van csatlakoztatva hozzá. Minden ilyen kábelezés elektromos csatlakozással rendelkezik a chiphez.

A chip működésének reprodukálásához a tesztjelek sorozata kerül továbbításra. A tesztelés során nemcsak a hagyományos számítási képességeket ellenőrzik, hanem a belső diagnosztikát is elvégzik a feszültségértékek, kaszkádszekvenciák és egyéb funkciók meghatározásával. A chip teszteredmény formájában adott válaszát egy olyan adatbázisban tárolják, amelyet kifejezetten a szubsztrátum ezen szakaszához rendeltek. Ezt a folyamatot megismételjük az aljzat minden egyes szakaszára.

Vágó lemezek

A lemezek vágásához egy nagyon kicsi, gyémánt hegyű fűrészt használnak. Az előző szakaszban kitöltött adatbázist arra használják, hogy meghatározzák, mely chipek kerülnek mentésre az aljzatból, és melyeket dobják el.

9. lépés. Az ügy lezárása

Minden munkalapot fizikai házakba helyeznek. Annak ellenére, hogy a lemezeket előzetesen tesztelték, és úgy döntöttek, hogy megfelelően működnek, ez nem jelenti azt, hogy jó processzorok.

A burkolat folyamata azt jelenti, hogy egy szilíciumkristályt helyezünk a szubsztrátum anyagába, amelynek érintkezőihez vagy gömbkapcsainak tömbjéhez miniatűr arany huzalozás van csatlakoztatva. A ház hátulján gömbcsapok találhatók. A ház felső részébe hűtőborda van felszerelve. Ez egy fém tok. A folyamat végén a CPU úgy néz ki, mint egy fogyasztásra szánt késztermék.

Megjegyzés: a fém hűtőborda a modern nagysebességű félvezető eszközök kulcsfontosságú eleme. Korábban a hűtőbordák kerámia voltak, és nem használtak kényszerhűtést. Szükséges volt néhány 8086 és 80286 modellhez, valamint a 80386-tól kezdődő modellekhez. A processzorok korábbi generációi sokkal kevesebb tranzisztorral rendelkeztek.

Például a 8086 processzor 29 ezer tranzisztorral rendelkezett, míg a modern CPU-k több százmillió tranzisztorral rendelkeznek. A mai szabványok szerint egy ilyen kis számú tranzisztor nem termelt elegendő hőt ahhoz, hogy aktív hűtést igényeljen. Annak érdekében, hogy ezeket a processzorokat elkülönítsék az ilyen típusú hűtésre szorulóktól, a kerámia forgácsokat később "hűtőborda szükséges"márkanévvel látták el.

A Modern processzorok annyi hőt termelnek, hogy másodpercek alatt megolvadjanak. Csak egy nagy radiátorhoz és ventilátorhoz csatlakoztatott hűtőborda jelenléte teszi lehetővé számukra, hogy hosszú ideig működjenek.

A processzorok rendezése jellemzők szerint

A gyártás ezen szakaszában a processzor úgy néz ki, mintha egy boltban vásárolnák. A gyártási folyamat befejezéséhez azonban még egy szakasz szükséges. Válogatásnak hívják.

Ebben a szakaszban megmérjük az egyes CPU tényleges jellemzőit. Paraméterek, például feszültség, frekvencia, teljesítmény, hőelvezetés és egyéb jellemzők mérése.

A legjobb zsetonokat magasabb osztályú termékekként halasztják el. Nem csak eladják őket mint a leggyorsabb alkatrészek, hanem alacsony és ultra-alacsony feszültségű modellekként is.

A legjobb processzorok csoportjába nem tartozó chipeket gyakran alacsonyabb órajelű processzorokként értékesítik. Ezenkívül az alsó kategóriás négymagos processzorok két-vagy hárommagosként is értékesíthetők.

A processzor teljesítménye

A válogatás során meghatározzák a sebesség, a feszültség és a termikus jellemzők végső értékeit. Például egy szabványos hordozón a gyártott chipek csak 5% - a működhet 3,2 GHz-nél nagyobb frekvencián. Ugyanakkor a chipek 50% - a 2,8 GHz-es frekvencián működhet.

A processzorgyártók folyamatosan kiderítik azokat az okokat, amelyek miatt a gyártott processzorok nagy része 2,8 GHz-es frekvencián működik a szükséges 3,2 GHz helyett. Néha változtatásokat lehet végrehajtani a processzor kialakításában a teljesítmény növelése érdekében.

A termelés jövedelmezősége

A nyereségesség az üzleti a termelés a processzorok és a legtöbb félvezető elemek fekszik a tartományban 33-50 %. Ez azt jelenti, hogy az egyes hordozókon lévő lemezek legalább 1/3 - 1/2-A működik, és a vállalat ebben az esetben nyereséges.

Az Intel működési eredmény amikor a 45 nm-es technológia egy 300 mm-es hordozó 95 %. Ez azt jelenti, hogy ha 500 Szilícium ostyát lehet készíteni egy hordozóból, akkor 475 fog működni, és csak 25 kerül eldobásra. Minél több lemezt lehet beszerezni egy hordozóból, annál nagyobb nyereséget fog elérni a vállalat.

