Виробництво процесора комп'ютера: технологічний процес

Кілька років тому компанія Intel представила поетапний процес виробництва мікропроцесорів: від піску до кінцевого продукту. Фактично процес виробництва напівпровідникових елементів виглядає воістину дивним.

Крок 1. Пісок

Кремній, що становить по загальній масі близько 25 відсотків усіх хімічних елементів у земній корі, є другим за поширенням після кисню. Пісок має високий процентний вміст діоксиду кремнію (SiO 2 ), який є основним інгредієнтом не тільки для виробництва процесорів Intel, але і взагалі для напівпровідникового виробництва.

Розплавлений кремній

Речовина очищається протягом кількох етапів, поки не вийде кремній напівпровідникової чистоти, що використовується у напівпровідниках. У кінцевому рахунку, він надходить у вигляді монокристалічних зливків діаметром близько 300 міліметрів (12 дюймів). Раніше злитки мали діаметр 200 мм (8 дюймів), а в далекому 1970 році – ще менше – 50 мм (2 дюйми).


На даному рівні виробництва процесорів після очищення чистота кристала становить один атом домішки на мільярд атомів кремнію. Вага зливка становить 100 кілограм.

Крок 3. Нарізування злитка

Злиток нарізати дуже тонкою пилкою на окремі фрагменти, звані підкладками. Кожна з них згодом полірується, щоб вийшла бездефектная дзеркально-гладка поверхня. Саме на цю гладку поверхню згодом будуть наноситися крихітні мідні дроти.

Експонування фоторезистивного шару

На що обертається з високою швидкістю підкладку заливається фоторезистивная рідина (такі ж матеріали використовуються в традиційній фотографії). При обертанні на всій поверхні підкладки утворюється тонкий і рівномірний резистивний шар.


Ультрафіолетовий лазер через маски і лінзу впливає на поверхню підкладки, утворюючи на ній невеликі освітлені ультрафіолетові лінії. Лінза робить сфокусоване зображення в 4 рази менше маски. Скрізь, де ультрафіолетові лінії впливають на резистивний шар, виникає хімічна реакція, в результаті якої ці ділянки стають розчинними.

Крок 5. Травлення

Розчинний фоторезистивный матеріал потім повністю розчиняється з допомогою хімічного розчинника. Таким чином, для часткового розчинення або травлення невеликої кількості полірованого напівпровідникового матеріалу (підкладки) використовується хімічний травитель. Решта фоторезистивного матеріалу видаляється шляхом схожого процесу промивки, відкриваючи (експонуючи) протравлену поверхню підкладки.

Формування шарів

Для створення крихітних мідних проводів, які в кінцевому рахунку будуть передавати електрику до/від різних з'єднувачів, додаються додаткові фоторезисты (світлочутливі матеріали), які також промиваються і експонуються. В подальшому виконується процес іонного легування для додавання домішок і захисту місць осадження іонів міді від мідного купоросу під час процесу гальваностегії. На різних етапах цих процесів виробництва процесора додаються додаткові матеріали, які протравлюються і поліруються. Даний процес повторюється 6 разів для формування 6 шарів. Кінцевий продукт виглядає як сітка з безлічі мікроскопічних мідних смуг, проводять електрику. Деякі з них з'єднані з іншими, а деякі – розташовані на певній відстані від інших. Але всі вони використовуються для реалізації однієї мети – для передачі електронів. Іншими словами, вони призначені для забезпечення так званої «корисної роботи» (наприклад, додавання двох чисел з максимально можливою швидкістю, що є суттю моделі обчислень в наші дні).
Багаторівнева обробка повторюється на кожному окремому невеликій ділянці поверхні підкладки, на якому будуть виготовлені чіпи. В тому числі до таких ділянок відносяться ті з них, які частково розташовані за межами підкладки.

Крок 7. Тестування

Як тільки будуть нанесені всі металеві шари і створені всі транзистори, настає час наступного етапу виробництва процесорів "Інтел" – тестування. Пристрій з безліччю штирьков розміщується у верхній частині чіпа. До нього прикріплюється безліч мікроскопічних дротів. Кожен такий проводок має електричне з'єднання з чіпом. Для відтворення роботи чіпа йому передається послідовність тестових сигналів. При тестуванні перевіряються не тільки традиційні обчислювальні здібності, але також виконується внутрішня діагностика з визначенням значень напруги, каскадних послідовностей та інші функції. Відповідь чіпа у вигляді результату тестування зберігається в базі даних, спеціально виділеній для цієї ділянки підкладки. Даний процес повторюється для кожної ділянки підкладки.

