Ένα τρανζίστορ επεξεργαστή κάτω από ένα μικροσκόπιο. Σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές. ΠΟΥ κατασκευάζονται οι επεξεργαστές Intel;

Οι ρίζες του ψηφιακού τρόπου ζωής μας προέρχονται σίγουρα από τους ημιαγωγούς, οι οποίοι επέτρεψαν τη δημιουργία σύνθετων υπολογιστικών τσιπ που βασίζονται σε τρανζίστορ. Αποθηκεύουν και επεξεργάζονται δεδομένα, τα οποία αποτελούν τη βάση των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών. Οι ημιαγωγοί, που κατασκευάζονται σήμερα από άμμο, αποτελούν βασικό συστατικό σχεδόν σε κάθε ηλεκτρονική συσκευή, από υπολογιστές μέχρι φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα. Ακόμη και τα αυτοκίνητα δεν μπορούν πλέον χωρίς ημιαγωγούς και ηλεκτρονικά, αφού οι ημιαγωγοί ελέγχουν το σύστημα κλιματισμού, τη διαδικασία ψεκασμού καυσίμου, την ανάφλεξη, την ηλιοροφή, τους καθρέφτες ακόμα και το τιμόνι (BMW Active Steering). Σήμερα, σχεδόν κάθε συσκευή που καταναλώνει ενέργεια βασίζεται σε ημιαγωγούς.

Οι μικροεπεξεργαστές είναι αναμφίβολα από τα πιο πολύπλοκα προϊόντα ημιαγωγών, με τον αριθμό των τρανζίστορ να φτάσει σύντομα το ένα δισεκατομμύριο και το εύρος της λειτουργικότητας να είναι ήδη εκπληκτικό σήμερα. Οι επεξεργαστές διπλού πυρήνα Core 2 θα κυκλοφορήσουν σύντομα στην σχεδόν ολοκληρωμένη τεχνολογία διεργασιών 45 nm της Intel και θα περιέχουν ήδη 410 εκατομμύρια τρανζίστορ (αν και τα περισσότερα από αυτά θα χρησιμοποιηθούν για τη μνήμη cache των 6 MB L2). Η διαδικασία των 45 nm ονομάζεται για το μέγεθος ενός μόνο τρανζίστορ, το οποίο είναι τώρα περίπου 1.000 φορές μικρότερο από τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας. Σε κάποιο βαθμό, αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ηλεκτρονικά αρχίζουν να ελέγχουν τα πάντα στη ζωή μας: ακόμη και όταν τα μεγέθη των τρανζίστορ ήταν μεγαλύτερα, ήταν πολύ φθηνό να παράγουμε όχι πολύ περίπλοκα μικροκυκλώματα, ο προϋπολογισμός για τρανζίστορ ήταν πολύ μεγάλος.

Στο άρθρο μας θα δούμε τα βασικά της κατασκευής μικροεπεξεργαστών, αλλά θα αγγίξουμε επίσης την ιστορία των επεξεργαστών, την αρχιτεκτονική και θα δούμε τα διάφορα προϊόντα στην αγορά. Μπορείτε να βρείτε πολλές ενδιαφέρουσες πληροφορίες στο Διαδίκτυο, μερικές από τις οποίες παρατίθενται παρακάτω.

• Βικιπαίδεια: Μικροεπεξεργαστής. Αυτό το άρθρο καλύπτει διαφορετικούς τύπους επεξεργαστών και παρέχει συνδέσμους προς κατασκευαστές και πρόσθετες σελίδες Wiki αφιερωμένες σε επεξεργαστές.
• Wikipedia: Μικροεπεξεργαστές (Κατηγορία). Δείτε την ενότητα για τους μικροεπεξεργαστές για ακόμα περισσότερες συνδέσεις και πληροφορίες.

Ανταγωνιστές υπολογιστή: AMD και Intel

Τα κεντρικά γραφεία της Advanced Micro Devices Inc., που ιδρύθηκαν το 1969, βρίσκονται στο Sunnyvale της Καλιφόρνια και η «καρδιά» της Intel, η οποία ιδρύθηκε μόλις ένα χρόνο νωρίτερα, βρίσκεται λίγα χιλιόμετρα μακριά στην πόλη Santa Clara. Η AMD διαθέτει σήμερα δύο εργοστάσια: στο Ώστιν (Τέξας, ΗΠΑ) και στη Δρέσδη (Γερμανία). Το νέο εργοστάσιο θα τεθεί σε λειτουργία σύντομα. Επιπλέον, η AMD ένωσε τις δυνάμεις της με την IBM στην ανάπτυξη και κατασκευή τεχνολογίας επεξεργαστών. Φυσικά, όλα αυτά είναι ένα κλάσμα του μεγέθους της Intel, καθώς ο ηγέτης της αγοράς λειτουργεί πλέον σχεδόν 20 εργοστάσια σε εννέα τοποθεσίες. Περίπου τα μισά από αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μικροεπεξεργαστών. Όταν λοιπόν συγκρίνετε την AMD και την Intel, θυμηθείτε ότι συγκρίνετε τον David και τον Goliath.

Η Intel έχει ένα αναμφισβήτητο πλεονέκτημα με τη μορφή τεράστιας παραγωγικής ικανότητας. Ναι, η εταιρεία σήμερα κατέχει ηγετική θέση στην εφαρμογή προηγμένων τεχνολογικών διαδικασιών. Η Intel είναι περίπου ένα χρόνο μπροστά από την AMD από αυτή την άποψη. Ως αποτέλεσμα, η Intel μπορεί να χρησιμοποιεί περισσότερα τρανζίστορ και περισσότερη κρυφή μνήμη στους επεξεργαστές της. Η AMD, σε αντίθεση με την Intel, πρέπει να βελτιστοποιήσει την τεχνική της διαδικασία όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά, προκειμένου να συμβαδίσει με τους ανταγωνιστές της και να παράγει αξιοπρεπείς επεξεργαστές. Φυσικά, ο σχεδιασμός των επεξεργαστών και η αρχιτεκτονική τους είναι πολύ διαφορετικοί, αλλά η τεχνική διαδικασία κατασκευής βασίζεται στις ίδιες βασικές αρχές. Αν και, φυσικά, υπάρχουν πολλές διαφορές σε αυτό.

Κατασκευή μικροεπεξεργαστή

Η παραγωγή μικροεπεξεργαστών αποτελείται από δύο σημαντικά στάδια. Το πρώτο είναι η παραγωγή του υποστρώματος, το οποίο η AMD και η Intel πραγματοποιούν στα εργοστάσιά τους. Αυτό περιλαμβάνει την παροχή αγώγιμων ιδιοτήτων στο υπόστρωμα. Το δεύτερο στάδιο είναι η δοκιμή υποστρώματος, η συναρμολόγηση και η συσκευασία του επεξεργαστή. Η τελευταία επέμβαση γίνεται συνήθως σε λιγότερο ακριβές χώρες. Αν κοιτάξετε τους επεξεργαστές Intel, θα βρείτε μια επιγραφή ότι η συσκευασία πραγματοποιήθηκε στην Κόστα Ρίκα, τη Μαλαισία, τις Φιλιππίνες κ.λπ.

Η AMD και η Intel προσπαθούν σήμερα να κυκλοφορήσουν προϊόντα για τον μέγιστο αριθμό τμημάτων της αγοράς και, επιπλέον, με βάση την ελάχιστη δυνατή γκάμα κρυστάλλων. Ένα εξαιρετικό παράδειγμα είναι η σειρά επεξεργαστών Intel Core 2 Duo. Υπάρχουν τρεις επεξεργαστές με κωδικές ονομασίες για διαφορετικές αγορές: Merom για εφαρμογές για κινητά, Conroe για επιτραπέζια έκδοση, Woodcrest για έκδοση διακομιστή. Και οι τρεις επεξεργαστές είναι κατασκευασμένοι στην ίδια τεχνολογική βάση, η οποία επιτρέπει στον κατασκευαστή να λαμβάνει αποφάσεις στα τελικά στάδια της παραγωγής. Μπορείτε να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε τις λειτουργίες και το τρέχον επίπεδο ταχυτήτων ρολογιού δίνει στην Intel ένα εξαιρετικό ποσοστό χρησιμοποιήσιμων κρυστάλλων. Εάν υπάρχει αυξημένη ζήτηση στην αγορά για κινητούς επεξεργαστές, η Intel μπορεί να επικεντρωθεί στην κυκλοφορία μοντέλων Socket 479 Εάν αυξηθεί η ζήτηση για μοντέλα επιτραπέζιου υπολογιστή, η εταιρεία θα δοκιμάσει, θα επικυρώσει και θα συσκευάσει για το Socket 775, ενώ οι επεξεργαστές διακομιστών συσκευάζονται για το Socket 771. Δημιουργούνται τετραπύρηνες επεξεργαστές: δύο τσιπ διπλού πυρήνα είναι εγκατεστημένα σε ένα πακέτο, οπότε έχουμε τέσσερις πυρήνες.