Ma használt Intel technológiák

Az új Intel technológiák alkalmazásának története a processzorok tömeggyártásához:

• 1999. – 180 nm;
• 2001. – 130 nm;
• 2003. – 90 nm;
• 2005. – 65 nm;
• 2007. – 45 nm;
• kétezer. – 32 nm;
• 2011. – 22 nm;
• 2014. – 14 nm;
• kettősházikinitini. - 10 nm (tervezett).

2018 elején. , Az Intel bejelentette a 10 nm-es processzorok tömegtermelésének elhalasztását 2019-re. Ennek oka a magas termelési költség. Jelenleg a vállalat továbbra is kis mennyiségben szállít 10 nm-es processzorokat.

Jellemezzük az Intel processzorok gyártási technológiáit a költségek szempontjából. A vállalat vezetése magyarázza a technológiai folyamat magas költségeit hosszú gyártási ciklussal, valamint számos maszk használatával. A 10 nm-es technológia mély ultraibolya litográfián (DUV) alapul, 193 nm hullámhosszon működő lézerek felhasználásával.

Extrém ultraibolya litográfia (EUV) 13,5 nm hullámhosszon működő lézerek felhasználásával fogják használni a 7 nm-es folyamathoz. Ennek a hullámhossznak köszönhetően elkerülhető a 10 nm-es eljáráshoz széles körben használt többminták használata.

A cég mérnökei úgy vélik, hogy jelenleg szükség van a DUV technológia polírozására, nem pedig közvetlenül a 7 nm-es folyamatra. Így a 10 nm-es technológiát használó processzorok.

Az AMD mikroprocesszor gyártásának kilátásai

Az Intel egyetlen igazi versenytársa "" . Az AMD jelenleg a processzorgyártó piacon van. Hibák miatt "Intel", a 10 nm-es technológiával kapcsolatban az AMD kissé javította pozícióját a piacon. Az Intel 10 nm-es eljárással történő tömegtermelése nagyon késő. Az AMD ismert, hogy harmadik felet használ a chipek előállításához. Most pedig van olyan helyzet, amikor az AMD a teljes 7 nm-t használja processzor gyártási technológia a termeléshez , amely nem rosszabb a fő versenytársánál.

A komplex logikához új technológiákat alkalmazó félvezető eszközök fő gyártói a tajvani Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), az amerikai GlobalFoundaries cég és a koreai Samsung Foundry.

Az AMD azt tervezi, hogy a TSMC-t kizárólag a következő generációs mikroprocesszorok gyártására használja. Ugyanakkor új technológiákat alkalmaznak a processzorok gyártására. A vállalat már számos terméket kiadott egy 7 nm-es eljárással, beleértve egy 7 nm-es grafikus processzort is. Az első a tervek szerint 2019-ben jelenik meg. 2 év alatt tervezik az 5 nm-es chipek tömegtermelését.

A GlobalFoundaries felhagyott a 7 nm-es folyamat fejlesztésével annak érdekében, hogy erőfeszítéseit a 14/12 nm-es folyamatok fejlesztésére összpontosítsa a gyorsan növekvő piacokra összpontosító ügyfelek számára. Az AMD további beruházásokat fektet be a GlobalFoundaries-be a jelenlegi generációs Ryzen, EPYC és Radeon AMD processzorok gyártásához.

Mikroprocesszor gyártás Oroszországban

A fő mikroelektronikai termelési létesítmények Zelenograd városaiban találhatók ("Micron", "Angström") és Moszkva ("Crocus"). Saját mikroelektronikai gyártás is elérhető Fehéroroszországban – a vállalat "Integral", 0,35 mikronos technológiai folyamat alkalmazásával.

A vállalatok feldolgozók gyártásával foglalkoznak Oroszországban "MCST" és "Baikal Electronics". Legújabb fejlesztés "MCST" - "Elbrus-8C"processzor. Ez egy 8 magos mikroprocesszor, amelynek órajele 1,1-1,3 GHz. Az orosz processzor teljesítménye 250 gigaflops (lebegőpontos műveletek másodpercenként). A vállalat képviselői azt állítják, hogy számos mutatóban a processzor még az iparág vezetőjével is versenyezhet-az Intel.

Feldolgozók gyártása "Elbrusz" folytatódik a modell "Elbrusz-16" 1,5 GHz frekvenciával (a névben szereplő numerikus index jelzi a magok számát). Ezeknek a mikroprocesszoroknak a tömeggyártását Tajvanon végzik. Ez segít csökkenteni az árat. Mint tudják, a vállalat termékeinek ára magas. Ugyanakkor az alkatrészek jellemzői jelentősen alacsonyabbak a gazdaság ezen ágazatának vezető vállalatainál. Eddig az ilyen processzorokat csak kormányzati szervezetekben és védelmi célokra használják. A 28 nm-es technológiai folyamatot E vonal processzorainak gyártási technológiájaként fogják használni .

"Baikal Electronics" ipari felhasználásra tervezett processzorokat gyárt. Ez különösen a modellre vonatkozik "Baikal T1". Alkalmazási területe Routerek, CNC rendszerek és irodai berendezések. A vállalat nem áll meg itt, és már fejleszt egy processzort személyi számítógépek – "Bajkál M". A jellemzőiről még kevés információ áll rendelkezésre. Ismeretes, hogy 8 magos processzorral rendelkezik, amely akár 8 grafikus magot is támogat. Ennek a mikroprocesszornak az előnye az energiahatékonyság.