Нарізування пластин

Для нарізування пластин застосовується дуже маленька пила з алмазним наконечником. База даних, заповнена на попередньому етапі, використовується для визначення, які чіпи, відрізані від підкладки, збережені, а які відкинуті.

Крок 9. Висновок корпусу

Всі робочі пластини поміщаються у фізичні корпусу. Незважаючи на те, що пластини були попередньо протестовані і у відношенні їх було прийнято рішення, що вони працюють коректно, це не означає, що вони є хорошими процесорами. Процес укладення корпусу означає приміщення кремнієвого кристала в матеріал підкладки до контактів або масиву кулькових виводів якого приєднані мініатюрні золоті проводки. Масив кулькових виводів можна виявити на зворотному боці корпусу. У верхній частині корпуса встановлюється тепловідвід. Він являє собою металевий корпус. По завершенні цього процесу центральний процесор виглядає як готовий продукт, призначений для споживання. Примітка: металевий тепловідвід є ключовим компонентом сучасних високошвидкісних напівпровідникових пристроїв. Раніше були тепловідводи керамічними та не використовували примусове охолодження. Воно знадобилося для деяких моделей 8086 і 80286 і для моделей, починаючи з 80386. Попередні покоління процесорів мали набагато менше транзисторів.

Наприклад, процесор 8086 мав 29 тисяч транзисторів, в той час як сучасні центральні процесори мають сотні мільйонів транзисторів. Настільки маленьке, за нинішніми мірками, кількість транзисторів не виробляло досить тепла, щоб було потрібно активне охолодження. Щоб відокремити дані процесори від нужденних у такому типі охолодження, згодом на керамічні чіпи ставилося тавро «Потрібно тепловідвід». Сучасні процесори генерують достатньо тепла, щоб розплавитися в лічені секунди. Тільки наявність тепловідведення, приєднаного до великого радіатора і вентилятора, що дозволяє їм функціонувати протягом тривалого часу.

Сортування процесорів за характеристиками

До цього етапу виробництва процесор виглядає таким, яким його купують в магазині. Однак для завершення процесу його виробництва потрібно ще один етап. Він називається сортуванням. На цьому етапі вимірюються дійсні характеристики окремого центрального процесора. Вимірюються такі параметри, як напруга, частота, продуктивність, тепловиділення і інші характеристики. Кращі чіпи відкладаються як вироби більш високого класу. Вони продаються не тільки як найшвидші компоненти, але і як моделі з низьким і наднизькою напругою. Чіпи, які не увійшли у групу кращих процесорів, часто продаються як процесори з нижчими тактовими частотами. Крім того, чотириядерні процесори більш низького класу можуть продаватися як дво - або трьохядерні.

Продуктивність процесорів

У процесі сортування визначаються кінцеві значення швидкості, напруги і теплові характеристики. Наприклад, на стандартній підкладці тільки 5 % вироблених чіпів можуть функціонувати на частоті 32 ГГц. У той же час 50 % чіпів можуть функціонувати на частоті 28 ГГц. Виробники процесорів постійно з'ясовують причини, чому основна частина вироблених процесорів працює на частоті 28 ГГц замість необхідної 32 ГГц. Іноді для збільшення продуктивності в конструкцію процесора можуть бути внесені зміни.

Рентабельність виробництва

Рентабельність бізнесу з виробництва процесорів і більшості напівпровідникових елементів лежить в межах 33-50 %. Це означає, що, по меншою мірою, від 1/3 до 1/2 пластин на кожній підкладці робітники, а компанія в цьому випадку рентабельна. У компанії Intel операційний прибуток при застосуванні технологією 45 нм для підкладки 300 мм становить 95 %. Це означає, що якщо з однієї підкладки можливо виготовити 500 кремнієвих пластин, 475 з них будуть робочими і тільки 25 будуть викинуті. Чим більше пластин можна отримати з однієї основи, тим більший прибуток матиме компанія.