Πώς δημιουργούνται τα τσιπ

Η παραγωγή τσιπ περιλαμβάνει την εναπόθεση λεπτών στρωμάτων με πολύπλοκα «μοτίβα» σε υποστρώματα πυριτίου. Αρχικά, δημιουργείται ένα μονωτικό στρώμα που λειτουργεί ως ηλεκτρική πύλη. Στη συνέχεια εφαρμόζεται φωτοανθεκτικό υλικό από πάνω και οι ανεπιθύμητες περιοχές αφαιρούνται χρησιμοποιώντας μάσκες και ακτινοβολία υψηλής έντασης. Όταν αφαιρεθούν οι ακτινοβολημένες περιοχές, θα εκτεθούν περιοχές διοξειδίου του πυριτίου από κάτω, το οποίο αφαιρείται με χάραξη. Μετά από αυτό, αφαιρείται επίσης το φωτοανθεκτικό υλικό και αποκτάμε μια συγκεκριμένη δομή στην επιφάνεια του πυριτίου. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται πρόσθετες διαδικασίες φωτολιθογραφίας, με διαφορετικά υλικά, μέχρι να επιτευχθεί η επιθυμητή τρισδιάστατη δομή. Κάθε στρώμα μπορεί να εμποτιστεί με μια συγκεκριμένη ουσία ή ιόντα, αλλάζοντας τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Τα παράθυρα δημιουργούνται σε κάθε στρώμα έτσι ώστε στη συνέχεια να γίνονται μεταλλικές συνδέσεις.

Όσον αφορά την παραγωγή υποστρωμάτων, αυτά πρέπει να κοπούν από έναν μονοκύλινδρο μονοκρυστάλλο σε λεπτές «τηγανίτες» έτσι ώστε στη συνέχεια να μπορούν να κοπούν εύκολα σε μεμονωμένα τσιπς επεξεργαστή. Σε κάθε στάδιο της παραγωγής, εκτελούνται σύνθετες δοκιμές για την αξιολόγηση της ποιότητας. Για τη δοκιμή κάθε τσιπ στο υπόστρωμα χρησιμοποιούνται ηλεκτρικοί ανιχνευτές. Τέλος, το υπόστρωμα κόβεται σε μεμονωμένους πυρήνες και οι πυρήνες που δεν λειτουργούν αφαιρούνται αμέσως. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά, ο πυρήνας γίνεται ένας ή ο άλλος επεξεργαστής και συσκευάζεται σε ένα πακέτο που διευκολύνει την εγκατάσταση του επεξεργαστή στη μητρική πλακέτα. Όλες οι λειτουργικές μονάδες υποβάλλονται σε εντατικά stress tests.

Όλα ξεκινούν από τα υποστρώματα

Το πρώτο βήμα στην κατασκευή επεξεργαστών γίνεται σε καθαρό δωμάτιο. Παρεμπιπτόντως, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι μια τέτοια παραγωγή υψηλής τεχνολογίας αντιπροσωπεύει μια συσσώρευση τεράστιου κεφαλαίου ανά τετραγωνικό μέτρο. Η κατασκευή ενός σύγχρονου εργοστασίου με όλο τον εξοπλισμό κοστίζει εύκολα 2-3 δισεκατομμύρια δολάρια και οι δοκιμαστικές σειρές νέων τεχνολογιών απαιτούν αρκετούς μήνες. Μόνο τότε μπορεί το εργοστάσιο να παράγει μαζικά επεξεργαστές.

Γενικά, η διαδικασία κατασκευής τσιπ αποτελείται από διάφορα στάδια επεξεργασίας πλακιδίων. Αυτό περιλαμβάνει τη δημιουργία των ίδιων των υποστρωμάτων, τα οποία τελικά θα κοπούν σε μεμονωμένους κρυστάλλους.

Όλα ξεκινούν με την ανάπτυξη ενός μόνο κρυστάλλου, για τον οποίο ένας κρύσταλλος σπόρων είναι ενσωματωμένος σε ένα λουτρό λιωμένου πυριτίου, το οποίο βρίσκεται ακριβώς πάνω από το σημείο τήξης του πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Είναι σημαντικό οι κρύσταλλοι να αναπτύσσονται αργά (περίπου μια μέρα) για να διασφαλιστεί ότι τα άτομα είναι σωστά διατεταγμένα. Το πολυκρυσταλλικό ή άμορφο πυρίτιο αποτελείται από πολλούς διαφορετικούς κρυστάλλους, οι οποίοι θα οδηγήσουν στην εμφάνιση ανεπιθύμητων επιφανειακών δομών με κακές ηλεκτρικές ιδιότητες. Μόλις λιώσει το πυρίτιο, μπορεί να εμποτιστεί με άλλες ουσίες που αλλάζουν τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Η όλη διαδικασία λαμβάνει χώρα σε ένα σφραγισμένο δωμάτιο με ειδική σύνθεση αέρα για να μην οξειδώνεται το πυρίτιο.

Το μονοκρύσταλλο κόβεται σε «τηγανίτες» χρησιμοποιώντας ένα πριόνι με τρύπες διαμαντιού, το οποίο είναι πολύ ακριβές και δεν δημιουργεί μεγάλες ανωμαλίες στην επιφάνεια του υποστρώματος. Φυσικά, η επιφάνεια των υποστρωμάτων δεν είναι ακόμα τελείως επίπεδη, επομένως απαιτούνται πρόσθετες επεμβάσεις.

Αρχικά, χρησιμοποιώντας περιστρεφόμενες χαλύβδινες πλάκες και ένα λειαντικό υλικό (όπως το οξείδιο του αλουμινίου), αφαιρείται ένα παχύ στρώμα από τα υποστρώματα (μια διαδικασία που ονομάζεται επικάλυψη). Ως αποτέλεσμα, εξαλείφονται οι ανωμαλίες που κυμαίνονται σε μέγεθος από 0,05 mm έως περίπου 0,002 mm (2.000 nm). Στη συνέχεια, θα πρέπει να στρογγυλοποιήσετε τις άκρες κάθε βάσης, καθώς οι αιχμηρές άκρες μπορούν να προκαλέσουν την αποκόλληση των στρωμάτων. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται μια διαδικασία χάραξης, όταν χρησιμοποιούνται διάφορες χημικές ουσίες (υδροφθορικό οξύ, οξικό οξύ, νιτρικό οξύ) η επιφάνεια λειαίνεται κατά περίπου 50 μικρά. Η επιφάνεια δεν υποβαθμίζεται φυσικά αφού η όλη διαδικασία είναι εντελώς χημική. Σας επιτρέπει να αφαιρέσετε τα εναπομείναντα σφάλματα στην κρυσταλλική δομή, με αποτέλεσμα μια επιφάνεια που είναι κοντά στην ιδανική.

Το τελευταίο βήμα είναι το γυάλισμα, το οποίο λειαίνει την επιφάνεια σε μέγιστη τραχύτητα 3 nm. Η στίλβωση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μείγμα υδροξειδίου του νατρίου και κοκκώδους πυριτίου.

Σήμερα, οι γκοφρέτες μικροεπεξεργαστή έχουν διάμετρο 200 mm ή 300 mm, επιτρέποντας στους κατασκευαστές τσιπ να παράγουν πολλαπλούς επεξεργαστές από τον καθένα. Το επόμενο βήμα θα είναι υποστρώματα 450 mm, αλλά δεν πρέπει να τα περιμένουμε πριν από το 2013. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος του υποστρώματος, τόσο περισσότερα τσιπς ίδιου μεγέθους μπορούν να παραχθούν. Μια γκοφρέτα 300 mm, για παράδειγμα, παράγει περισσότερους από δύο φορές περισσότερους επεξεργαστές από μια γκοφρέτα 200 mm.

Έχουμε ήδη αναφέρει το ντόπινγκ, το οποίο πραγματοποιείται κατά την ανάπτυξη ενός μόνο κρυστάλλου. Όμως το ντόπινγκ γίνεται τόσο με το έτοιμο υπόστρωμα όσο και κατά τις διαδικασίες φωτολιθογραφίας αργότερα. Αυτό σας επιτρέπει να αλλάξετε τις ηλεκτρικές ιδιότητες ορισμένων περιοχών και στρωμάτων και όχι ολόκληρης της κρυσταλλικής δομής

Η προσθήκη του προσμίκτη μπορεί να συμβεί μέσω διάχυσης. Τα άτομα του προσμίκτη γεμίζουν τον ελεύθερο χώρο μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα, μεταξύ των δομών πυριτίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατή η κράμα της υπάρχουσας δομής. Η διάχυση πραγματοποιείται με τη χρήση αερίων (άζωτο και αργό) ή με χρήση στερεών ή άλλων πηγών ουσίας κράματος.

