Развитие и производство микропроцессоров (Лекция)
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Семь поколений процессоров
2. Технология производства
3. Технологические этапы
производства микропроцессоров
1. Семь поколений процессоров
Первое поколение (процессоры 8086 и 8088
и математический сопроцессор 8087) положило архитектурную основу – набор
«неравноправных» 16-разрядных регистров, сегментную систему адресации в
пределах 1 Мб с большим разнообразием режимов, систему команд, систему
прерываний и ряд других атрибутов. В процессорах использовалась «малая»
конвейеризация: пока одни узлы выполняли текущую команду, блок предварительной
выборки выбирал из памяти следующую.
Втрое поколение (80286 и сопроцессор
80287) дополнило семейство так называемым «защищённым режимом», позволяющим
пользоваться виртуальной памятью
размером до 1Гб для каждой задачи, используя адресуемую физическую
память в пределах 16 Мб. Защищённый режим стал основой для построения
многозадачных операционных систем, в которых система привилегий жестко
регламентирует взаимоотношения задач с памятью, операционной системой и друг с
другом. Следует отметить, что производительность процессоров 80286 возросла не
только в связи с ростом тактовой частоты, а также за счет значительного
усовершенствования конвейера.
Третье поколение (80386/80387 с
«суффиксами» DX и SX, определяющими разрядность внешней шины) ознаменовалось
переходом к 32-разрядной архитектуре. Кроме расширения диапазона представляемых
величин (16 бит отображают целые числа в диапазоне от 0 до 65535 или от –32768 до
+32767, а 32 бита – более четырёх миллиардов), увеличилась ёмкость адресуемой
памяти. С этими процессорами начала широко использоваться операционная система система Microsoft Windows.
Четвертое поколение (80486 также DX и SX)
не добавило больших изменений в архитектуру, однако был принят ряд мер для повышения
производительности. В этих процессорах был значительно усложнен исполнительный
конвейер. Производители отказались от внешнего сопроцессора – его стали размещаться на одном кристалле с центральным.
Пятое поколение (процессор Pentium у фирмы Intel и К5 у фирмы AMD) дало суперскалярную архитектуру. Для быстрого снабжения
конвейеров командами и данными из памяти шина данных этих процессоров сделана
64-разрядной. Позже у этого поколения появилось расширение ММХ (Matrics Math Extensions
instruction set) – набор
команд для расширения матричных математических операций (первоначально Multimedia Extension instruction set) – набор команд
для мультимедиа-расширения)). Традиционные 32-разрядные процессоры могут выполнять
операции сложение двух 8-разрядных чисел, размещая каждое из них в младших
разрядах 32-разрядных регистров. При этом 24 старших разряда регистров не
используются, и потому, получается, что при одной операции сложения ADD [1]осуществляется
просто сложение двух 8-разрядных чисел. Команды ММХ оперируют сразу с 64
разрядами, где могут храниться восемь 8-разрядных чисел, причем имеется
возможность выполнить их сложение с другими 8-разрядными числами в процессе
одной операции ADD. Регистры ММХ могут употребляться также для одновременного
сложения четырех 16-разрядных слов или двух 32-разряных длинных слов. Этот
принцип получил название SIMD (Single Instruction/Multiple Data - «один
поток команд/много потоков данных»). Новые команды в основном были предназначены для ускорения выполнения мультимедийных программ, но использовать их с технологией
мультимедиа. В ММХ появился и новый тип арифметики - с насыщением: если
результат операции не помещается в разрядной сетке, то переполнения (или
«антипереполнения») не происходит, а устанавливается максимально (или
минимально) возможное значение числа.
Шестое поколение процессоров взяло своё
начало с Pentium Pro и
продолжилось в процессорах Pentium III, Celeron и Xeon (у фирмы AMD
Примером могут служить процессоры К6, К6-2, К6-2+, К6-III). Основой здесь является
динамическое исполнение, исполнение команд не в том порядке, который
предписывает программный код, а в том, как будет более удобно для процессора. Здесь следует отметить, что здесь
между процессорами пятого и шестого
поколения существует сходство, а именно добавление расширения пятое поколение было дополнено расширением
ММХ, шестое поколение получило
расширения, уеличивающие возможности ММХ. У AMD это
расширение 3dNnoy!, а у Intel - SSE (Streaming SIMD Extensions – потоковые расширения SIMD).
Седьмое поколение началось с процессора Athlon фирмы AMD.
Процессор обладал характеристиками
обуславливающие развитие суперскалярности и суперконвейерности.
Позже компания Intel также выпустила
свой процессор седьмого поколения Pentium 4.