Технології Intel, які використовуються в наші дні

Історія застосування нових технологій Intel для масового виробництва процесорів: 1999 р. – 180 нм; 2001 р. – 130 нм; 2003 р. – 90 нм; 2005 р. – 65 нм; 2007 р. – 45 нм; 2009 р. – 32 нм; 2011 р. – 22 нм; 2014 р. – 14 нм; 2019 р. – 10 нм (планується). На початку 2018 р. компанія Intel оголосила про перенесення масового виробництва 10-нм процесорів на 2019 рік. Причина цього – у великій вартості виробництва. На даний момент компанія продовжує поставляти 10-нм процесори в невеликих обсягах. Охарактеризуємо технології виробництва процесорів Intel з точки зору вартості. Дорожнечу технологічного процесу керівництво компанії пояснює довгим виробничим циклом і застосуванням великої кількості масок. В основі 10-нм технології лежить глибока ультрафіолетова літографія (DUV) із застосуванням лазерів, що працюють на довжині хвилі 193 нм. Для 7-нм процесу буде використовуватися екстремальна ультрафіолетова літографія (EUV) із застосуванням лазерів, що працюють на довжині хвилі 135 нм. Завдяки такій довжині хвилі вдасться уникнути застосування мультипаттернов, широко використовуваних для 10-нм процесу. Інженери компанії вважають, що на даний момент потрібно відшліфувати технологію DUV, а не стрибати прямо на 7-нм процес. Таким чином, поки будуть знятими з виробництва процесори, що використовують 10-нм технологію.

Перспективи мікропроцесорного виробництва компанії AMD

Єдиним реальним конкурентом "Інтел" на ринку виробництва процесорів на сьогоднішній день є AMD. З-за помилок "Інтел", пов'язаних з 10-нм технологією, AMD трохи поправила своє положення на ринку. У Intel масове виробництво з використанням технологічного процесу 10 нм сильно запізнився. Компанія AMD, як відомо, використовують для виробництва своїх чіпів третю сторону. І тепер склалася ситуація, коли AMD для виробництва використовує на всю 7-нм технології виробництва процесорів, які не поступаються головному конкурентові. Основними сторонніми виробниками напівпровідникових пристроїв з використанням нових технологій для складної логіки є Тайванська компанія виробництва напівпровідників (TSMC), американська компанія GlobalFoundaries і корейська Samsung Foundry. AMD планує використовувати TSMC виключно для виробництва мікропроцесорів наступного покоління. При цьому будуть застосовуватися нові технології виробництва процесорів. Компанія вже випустила ряд продуктів із застосуванням 7-нм процесу, включаючи 7-нм графічний процесор. Перший планується випустити в 2019 р. Вже через 2 роки планується почати масове виробництво 5-нм мікросхем. GlobalFoundaries відмовилася від розробки процесу 7 нм, щоб зосередити свої зусилля на розвитку своїх 14/12 нм процесів для клієнтів, орієнтованих на ринки, що розвиваються. AMD вкладає в GlobalFoundaries додаткові інвестиції для виробництва процесорів AMD поточного покоління Ryzen, EPYC і Radeon.

Виробництво мікропроцесорів у Росії

Основні мікроелектронні виробництва розташовані в містах Зеленоград ("Мікрон", "Ангстрем") і Москва ("Крокус"). Власне мікроелектронний виробництво є також і в Білорусі – компанія "Інтеграл", що використовує технологічний процес 035 мкм. Виробництвом процесорів в Росії займаються компанії "МЦСТ" і "Байкал Електронікс". Остання розробка "МЦСТ – процесор «Ельбрус-8С». Це 8-ядерний мікропроцесор з тактовою частотою 11-13 ГГц. Продуктивність російського процесора становить 250 гігафлопс (операцій з плаваючою комою в секунду). Представниками компанії заявляється, що по ряду показників процесор може конкурувати навіть з лідером галузі – компанією Intel. Виробництво процесорів "Ельбрус" продовжиться моделлю "Ельбрус-16" частотою 15 ГГц (цифровий індекс в назві позначає кількість ядер). Масове виготовлення цих мікропроцесорів буде здійснюватися в Тайвані. Це має сприяти зменшенню ціни. Як відомо, ціна на продукцію компанії захмарна. При цьому, за характеристиками комплектуючі значно поступаються провідним компаніям у цьому секторі економіки. Поки такі процесори будуть використовуватися тільки в державних організаціях і для оборонних цілей. В якості технології виробництва процесорів цієї лінійки буде застосовуватися 28-нм технологічний процес. "Байкал Електронікс" виробляє процесори, призначені для використання в промисловості. Зокрема, це відноситься до моделі "Байкал Т1". Область її застосування – маршрутизатори, системи з ЧПК та офісна техніка. Компанія на цьому не зупиняється і вже розробляється процесор для персональних комп'ютерів – "Байкал". Відомостей про його характеристики поки небагато. Відомо, що у нього буде 8-ядерний процесор з підтримкою до 8 графічних ядер. Перевага цього мікропроцесора буде полягати в його енергоефективності.