Μια άλλη προσέγγιση στο ντόπινγκ είναι η εμφύτευση ιόντων, η οποία είναι πολύ χρήσιμη για την αλλαγή των ιδιοτήτων του υποστρώματος που έχει προστεθεί, καθώς η εμφύτευση ιόντων πραγματοποιείται σε κανονικές θερμοκρασίες. Επομένως, οι υπάρχουσες ακαθαρσίες δεν διαχέονται. Μπορείτε να εφαρμόσετε μια μάσκα στο υπόστρωμα, η οποία σας επιτρέπει να επεξεργαστείτε μόνο ορισμένες περιοχές. Φυσικά, μπορούμε να μιλήσουμε για εμφύτευση ιόντων για μεγάλο χρονικό διάστημα και να συζητήσουμε το βάθος διείσδυσης, την ενεργοποίηση του πρόσθετου σε υψηλές θερμοκρασίες, τα αποτελέσματα των καναλιών, τη διείσδυση σε επίπεδα οξειδίων κ.λπ., αλλά αυτό είναι πέρα ​​από το πεδίο του άρθρου μας. Η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί αρκετές φορές κατά τη διάρκεια της παραγωγής.

Για τη δημιουργία τμημάτων ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος, χρησιμοποιείται μια διαδικασία φωτολιθογραφίας. Δεδομένου ότι δεν είναι απαραίτητο να ακτινοβοληθεί ολόκληρη η επιφάνεια του υποστρώματος, είναι σημαντικό να χρησιμοποιείτε τις λεγόμενες μάσκες που μεταδίδουν ακτινοβολία υψηλής έντασης μόνο σε ορισμένες περιοχές. Οι μάσκες μπορούν να συγκριθούν με τα ασπρόμαυρα αρνητικά. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν πολλά στρώματα (20 ή περισσότερα) και καθένα από αυτά απαιτεί τη δική του μάσκα.

Μια δομή από λεπτό φιλμ χρωμίου εφαρμόζεται στην επιφάνεια μιας πλάκας από γυαλί χαλαζία για να δημιουργήσει ένα σχέδιο. Σε αυτή τη διαδικασία, ακριβά όργανα που χρησιμοποιούν ροή ηλεκτρονίων ή λέιζερ γράφουν τα απαραίτητα δεδομένα ολοκληρωμένου κυκλώματος, με αποτέλεσμα ένα σχέδιο χρωμίου στην επιφάνεια ενός υποστρώματος χαλαζία. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι κάθε τροποποίηση ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος οδηγεί στην ανάγκη παραγωγής νέων μάσκες, επομένως η όλη διαδικασία για την πραγματοποίηση αλλαγών είναι πολύ δαπανηρή. Για πολύ περίπλοκα σχήματα, οι μάσκες χρειάζονται πολύ χρόνο για να δημιουργηθούν.

Με τη χρήση φωτολιθογραφίας, σχηματίζεται μια δομή σε ένα υπόστρωμα πυριτίου. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές μέχρι να δημιουργηθούν πολλά στρώματα (πάνω από 20). Τα στρώματα μπορεί να αποτελούνται από διαφορετικά υλικά και πρέπει επίσης να σκεφτείτε τις συνδέσεις με μικροσκοπικά σύρματα. Όλα τα στρώματα μπορούν να είναι κράματα.

Πριν ξεκινήσει η διαδικασία της φωτολιθογραφίας, το υπόστρωμα καθαρίζεται και θερμαίνεται για να αφαιρεθούν τα κολλώδη σωματίδια και το νερό. Στη συνέχεια το υπόστρωμα επικαλύπτεται με διοξείδιο του πυριτίου χρησιμοποιώντας ειδική συσκευή. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται ένας παράγοντας σύζευξης στο υπόστρωμα, ο οποίος διασφαλίζει ότι το φωτοανθεκτικό υλικό που θα εφαρμοστεί στο επόμενο βήμα παραμένει στο υπόστρωμα. Εφαρμόζεται φωτοανθεκτικό υλικό στη μέση του υποστρώματος, το οποίο στη συνέχεια αρχίζει να περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα, έτσι ώστε το στρώμα να κατανέμεται ομοιόμορφα σε ολόκληρη την επιφάνεια του υποστρώματος. Στη συνέχεια, το υπόστρωμα θερμαίνεται ξανά.

Στη συνέχεια, μέσω της μάσκας, το κάλυμμα ακτινοβολείται με κβαντικό λέιζερ, σκληρή υπεριώδη ακτινοβολία, ακτίνες Χ, δέσμες ηλεκτρονίων ή ιόντων - όλες αυτές οι πηγές φωτός ή ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Οι δέσμες ηλεκτρονίων χρησιμοποιούνται κυρίως για τη δημιουργία μασκών, οι ακτίνες Χ και οι δέσμες ιόντων χρησιμοποιούνται για ερευνητικούς σκοπούς και η βιομηχανική παραγωγή σήμερα κυριαρχείται από σκληρή υπεριώδη ακτινοβολία και λέιζερ αερίου.

Η σκληρή UV ακτινοβολία με μήκος κύματος 13,5 nm ακτινοβολεί το φωτοανθεκτικό υλικό καθώς περνά μέσα από τη μάσκα.

Ο χρόνος προβολής και η εστίαση είναι πολύ σημαντικά για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Η κακή εστίαση θα έχει ως αποτέλεσμα την παραμονή περίσσειας σωματιδίων φωτοανθεκτικού υλικού, επειδή ορισμένες από τις οπές στη μάσκα δεν θα ακτινοβοληθούν σωστά. Το ίδιο θα συμβεί αν ο χρόνος προβολής είναι πολύ μικρός. Τότε η δομή του φωτοανθεκτικού υλικού θα είναι πολύ ευρεία, οι περιοχές κάτω από τις οπές θα είναι υποεκτεθειμένες. Από την άλλη πλευρά, ο υπερβολικός χρόνος προβολής δημιουργεί πολύ μεγάλες περιοχές κάτω από τις οπές και πολύ στενή δομή φωτοανθεκτικού υλικού. Κατά κανόνα, είναι πολύ εντατική και δύσκολη η προσαρμογή και η βελτιστοποίηση της διαδικασίας. Η ανεπιτυχής ρύθμιση θα οδηγήσει σε σοβαρές αποκλίσεις στους αγωγούς σύνδεσης.

Μια ειδική εγκατάσταση προβολής βήμα προς βήμα μετακινεί το υπόστρωμα στην επιθυμητή θέση. Στη συνέχεια, μπορεί να προβληθεί μια γραμμή ή ένα τμήμα, που τις περισσότερες φορές αντιστοιχεί σε ένα τσιπ επεξεργαστή. Πρόσθετες μικροεγκαταστάσεις ενδέχεται να επιφέρουν πρόσθετες αλλαγές. Μπορούν να διορθώσουν την υπάρχουσα τεχνολογία και να βελτιστοποιήσουν την τεχνική διαδικασία. Οι μικροεγκαταστάσεις συνήθως λειτουργούν σε περιοχές μικρότερες από 1 τετραγωνικό μέτρο. mm, ενώ οι συμβατικές εγκαταστάσεις καλύπτουν μεγαλύτερες επιφάνειες.

Το υπόστρωμα στη συνέχεια μετακινείται σε ένα νέο στάδιο όπου αφαιρείται το εξασθενημένο φωτοανθεκτικό υλικό, επιτρέποντας την πρόσβαση στο διοξείδιο του πυριτίου. Υπάρχουν διαδικασίες υγρής και ξηρής χάραξης που επεξεργάζονται περιοχές διοξειδίου του πυριτίου. Οι υγρές διεργασίες χρησιμοποιούν χημικές ενώσεις, ενώ οι ξηρές διεργασίες χρησιμοποιούν αέριο. Μια ξεχωριστή διαδικασία περιλαμβάνει την αφαίρεση υπολειμματικού φωτοανθεκτικού υλικού. Οι κατασκευαστές συχνά συνδυάζουν υγρή και στεγνή αφαίρεση για να διασφαλίσουν ότι το φωτοανθεκτικό υλικό αφαιρείται πλήρως. Αυτό είναι σημαντικό γιατί το φωτοανθεκτικό υλικό είναι οργανικό και αν δεν αφαιρεθεί μπορεί να προκαλέσει ελαττώματα στο υπόστρωμα. Μετά τη χάραξη και τον καθαρισμό, μπορείτε να αρχίσετε να επιθεωρείτε το υπόστρωμα, κάτι που συνήθως συμβαίνει σε κάθε σημαντικό στάδιο, ή να μεταφέρετε το υπόστρωμα σε νέο κύκλο φωτολιθογραφίας.