2. Технология производства
В настоящее время мы можем наблюдать интересную тенденцию на рынке: с одной
стороны компании-производители пытаются быстрыми темпами внедрить новые
техпроцессы и технологии в свои продукцию, с другой же стороны, наблюдается
искусственное ограничение роста частот процессоров. Это объясняется тем, что,
сказывается ощущение неполной готовности рынка к очередной смене семейств
процессоров, а фирмы производители еще не получили достаточно прибыли от объема
продаж производящихся сейчас CPU. Здесь следует отметить, что для компаний
основополагающей по сравнению с другими интересами является цена готового
продукта. Однако большое значение в снижение темпов развития микропроцессоров
связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые будут
увеличивать производительность при минимальном объеме технологических затрат
Производителям при переходе на новые
техпроцессы пришлось решать ряд проблем. Технологическая норма 90 нм оказалась
значительно серьезным технологическим препятствием для многих производителей
чипов. Это подтверждает и компания TSMC, данная компания занимается
производством чипов для многих крупных производителей рынка, а именно компании
AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время у неё не получалось
отладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, это привело к низкому
выходу годных кристаллов. Это привело к тому, что AMD долгое время переносила
выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator).
Обуславливается же это тем, что именно на этой размерности элементов проявились
недостатки ранее не являющиеся ощутимыми, такие как токи утечки, большой разброс параметров и
экспоненциальное повышение тепловыделения. Один из альтернативных выходов – это
применение технологии SOI кремний на изоляторе, который был недавно внедрён AMD
в своих 64-разрядных процессорах. Однако, это обошлось ей немалым количеством
усилий и преодолением немалого количества технологических барьеров. Но следует
отметить, что данная технология имеет много приимуществ
которые способны скомпенсировать её недостатки. Сущность этой технологии,
вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким
слоем изолятора. К положительным качествам можно отнести. Отсутствие
неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, влияющия на его электрических характеристиках - раз. После
подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего
состояния, до момента, пока по нему пойдет рабочий ток, уменьшается, это влечёт
за собой улучшение второго ключевого параметра производительности транзистора,
время его включения/выключения. Можно также, при той же скорости, просто
понизить отпирающий ток - три. Или же найти какое-то решение между возможностью
увеличения скорости работы и возможностью уменьшения напряжения. При сохранении
того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может
составить до 30%, если оставить частоту
той же, делая экцент на энергосбережение, в этом
случае производительность может составить - до 50%. В итоге, характеристики
канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор становится более
устойчивым к спорадическим ошибкам, примером которых могут служить космические
частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Попадая в
подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не влияют на работу
транзистора. Единственным недостатком SOI является то, что необходимо уменьшать
глубину области эмиттер/коллектор, что в свою очередь сказывается на увеличении
ее сопротивления по мере сокращения толщины.
Ещё одна причина, которая способствовала
замедлению темпов роста частот – это невысокая активность производителей на
рынке. К примеру, каждый компания AMD
работала над повсеместным внедрением 64-битных процессоров, Intel в этот период
усовершенствовала новый техпроцесс, отладки для увеличенная выхода годных
кристаллов.
Внедрение новых технологий в техпроцессы
очевидна, но технологам это с каждым разом даётся всё труднее. Первые
процессоры Pentium (1993г) производились по техпроцессу
0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения
был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999
– на 0,18 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм
введённая в 2004году.
Необходимо описать саму структуру
транзистора, а именно - тонкий слой диоксида кремния, изолятора, находящегося
между затвором и каналом, и выполняющего функцию - барьера для электронов,
предотвращающего утечку тока затвора. Соответственно, что чем толще этот слой,
тем лучше он выполняет свои изоляционные функции, но он является составной
частью канала, и не менее очевидно, что если производители собираются уменьшать
длину канала (размер транзистора), то надо уменьшать его толщину весьма
быстрыми темпами. За последние несколько десятилетий толщина этого слоя
составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала. Но у этого процесса
есть свой конец - как утверждал все тот же Intel, при продолжении использования
SiO2, как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя
будет составлять 2.3. нм, иначе утечка приобретет просто нереальные величины.
Для снижения подканальной утечки до последнего
времени ничего не предпринималось, в настоящее время ситуация начинает
меняться, поскольку рабочий ток, наряду со временем срабатывания затвора,
является одним из двух основных параметров, характеризующих скорость работы
транзистора, а утечка в выключенном состоянии на нем непосредственно отражается
(на сохранении требуемой эффективности транзистора). Необходимо,
соответственно, увеличивать рабочий ток, со всеми вытекающими отсюда
последствиями.
Основные
этапы производства
Изготовление микропроцессора - это
сложнейший процесс, включающий более 300 этапов. Микропроцессоры формируются на
поверхности тонких круговых пластин кремния - подложках, в результате
определенной последовательности различных процессов обработки с использованием
химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.