Δοκιμή υποστρώματος, συναρμολόγηση, συσκευασία

Τα τελειωμένα υποστρώματα δοκιμάζονται στις λεγόμενες εγκαταστάσεις δοκιμών ανιχνευτών. Λειτουργούν με ολόκληρο το υπόστρωμα. Επαφές ανιχνευτή εφαρμόζονται στις επαφές κάθε κρυστάλλου, επιτρέποντας τη διεξαγωγή ηλεκτρικών δοκιμών. Το λογισμικό ελέγχει όλες τις λειτουργίες κάθε πυρήνα.

Με την κοπή, μπορούν να ληφθούν μεμονωμένοι πυρήνες από το υπόστρωμα. Προς το παρόν, οι εγκαταστάσεις ελέγχου ανιχνευτών έχουν ήδη εντοπίσει ποιοι κρύσταλλοι περιέχουν σφάλματα, επομένως μετά την κοπή μπορούν να διαχωριστούν από τους καλούς. Προηγουμένως, οι κατεστραμμένοι κρύσταλλοι σημειώνονταν φυσικά, αλλά τώρα δεν υπάρχει ανάγκη για αυτό, όλες οι πληροφορίες αποθηκεύονται σε μια ενιαία βάση δεδομένων.

Κρυστάλλινη βάση

Ο λειτουργικός πυρήνας πρέπει στη συνέχεια να συνδεθεί στη συσκευασία του επεξεργαστή χρησιμοποιώντας συγκολλητικό υλικό.

Στη συνέχεια, πρέπει να κάνετε συρμάτινες συνδέσεις συνδέοντας τις επαφές ή τα πόδια της συσκευασίας και τον ίδιο τον κρύσταλλο. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν συνδέσεις χρυσού, αλουμινίου ή χαλκού.

Οι περισσότεροι σύγχρονοι επεξεργαστές χρησιμοποιούν πλαστικές συσκευασίες με διανομέα θερμότητας.

Συνήθως ο πυρήνας είναι εγκλεισμένος σε κεραμικό ή πλαστικό για να αποφευχθεί η ζημιά. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές είναι εξοπλισμένοι με τον λεγόμενο διανομέα θερμότητας, ο οποίος παρέχει πρόσθετη προστασία για το τσιπ, καθώς και μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής με το ψυγείο.

Δοκιμή CPU

Το τελευταίο στάδιο περιλαμβάνει τη δοκιμή του επεξεργαστή, η οποία συμβαίνει σε υψηλές θερμοκρασίες, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του επεξεργαστή. Ο επεξεργαστής εγκαθίσταται αυτόματα στην πρίζα δοκιμής, μετά την οποία αναλύονται όλες οι απαραίτητες λειτουργίες.

Η παραγωγή μικροκυκλωμάτων είναι μια πολύ δύσκολη υπόθεση και το κλειστό αυτής της αγοράς υπαγορεύεται κυρίως από τα χαρακτηριστικά της κυρίαρχης τεχνολογίας φωτολιθογραφίας σήμερα. Μικροσκοπικά ηλεκτρονικά κυκλώματα προβάλλονται σε μια γκοφρέτα πυριτίου μέσω φωτομάσκας, το κόστος καθεμιάς από τις οποίες μπορεί να φτάσει τα 200.000 δολάρια Εν τω μεταξύ, απαιτούνται τουλάχιστον 50 τέτοιες μάσκες για την κατασκευή ενός τσιπ. Προσθέστε σε αυτό το κόστος της «δοκιμής και λάθους» κατά την ανάπτυξη νέων μοντέλων και θα καταλάβετε ότι μόνο πολύ μεγάλες εταιρείες μπορούν να παράγουν επεξεργαστές σε πολύ μεγάλες ποσότητες.

Τι πρέπει να κάνουν τα επιστημονικά εργαστήρια και οι νεοσύστατες επιχειρήσεις υψηλής τεχνολογίας που χρειάζονται μη τυποποιημένα σχέδια; Τι πρέπει να κάνουμε για τον στρατό, για τον οποίο η αγορά επεξεργαστών από έναν «πιθανό εχθρό» δεν είναι, για να το θέσω ήπια, comme il faut;

Επισκεφθήκαμε το ρωσικό εργοστάσιο παραγωγής της ολλανδικής εταιρείας Mapper, χάρη στην οποία η παραγωγή μικροκυκλωμάτων μπορεί να πάψει να είναι η παρτίδα των ουρανίων και να μετατραπεί σε δραστηριότητα για απλούς θνητούς. Λοιπόν, ή σχεδόν απλό. Εδώ, στο έδαφος της Τεχνόπολης της Μόσχας, με την οικονομική υποστήριξη της Rusnano Corporation, παράγεται ένα βασικό συστατικό της τεχνολογίας Mapper - το ηλεκτρονικό οπτικό σύστημα.

Ωστόσο, πριν κατανοήσουμε τις αποχρώσεις της λιθογραφίας χωρίς μάσκα Mapper, αξίζει να θυμηθούμε τα βασικά της συμβατικής φωτολιθογραφίας.

Αδέξιο φως

Ένας σύγχρονος επεξεργαστής Intel Core i7 μπορεί να περιέχει περίπου 2 δισεκατομμύρια τρανζίστορ (ανάλογα με το μοντέλο), καθένα από τα οποία έχει μέγεθος 14 nm. Επιδιώκοντας την υπολογιστική ισχύ, οι κατασκευαστές μειώνουν κάθε χρόνο το μέγεθος των τρανζίστορ και αυξάνουν τον αριθμό τους. Το πιθανό τεχνολογικό όριο σε αυτή τη φυλή μπορεί να θεωρηθεί τα 5 nm: σε τέτοιες αποστάσεις αρχίζουν να εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα, λόγω των οποίων τα ηλεκτρόνια στα γειτονικά κύτταρα μπορούν να συμπεριφέρονται απρόβλεπτα.

Για να εναποθέσουν μικροσκοπικές δομές ημιαγωγών σε μια γκοφρέτα πυριτίου, χρησιμοποιούν μια διαδικασία παρόμοια με τη χρήση μιας φωτογραφικής μεγέθυνσης. Εκτός κι αν ο στόχος του είναι το αντίθετο - να κάνει την εικόνα όσο το δυνατόν μικρότερη. Η πλάκα (ή προστατευτική μεμβράνη) καλύπτεται με φωτοανθεκτικό - ένα πολυμερές φωτοευαίσθητο υλικό που αλλάζει τις ιδιότητές του όταν ακτινοβολείται με φως. Το απαιτούμενο σχέδιο τσιπ εκτίθεται σε ένα φωτοανθεκτικό μέσω μιας μάσκας και ενός φακού συλλογής. Οι τυπωμένες γκοφρέτες είναι συνήθως τέσσερις φορές μικρότερες από τις μάσκες.

Ουσίες όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό ενεργειακό τους επίπεδο. Σχηματίζουν όμορφους κρυστάλλους που μοιάζουν με μέταλλο. Όμως, σε αντίθεση με το μέταλλο, δεν άγουν ηλεκτρισμό: όλα τα ηλεκτρόνια τους εμπλέκονται σε ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς και δεν μπορούν να κινηθούν. Ωστόσο, όλα αλλάζουν εάν προσθέσετε σε αυτά λίγη ακαθαρσία δότη από μια ουσία με πέντε ηλεκτρόνια στο εξωτερικό επίπεδο (φώσφορο ή αρσενικό). Τέσσερα ηλεκτρόνια συνδέονται με το πυρίτιο, αφήνοντας ένα ελεύθερο. Το πυρίτιο με ακαθαρσία δότη (n-type) είναι καλός αγωγός. Εάν προσθέσετε μια ακαθαρσία δέκτη από μια ουσία με τρία ηλεκτρόνια στο εξωτερικό επίπεδο (βόριο, ίνδιο) στο πυρίτιο, σχηματίζονται "οπές" με παρόμοιο τρόπο, ένα εικονικό ανάλογο θετικού φορτίου. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για ημιαγωγό τύπου p. Συνδέοντας αγωγούς τύπου p και n, παίρνουμε μια δίοδο - μια συσκευή ημιαγωγών που περνάει ρεύμα προς μία μόνο κατεύθυνση. Ο συνδυασμός p-n-p ή n-p-n μας δίνει ένα τρανζίστορ - ρεύμα ρέει μέσα από αυτό μόνο εάν εφαρμόζεται μια συγκεκριμένη τάση στον κεντρικό αγωγό.

Η διάθλαση του φωτός κάνει τις δικές της προσαρμογές σε αυτή τη διαδικασία: η δέσμη, περνώντας μέσα από τις τρύπες της μάσκας, διαθλάται ελαφρά και αντί για ένα σημείο, εκτίθεται μια σειρά από ομόκεντρους κύκλους, σαν από μια πέτρα που πετάχτηκε σε μια πισίνα. . Ευτυχώς, η περίθλαση σχετίζεται αντιστρόφως με το μήκος κύματος, κάτι που εκμεταλλεύονται οι μηχανικοί χρησιμοποιώντας υπεριώδες φως με μήκος κύματος 195 nm. Γιατί όχι ακόμη λιγότερο; Απλώς το μικρότερο κύμα δεν θα διαθλαστεί από τον συλλεκτικό φακό, οι ακτίνες θα περάσουν χωρίς να εστιάσουν. Είναι επίσης αδύνατο να αυξηθεί η ικανότητα συλλογής του φακού - η σφαιρική εκτροπή δεν θα το επιτρέψει: κάθε ακτίνα θα περάσει από τον οπτικό άξονα στο δικό της σημείο, διαταράσσοντας την εστίαση.

Το μέγιστο πλάτος περιγράμματος που μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας φωτολιθογραφία είναι 70 nm. Τα τσιπ υψηλότερης ανάλυσης εκτυπώνονται σε διάφορα βήματα: εφαρμόζονται περιγράμματα 70 νανομέτρων, χαράσσεται το κύκλωμα και, στη συνέχεια, το επόμενο τμήμα εκτίθεται μέσω μιας νέας μάσκας.

Επί του παρόντος βρίσκεται σε εξέλιξη η τεχνολογία φωτολιθογραφίας βαθιάς υπεριώδους, που χρησιμοποιεί φως με ακραίο μήκος κύματος περίπου 13,5 nm. Η τεχνολογία περιλαμβάνει τη χρήση κενού και πολυστρωματικών κατόπτρων με ανάκλαση που βασίζεται σε παρεμβολές μεταξύ των στρωμάτων. Η μάσκα επίσης δεν θα είναι ένα ημιδιαφανές, αλλά ένα ανακλαστικό στοιχείο. Οι καθρέφτες είναι απαλλαγμένοι από το φαινόμενο της διάθλασης, επομένως μπορούν να λειτουργήσουν με φως οποιουδήποτε μήκους κύματος. Αλλά προς το παρόν αυτό είναι απλώς μια ιδέα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον.

Πώς κατασκευάζονται οι επεξεργαστές σήμερα

Μια τέλεια γυαλισμένη στρογγυλή γκοφρέτα σιλικόνης με διάμετρο 30 cm είναι επικαλυμμένη με ένα λεπτό στρώμα φωτοανθεκτικού. Η φυγόκεντρη δύναμη βοηθά στην ομοιόμορφη κατανομή του φωτοανθεκτικού.

Το μελλοντικό κύκλωμα εκτίθεται σε ένα φωτοανθεκτικό μέσω μιας μάσκας. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές επειδή παράγονται πολλά τσιπς από μια γκοφρέτα.

Το τμήμα του φωτοανθεκτικού που έχει εκτεθεί στην υπεριώδη ακτινοβολία γίνεται διαλυτό και μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί χρησιμοποιώντας χημικά.

Οι περιοχές της γκοφρέτας πυριτίου που δεν προστατεύονται από φωτοανθεκτικό είναι χαραγμένες χημικά. Στη θέση τους σχηματίζονται καταθλίψεις.

Ένα στρώμα φωτοανθεκτικού εφαρμόζεται ξανά στη γκοφρέτα. Αυτή τη φορά, η έκθεση εκθέτει εκείνες τις περιοχές που θα υποστούν βομβαρδισμό ιόντων.

Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα ιόντα ακαθαρσίας επιταχύνονται σε ταχύτητες άνω των 300.000 km/h και διεισδύουν στο πυρίτιο, δίνοντάς του τις ιδιότητες ενός ημιαγωγού.

Αφού αφαιρέσετε το υπόλοιπο φωτοανθεκτικό, τα τελειωμένα τρανζίστορ παραμένουν στη γκοφρέτα. Από πάνω εφαρμόζεται ένα στρώμα διηλεκτρικού, στο οποίο οι οπές για τις επαφές είναι χαραγμένες χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία.

Η πλάκα τοποθετείται σε διάλυμα θειικού χαλκού και εφαρμόζεται ένα αγώγιμο στρώμα σε αυτό χρησιμοποιώντας ηλεκτρόλυση. Στη συνέχεια, ολόκληρο το στρώμα αφαιρείται με λείανση, αλλά οι επαφές στις οπές παραμένουν.

Οι επαφές συνδέονται με ένα πολυώροφο δίκτυο μεταλλικών «καλωδίων». Ο αριθμός των "ορόφων" μπορεί να φτάσει τα 20 και το συνολικό διάγραμμα καλωδίωσης ονομάζεται αρχιτεκτονική επεξεργαστή.

Μόνο που τώρα το πιάτο κόβεται σε πολλές μεμονωμένες μάρκες. Κάθε "κρύσταλλο" δοκιμάζεται και μόνο τότε τοποθετείται σε μια σανίδα με επαφές και καλύπτεται με ασημί καπάκι ψυγείου.

13.000 τηλεοράσεις

Μια εναλλακτική λύση στη φωτολιθογραφία είναι η ηλεκτρολιθογραφία, όταν η έκθεση δεν γίνεται με φως, αλλά από ηλεκτρόνια, και όχι από φωτοανθεκτικό, αλλά από ηλεκτροανθεκτικό. Η δέσμη ηλεκτρονίων εστιάζεται εύκολα σε ένα σημείο ελάχιστου μεγέθους, έως και 1 nm. Η τεχνολογία είναι παρόμοια με έναν καθοδικό σωλήνα σε μια τηλεόραση: ένα εστιασμένο ρεύμα ηλεκτρονίων εκτρέπεται από πηνία ελέγχου, ζωγραφίζοντας μια εικόνα σε μια γκοφρέτα πυριτίου.

Μέχρι πρόσφατα, αυτή η τεχνολογία δεν μπορούσε να ανταγωνιστεί την παραδοσιακή μέθοδο λόγω της χαμηλής ταχύτητάς της. Για να αντιδράσει ένα ηλεκτροαντίσταση στην ακτινοβολία, πρέπει να δέχεται έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων ανά μονάδα επιφάνειας, έτσι ώστε μια δέσμη να μπορεί να εκθέσει στην καλύτερη περίπτωση 1 cm2/h. Αυτό είναι αποδεκτό για μεμονωμένες παραγγελίες από εργαστήρια, αλλά δεν ισχύει στη βιομηχανία.

Δυστυχώς, είναι αδύνατο να λυθεί το πρόβλημα αυξάνοντας την ενέργεια της δέσμης: όπως τα φορτία απωθούν το ένα το άλλο, έτσι καθώς αυξάνεται το ρεύμα, η δέσμη ηλεκτρονίων γίνεται ευρύτερη. Αλλά μπορείτε να αυξήσετε τον αριθμό των ακτίνων εκθέτοντας πολλές ζώνες ταυτόχρονα. Και αν πολλά είναι 13.000, όπως στην τεχνολογία Mapper, τότε, σύμφωνα με τους υπολογισμούς, είναι δυνατή η εκτύπωση δέκα πλήρεις μάρκες ανά ώρα.

Φυσικά, ο συνδυασμός 13.000 καθοδικών σωλήνων σε μία συσκευή θα ήταν αδύνατος. Στην περίπτωση του Mapper, η ακτινοβολία από την πηγή κατευθύνεται σε έναν φακό collimator, ο οποίος σχηματίζει μια ευρεία παράλληλη δέσμη ηλεκτρονίων. Στο πέρασμά του υπάρχει μια μήτρα διαφράγματος, η οποία τη μετατρέπει σε 13.000 μεμονωμένες ακτίνες. Οι δοκοί περνούν μέσα από την πιο κενή μήτρα - μια γκοφρέτα πυριτίου με 13.000 τρύπες. Ένα ηλεκτρόδιο εκτροπής βρίσκεται κοντά σε καθένα από αυτά. Εάν εφαρμοστεί ρεύμα σε αυτό, τα ηλεκτρόνια «χάνουν» την τρύπα τους και μία από τις 13.000 δέσμες απενεργοποιείται.

Αφού περάσουν τα κενά, οι ακτίνες κατευθύνονται σε μια μήτρα εκτροπέων, καθένας από τους οποίους μπορεί να εκτρέψει τη δέσμη του μερικά μικρά προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά σε σχέση με την κίνηση της πλάκας (άρα το Mapper εξακολουθεί να μοιάζει με 13.000 σωλήνες εικόνας). Τέλος, κάθε δέσμη εστιάζεται περαιτέρω από τον δικό της μικροφακό και στη συνέχεια κατευθύνεται σε ένα ηλεκτροαντίσταση. Μέχρι σήμερα, η τεχνολογία Mapper έχει δοκιμαστεί στο γαλλικό ερευνητικό ινστιτούτο μικροηλεκτρονικής CEA-Leti και στην TSMC, η οποία παράγει μικροεπεξεργαστές για κορυφαίους παίκτες της αγοράς (συμπεριλαμβανομένου του Apple iPhone 6S). Βασικά εξαρτήματα του συστήματος, συμπεριλαμβανομένων ηλεκτρονικών φακών πυριτίου, κατασκευάζονται στο εργοστάσιο της Μόσχας.

Η τεχνολογία Mapper υπόσχεται νέες προοπτικές όχι μόνο για ερευνητικά εργαστήρια και μικρής κλίμακας (συμπεριλαμβανομένης της στρατιωτικής) παραγωγή, αλλά και για μεγάλους παίκτες. Επί του παρόντος, για τη δοκιμή πρωτοτύπων νέων επεξεργαστών, είναι απαραίτητο να κατασκευαστούν ακριβώς οι ίδιες μάσκες φωτογραφίας όπως για τη μαζική παραγωγή. Η δυνατότητα δημιουργίας πρωτότυπων κυκλωμάτων σχετικά γρήγορα υπόσχεται όχι μόνο να μειώσει το κόστος ανάπτυξης, αλλά και να επιταχύνει την πρόοδο στον τομέα. Κάτι που τελικά ωφελεί τον μαζικό καταναλωτή ηλεκτρονικών ειδών, δηλαδή όλους εμάς.

iPhone 4S. Η σύγκριση έγινε με βάση την ταχύτητα επεξεργασίας πληροφοριών και τη γραφική ισχύ των συσκευών. Ο επεξεργαστής A6 δίνει αυτή την προτεραιότητα στο νέο προϊόν. Μετά τη δοκιμή χρησιμοποιώντας Javascript και Geekbench, μπορούμε να πούμε με ασφάλεια ότι το A6 βάζει το iPhone 5 πολύ μπροστά από τους ανταγωνιστές του.

Σε επαφή με

Προφανώς, το A6 είναι σήμερα και το iPhone 5 δεν είναι μόνο από πλευράς ισχύος, αλλά φυσικά είναι το πρώτο τηλέφωνο στην πλατφόρμα ARM Cortex. Με άλλα λόγια, το iPhone 5 είναι πλήρως προσαρμοσμένο για να εκτελεί απολύτως όλες τις εργασίες της Apple. Εκτός από δύο πυρήνες CPU, το smartphone είναι εξοπλισμένο με τρεις πυρήνες GPU. Όπως αναφέρουν συνάδελφοι από το iFixit, για να μάθουν τη δομή του επεξεργαστή Α6 και να το δείξουν στον κόσμο, ειδικοί της Chipworks χρησιμοποίησαν ακριβό εξοπλισμό που χαράσσει υλικά με δέσμη ιόντων. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιεί δέσμες ιόντων για τη διαδοχική μελέτη στρωμάτων αντικειμένων ημιαγωγών, παρέχοντας έτσι τα πιο ακριβή και κατανοητά αποτελέσματα.
Αρχικά, η Chipworks ανακάλυψε ότι το A6 κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία διαδικασίας 32 nm από τη Samsung HKMG CMOS. Παρεμπιπτόντως, η ίδια τεχνική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε από την Apple και τη Samsung για την παραγωγή του επεξεργαστή A5 στο Apple TV και το iPad 2. Χάρη σε ένα νέο, πιο ισχυρό μικροσκόπιο, οι τεχνίτες της Chipworks μπόρεσαν να αποκτήσουν ακριβή προφίλ NMOS και PMOS συσκευές στο τσιπ A6. Το όπλο ηλεκτρονίων μέσα σε αυτό το μικροσκόπιο βασίζεται στις αρχές της κβαντικής μηχανικής, η οποία παρέχει υψηλή ανάλυση κατά την εξέταση του τσιπ. Οι ειδικοί της Chipworks ανακάλυψαν επίσης έναν κωδικοποιητή ήχου Apple 338S1077 Cirrus (ενισχυτής ήχου κατηγορίας D), μια μονάδα Wi-Fi Murata 339S0171, ένα μόντεμ Qualcomm MDM9615 LTE και έναν πομποδέκτη RF πολλαπλών ζωνών/λειτουργίας Qualcomm RTR8600. Η μονάδα Wi-Fi της Murata αξίζει σίγουρα την προσοχή:

Ο Murata ενώνει όλα τα εξαρτήματα μαζί, τα στέλνει στο Foxconn, όπου τελικά μετατρέπονται σε μια ολοκληρωμένη πλακέτα για το iPhone. Αναλύοντας τα εξαρτήματα, οι ειδικοί της Chipworks είπαν συνοπτικά: «Ο Μουράτα χτίζει ένα σπίτι γεμάτο με έπιπλα κάποιου άλλου».

Όσον αφορά τη συσκευασία πολλαπλών τσιπ του επεξεργαστή Α6, αυτή, όπως ανακοινώθηκε, περιλαμβάνει 1 GB RAM από την Elpida (512 MB), δύο πυρήνες ARM και τρεις πυρήνες επεξεργαστή GPU. Οι διαστάσεις του τσιπ Α6 είναι οι εξής:

• πλάτος - 9,70 mm;
• ύψος - 9,97 mm;
• Η επιφάνεια του επεξεργαστή είναι 96,71 τετραγωνικά μέτρα. mm.

Οι μονάδες κάμερας iSight δημιουργήθηκαν από τη Sony και την OmniVision. Η Sony για την πίσω κάμερα του τηλεφώνου και η OmniVision επέβλεψαν τη δημιουργία της κάμερας βιντεοδιάσκεψης FaceTime 720p. Όσον αφορά τον επεξεργαστή ARM διπλού πυρήνα:

Σε σύγκριση με το προηγούμενο σχήμα τοποθέτησης του ίδιου πυρήνα, αυτή τη φορά οι πυρήνες του επεξεργαστή βίντεο βρίσκονται στο κάτω μέρος και οι ίδιοι οι πυρήνες ARM βρίσκονται μάλλον ασυνήθιστα.

Σε μεγαλύτερο βαθμό, τα λογικά μπλοκ εγκαθίστανται αυτόματα χρησιμοποιώντας τεχνολογία υπολογιστών. Ωστόσο, φαίνεται ότι ορισμένα μπλοκ πυρήνων ARM διορθώθηκαν με αυθαίρετο τρόπο, π.χ. ρυθμίστε χειροκίνητα. Τα νέα για την τυχαία διάταξη των επεξεργαστών ARM γεννούν και πάλι τη φήμη ότι η Apple έχει δημιουργήσει τελικά έναν προσαρμοσμένο επεξεργαστή ίδιου διαμετρήματος με τον νέο Cortex-A15 και τέτοιοι επεξεργαστές, αλλά μόνο με τυχαία διάταξη στο τσιπ, θα εμφανιστεί στην αγορά μέσα στα επόμενα χρόνια.
Αυτή η φωτογραφία δείχνει τη δομή των τρανζίστορ. Βλέπετε τις μικρές επαφές που βρίσκονται ανάμεσα στα τρανζίστορ; Αυτές είναι επαφές ενδιάμεσου επιπέδου. Είναι πραγματικά αισθητό; Τώρα σκεφτείτε πώς να τα δείτε χωρίς να χρησιμοποιήσετε ένα υπερισχυρό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Νομίζω ότι θα ήταν δίκαιο να υπενθυμίσουμε ότι η Samsung παραμένει ένας από τους σημαντικότερους προμηθευτές εξαρτημάτων για προϊόντα Apple. Και αυτό παρά το γεγονός ότι στην Apple, και ακόμη περισσότερο στην εσωτερική ομάδα μηχανικών της Apple Intrinsity και της PA Semi, δεν αρέσει πραγματικά το ενδιαφέρον του νοτιοκορεατικού γίγαντα για τη μαζική πώληση των τεχνολογιών και των εγκαταστάσεων παραγωγής του.

Όλοι κρατούσαν έναν συνηθισμένο μικροεπεξεργαστή στα χέρια τους, αλλά σχεδόν κανείς δεν θα σκεφτόταν να τον ανοίξει και να τον εξετάσει κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Αυτό ακριβώς έκανε ο Σουηδός δάσκαλος Kristian Storm για να δείξει στους μαθητές πώς λειτουργεί ένα μικροτσίπ. Οι φωτογραφίες είναι απλά εκπληκτικές: η ποιότητα σάς επιτρέπει να βλέπετε τα μεμονωμένα επίπεδα του επεξεργαστή. Προφανώς, περίπου αυτή η διαδικασία χρησιμοποιήθηκε από Σοβιετικούς μηχανικούς που αποσυναρμολόγησαν και αντέγραψαν τις δυτικές εξελίξεις. Περίπου το ίδιο πράγμα γίνεται τώρα για τη μελέτη των προϊόντων των ανταγωνιστών.

Όλες οι φωτογραφίες έχουν δυνατότητα κλικ και είναι διαθέσιμες σε υψηλή ανάλυση.

Ο Christian Storm χρησιμοποίησε έναν επεξεργαστή P-III. Αρχικά, ήταν απαραίτητο να αφαιρέσετε το ίδιο το μικροκύκλωμα από την πλαστική θήκη (μπλε), η οποία βρίσκεται στο κέντρο της πλακέτας κυκλώματος (πράσινο).

Όπως μπορείτε να δείτε στο πίσω μέρος της πλακέτας κυκλώματος, απαιτείται η έξοδος επαφών από τον μικροεπεξεργαστή - από κάθε επαφή στον επεξεργαστή ένα σήμα πηγαίνει σε μια ξεχωριστή ακίδα στην πλακέτα.

Στην αρχή ο Κρίστιαν σκέφτηκε ότι μπορούσε να διαχωρίσει τον μικροεπεξεργαστή με θερμότητα, αλλά δεν είχε τίποτα παρά μια άσχημη μυρωδιά. Στη συνέχεια έπρεπε να χρησιμοποιήσω ωμή βία και να κόψω την αντίστοιχη περιοχή. Χρησιμοποιώντας λαβίδα και νυστέρι, τράβηξε το τσιπ, προκαλώντας ελαφρά ζημιά στη διαδικασία (ωστόσο, ο Christian επρόκειτο να σπάσει τον επεξεργαστή για το γύρισμα).

Αυτό συνέβη ως αποτέλεσμα. Στο πίσω μέρος του μικροκυκλώματος, κάτω από το σπασμένο μπλε περίβλημα, είναι ορατές οι επαφές στο μικροκύκλωμα. Προηγουμένως, συνδέονταν με καρφίτσες στην πλακέτα.

Εδώ είναι το μικροκύκλωμα καθαρισμένο από πλαστικό.

Τώρα έρχεται το διασκεδαστικό μέρος: το μικροσκόπιο μπαίνει στο παιχνίδι. Πρώτον, το συνηθισμένο οπτικό. Κάτω από ένα μικροσκόπιο εξετάζουμε ένα θραύσμα ενός μικροεπεξεργαστή με τις ίδιες επαφές.

Αν κοιτάξετε πιο προσεκτικά, μπορείτε να διακρίνετε τη δομή μέσα στις οπές επαφής.

Ο επεξεργαστής αποτελείται από πολλά μεταλλικά στρώματα το ένα πάνω στο άλλο, είναι ευδιάκριτα μέσα από τις οπές επαφής.

Αλλάζοντας την εστίαση του μικροσκοπίου, μπορείτε να εξετάσετε αυτά τα στρώματα με τη σειρά τους. Εδώ είναι το επάνω στρώμα.

Μεσαία στρώση.

Και το κάτω στρώμα.

Δεδομένου ότι ένα οπτικό μικροσκόπιο δεν παρέχει τις απαραίτητες λεπτομέρειες, ο Christian αποφάσισε να χρησιμοποιήσει ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Για να δει το εσωτερικό του επεξεργαστή, τον έσπασε σε κομμάτια και άρχισε να εξετάζει πού ήταν σπασμένο. Παρακάτω μπορείτε να δείτε μια σειρά από διαδοχικές φωτογραφίες με σταδιακά αυξανόμενη ανάλυση.

Το τσιπ είναι γυρισμένο ανάποδα, έτσι ώστε στην κορυφή να υπάρχει μια σειρά επαφών που είχαν προηγουμένως συνδεθεί στην πλακέτα κυκλώματος. Στην αρχή τίποτα το ιδιαίτερο δεν φαίνεται. Το ελαφρύ υλικό μεταξύ των επαφών είναι προφανώς κάποιο είδος πολυμερούς για να γεμίσει το χώρο.

Με περαιτέρω μεγέθυνση, τα στρώματα είναι καθαρά ορατά. Μπορείτε ακόμη να μετρήσετε τον αριθμό τους: έξι.

Το πάχος του κάτω μεταλλικού στρώματος είναι περίπου 200-250 nm. Ο επεξεργαστής P-III κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία διεργασίας 250 nm και αργότερα - 180 nm, επομένως αυτό το κάτω στρώμα είναι το τελευταίο στρώμα με τρανζίστορ που δεν θα εμφανίσει νέα στοιχεία.

Έτσι φαίνεται η εικόνα σε βελτιωμένη μορφή.

Η τελευταία φωτογραφία τραβήχτηκε στην ίδια κλίμακα, μόνο από ψηλά. Σε ένα σημείο το περίβλημα έσπασε κατά λάθος, εκθέτοντας την εσωτερική δομή.

Υπάρχουν πολλά μεταλλικά στρώματα το ένα πάνω στο άλλο, αλλά ο Christian δεν μπόρεσε να τραβήξει φωτογραφίες στρώμα-στρώμα και να φτάσει απευθείας στα τρανζίστορ (κάτω στρώμα) επειδή δεν ξέρει πώς να αφαιρέσει προσεκτικά τα στρώματα από το τσιπ.

Οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές είναι από τις πιο σύνθετες συσκευές που κατασκευάζονται από τον άνθρωπο. Η παραγωγή ενός κρυστάλλου ημιαγωγών απαιτεί πολύ περισσότερους πόρους από την κατασκευή ενός πολυώροφου κτιρίου ή τη διοργάνωση μιας μεγάλης εκθεσιακής εκδήλωσης. Ωστόσο, χάρη στη μαζική παραγωγή CPU σε νομισματικούς όρους, δεν το παρατηρούμε και σπάνια σκέφτεται κανείς την τεράστια έκταση των στοιχείων που καταλαμβάνουν μια τόσο περίοπτη θέση μέσα στη μονάδα συστήματος. Αποφασίσαμε να μελετήσουμε τις λεπτομέρειες της παραγωγής επεξεργαστή και να μιλήσουμε για αυτές σε αυτό το υλικό. Ευτυχώς, σήμερα υπάρχουν αρκετές πληροφορίες για αυτό το θέμα στο Διαδίκτυο και μια εξειδικευμένη επιλογή παρουσιάσεων και διαφανειών από την Intel Corporation σάς επιτρέπει να ολοκληρώσετε την εργασία όσο το δυνατόν πιο καθαρά. Οι επιχειρήσεις άλλων κολοσσών της βιομηχανίας ημιαγωγών λειτουργούν με την ίδια αρχή, επομένως μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ότι όλα τα σύγχρονα μικροκυκλώματα περνούν από την ίδια διαδρομή δημιουργίας.

Το πρώτο πράγμα που αξίζει να αναφέρουμε είναι το δομικό υλικό για τους επεξεργαστές. Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο κοινό στοιχείο στον πλανήτη μετά το οξυγόνο. Είναι φυσικός ημιαγωγός και χρησιμοποιείται ως κύριο υλικό για την παραγωγή τσιπ διαφόρων μικροκυκλωμάτων. Το μεγαλύτερο μέρος του πυριτίου βρίσκεται στη συνηθισμένη άμμο (ιδιαίτερα στον χαλαζία) με τη μορφή διοξειδίου του πυριτίου (SiO2).

Ωστόσο, το πυρίτιο δεν είναι το μόνο υλικό. Ο πλησιέστερος συγγενής και υποκατάστατό του είναι το γερμάνιο, αλλά στη διαδικασία βελτίωσης της παραγωγής, οι επιστήμονες εντοπίζουν καλές ιδιότητες ημιαγωγών σε ενώσεις άλλων στοιχείων και ετοιμάζονται να τις δοκιμάσουν στην πράξη ή το κάνουν ήδη.

1 Το πυρίτιο περνά από μια διαδικασία καθαρισμού πολλαπλών σταδίων: οι πρώτες ύλες για μικροκυκλώματα δεν μπορούν να περιέχουν περισσότερες ακαθαρσίες από ένα ξένο άτομο ανά δισεκατομμύριο.

2 Το πυρίτιο τήκεται σε ειδικό δοχείο και, έχοντας χαμηλώσει μέσα μια περιστρεφόμενη ράβδο που ψύχεται συνεχώς, η ουσία «τυλίγεται» γύρω της χάρη στις δυνάμεις επιφανειακής τάσης.

3 Το αποτέλεσμα είναι διαμήκη ακατέργαστα τεμάχια (μονοί κρύσταλλοι) κυκλικής διατομής, που το καθένα ζυγίζει περίπου 100 κιλά.

4 Το τεμάχιο εργασίας κόβεται σε μεμονωμένους δίσκους πυριτίου - γκοφρέτες, στους οποίους θα βρίσκονται εκατοντάδες μικροεπεξεργαστές. Για τους σκοπούς αυτούς χρησιμοποιούνται μηχανήματα με δίσκους κοπής διαμαντιών ή εγκαταστάσεις λειαντικών συρμάτων.

5 Τα υποστρώματα γυαλίζονται σε φινίρισμα καθρέφτη για την εξάλειψη όλων των επιφανειακών ελαττωμάτων. Το επόμενο βήμα είναι η εφαρμογή της πιο λεπτής στρώσης φωτοπολυμερούς.

6 Το επεξεργασμένο υπόστρωμα εκτίθεται σε σκληρή υπεριώδη ακτινοβολία. Μια χημική αντίδραση λαμβάνει χώρα στο στρώμα φωτοπολυμερούς: το φως, περνώντας μέσα από πολλά στένσιλ, επαναλαμβάνει τα σχέδια των στρωμάτων της CPU.

7 Το πραγματικό μέγεθος της εφαρμοσμένης εικόνας είναι αρκετές φορές μικρότερο από το ίδιο το στένσιλ.

8 Οι περιοχές που «χαράσσονται» από την ακτινοβολία ξεπλένονται. Λαμβάνεται ένα σχέδιο στο υπόστρωμα πυριτίου, το οποίο στη συνέχεια συγκολλάται.

9 Το επόμενο στάδιο στην κατασκευή ενός στρώματος είναι ο ιονισμός, κατά τον οποίο περιοχές πυριτίου χωρίς πολυμερή βομβαρδίζονται με ιόντα.

10 Στα σημεία που χτυπούν αλλάζουν οι ιδιότητες της ηλεκτρικής αγωγιμότητας.

11 Το υπόλοιπο πολυμερές αφαιρείται και το τρανζίστορ είναι σχεδόν πλήρες. Στα μονωτικά στρώματα δημιουργούνται τρύπες, οι οποίες, χάρη σε μια χημική αντίδραση, γεμίζουν με άτομα χαλκού που χρησιμοποιούνται ως επαφές.

12 Η σύνδεση των τρανζίστορ είναι καλωδίωση πολλαπλών επιπέδων. Αν κοιτάξετε μέσα από ένα μικροσκόπιο, θα παρατηρήσετε στον κρύσταλλο πολλούς αγωγούς μετάλλων και άτομα πυριτίου τοποθετημένα ανάμεσά τους ή τα σύγχρονα υποκατάστατά του.

13 Μέρος του τελικού υποστρώματος υποβάλλεται στον πρώτο έλεγχο λειτουργικότητας. Σε αυτό το στάδιο, εφαρμόζεται ρεύμα σε καθένα από τα επιλεγμένα τρανζίστορ και το αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχει τις παραμέτρους λειτουργίας του ημιαγωγού.

14 Το υπόστρωμα κόβεται σε ξεχωριστά μέρη χρησιμοποιώντας τους πιο λεπτούς τροχούς κοπής.

15 Οι χρησιμοποιήσιμοι κρύσταλλοι που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα αυτής της λειτουργίας χρησιμοποιούνται στην παραγωγή επεξεργαστών και οι ελαττωματικοί αποστέλλονται στα απόβλητα.

16 Ένα ξεχωριστό τσιπ από το οποίο θα κατασκευαστεί ο επεξεργαστής τοποθετείται μεταξύ της βάσης (υποστρώματος) της CPU και του καλύμματος διανομής θερμότητας και «συσκευάζεται».

17 Κατά τη διάρκεια της τελικής δοκιμής, οι έτοιμοι επεξεργαστές ελέγχονται για συμμόρφωση με τις απαιτούμενες παραμέτρους και μόνο τότε ταξινομούνται. Με βάση τα δεδομένα που λαμβάνονται, ο μικροκώδικας αναβοσβήνει σε αυτά, επιτρέποντας στο σύστημα να αναγνωρίσει σωστά τη CPU.

18 Οι έτοιμες συσκευές συσκευάζονται και αποστέλλονται στην αγορά.

Ενδιαφέροντα στοιχεία για τους επεξεργαστές και την παραγωγή τους

"Silicon Valley" (Silicon Valley, ΗΠΑ, Καλιφόρνια)

Πήρε το όνομά του από το κύριο δομικό στοιχείο που χρησιμοποιείται στην παραγωγή μικροτσίπ.

"Γιατί οι γκοφρέτες επεξεργαστών είναι στρογγυλές;"- μάλλον θα ρωτήσεις.

Για την παραγωγή κρυστάλλων πυριτίου, χρησιμοποιείται μια τεχνολογία που επιτρέπει σε κάποιον να αποκτήσει μόνο κυλινδρικά κενά, τα οποία στη συνέχεια κόβονται σε κομμάτια. Μέχρι τώρα, κανείς δεν μπόρεσε να παράγει μια τετράγωνη πλάκα χωρίς ελαττώματα.

Γιατί τα μικροτσίπ είναι τετράγωνα;

Αυτός ο τύπος λιθογραφίας είναι που επιτρέπει τη χρήση της περιοχής γκοφρέτας με τη μέγιστη απόδοση.

Γιατί οι επεξεργαστές χρειάζονται τόσα πολλά pin/pins;

Εκτός από τις γραμμές σήματος, κάθε επεξεργαστής απαιτεί σταθερή ισχύ για να λειτουργήσει. Με κατανάλωση ισχύος περίπου 100-120 W και χαμηλή τάση, ένα ρεύμα έως και 100 A μπορεί να ρέει μέσα από τις επαφές Ένα σημαντικό μέρος των επαφών της CPU είναι αφιερωμένο ειδικά στο σύστημα τροφοδοσίας και είναι διπλό.

Διάθεση απορριμμάτων παραγωγής

Προηγουμένως, οι ελαττωματικές γκοφρέτες, τα υπολείμματά τους και τα ελαττωματικά μικροτσίπ πήγαν χαμένα. Σήμερα, βρίσκονται σε εξέλιξη εξελίξεις για τη χρήση τους ως βάση για την παραγωγή ηλιακών κυψελών.

"Κοστούμι λαγουδάκι"

Αυτό είναι το όνομα που δίνουν οι λευκές φόρμες που υποχρεούνται να φορούν όλοι οι εργαζόμενοι στις εγκαταστάσεις παραγωγής. Αυτό γίνεται για τη διατήρηση της μέγιστης καθαριότητας και την προστασία από τυχαία είσοδο σωματιδίων σκόνης στις εγκαταστάσεις παραγωγής. Το "κουνελάκι" χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε εργοστάσια επεξεργασίας το 1973 και έκτοτε έχει γίνει αποδεκτό πρότυπο.

99,9999%

Μόνο πυρίτιο υψηλής καθαρότητας είναι κατάλληλο για την παραγωγή επεξεργαστών. Τα κενά καθαρίζονται με ειδικά χημικά.

300 χλστ

Αυτή είναι η διάμετρος των σύγχρονων πλακών πυριτίου για την παραγωγή επεξεργαστών.

1000 φορές

Αυτό είναι πόσο πιο καθαρός είναι ο αέρας στις εγκαταστάσεις των εργοστασίων τσιπ παρά στο χειρουργείο.

20 στρώσεις

Το τσιπ του επεξεργαστή είναι πολύ λεπτό (λιγότερο από ένα χιλιοστό), αλλά περιέχει περισσότερα από 20 στρώματα πολύπλοκων δομικών συνδυασμών τρανζίστορ που μοιάζουν με αυτοκινητόδρομους πολλαπλών επιπέδων.

2500

Αυτό ακριβώς είναι το πόσα τσιπ του επεξεργαστή Intel Atom (έχουν τη μικρότερη περιοχή μεταξύ των σύγχρονων CPU) τοποθετούνται σε μια γκοφρέτα 300 mm.

10 000 000 000 000 000 000

Εκατό πεντοσεκατομμύρια τρανζίστορ, τα δομικά στοιχεία των μικροτσίπ, αποστέλλονται από τα εργοστάσια κάθε χρόνο. Αυτός είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερος από τον εκτιμώμενο αριθμό μυρμηγκιών στον πλανήτη.

ΕΝΑ

Το κόστος παραγωγής ενός τρανζίστορ σε έναν επεξεργαστή σήμερα είναι ίσο με το κόστος εκτύπωσης ενός γράμματος σε μια εφημερίδα.

Κατά τη διαδικασία προετοιμασίας αυτού του άρθρου, χρησιμοποιήθηκαν υλικά από τον επίσημο ιστότοπο της Intel Corporation, www.intel.ua