Подложки обычно имеют диаметр
Пластины изготавливают из кремния, который
очищают, плавят и выращивают из него длинные цилиндрические кристаллы. Затем
кристаллы разрезают на тонкие пластины и полируют их до тех пор, пока их
поверхности не станут зеркально гладкими и свободными от дефектов. Далее
последовательно циклически повторяясь производят термическое оксидирование,
фотолитографию, диффузию примеси, эпитаксию.
В процессе изготовления микросхем на
пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие
слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен
микропроцессоров. Весь процесс производства процессоров можно разделить на
несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей,
тестирование и изготовление.
Выращивание диоксида кремния и создание
проводящих областей
Процесс производства микропроцессора
начинается с "выращивания" на поверхности отполированной пластины
изоляционного слоя диоксида кремния. Осуществляется этот этап в электрической
печи при очень высокой температуре. Толщина оксидного слоя зависит от температуры
и времени, которое пластина проводит в печи.
Затем следует фотолитография - процесс, в
ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Сначала на
пластину наносят временный слой светочувствительного материала – фоторезист, на который с помощью ультрафиолетового
излучения проецируют изображение прозрачных участков шаблона, или фотомаски. Маски изготавливают при проектировании
процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое
процессора. Под воздействием излучения засвеченные участки фотослоя становятся
растворимыми, и их удаляют с помощью растворителя (плавиковая кислота),
открывая находящийся под ними диоксид кремния.
Открытый диоксид кремния удаляют с
помощью процесса, который называется "травлением". Затем убирают
оставшийся фотослой, в итоге на полупроводниковой пластине остается рисунок из
диоксида кремния. В результате ряда дополнительных операций фотолитографии и
травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий
свойствами проводника. В ходе следующей операции, называемой
"легированием", открытые участки кремниевой пластины бомбардируют
ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии
отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость
этих участков.
Наложение новых слоев с последующим
травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений
в слоях оставляются "окна", которые заполняют металлом, формируя
электрические соединения между слоями. В своем 0.13-микронном технологическом
процессе корпорация Intel использовала медные проводники. В 0.18-микронном
производственном процессе и процессах предыдущих поколений Intel применяла
алюминий. И медь, и алюминий - хорошие проводники электричества. При
использовании 0,18-мкм техпроцесса использовалось 6 слоев, при внедрении 90 нм
техпроцесса в 2004 году применили 7 слоев кремния.
Каждый слой процессора имеет свой
собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную
электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20 - 25 раз в течение нескольких
недель.
Тестирование
Для устойчивости к воздействиям, которым
подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины
изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому перед тем как разрезать
пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных
процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. После
этого на обратную сторону "обработанной" пластины наносят слой
специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к
корпусу. Данный слой обеспечивает электрический контакт между задней
поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки.
После этого производят тестирование
пластины, для проверки качества выполнения всех операций обработки. Для
определения, корректности работы процессора, проверяют их отдельные компоненты.
В случае обнаружения неисправности,
производят анализ полученных данных, для выявления этапа на котором произошла
ошибка.
Затем к каждому процессору подключают
электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, он
определяет, соответствуют ли характеристики изготовленных процессоров заданным
параметрам.
Изготовление
корпуса
После тестирования пластины отправляются
в сборочное производство, где с помощью
специальной прецизионной пилы их нарезают на маленькие прямоугольники, каждый
из которых содержит интегральную схему. Неработающие кристаллы отбраковываются.
Затем каждый кристалл помещают в
индивидуальный корпус. Корпус служит защитой кристалла от внешних воздействий и
обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет
установлен. Крошечные шарики припоя, расположенные в определенных точках
кристалла, припаивают к электрическим выводам корпуса. На этом этапе
электрические сигналы могут поступать с платы на кристалл и обратно
После установки кристалла в корпус
процессор производят повторное тестирование, для определения его
работоспособности. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают
нагрузочным испытаниям: воздействию различных температурных и влажностных
режимов, а также электростатических разрядов. После каждого нагрузочного
испытания процессор тестируют для определения его функционального состояния.
Затем происходит сортировка процессоров сортируют в зависимости от их поведения
при различных тактовых частотах и напряжениях питания.
3. Технологические этапы производства микропроцессоров
Как
делаются чипы
Производство чипов заключается в
наложении тонких слоёв со сложным "узором" на кремниевые подложки.
Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор.
Подложки нарезаются монокристалла-цилиндра тонкими "блинами", чтобы
потом легко разрезать на отдельные кристаллы процессоров. Для проведения тестов
каждого кристалла на подложке используются электрические зонды. Наконец,
подложка разрезается на отдельные ядра, нерабочие ядра сразу же
отбраковываются. В зависимости от характеристик, ядро становится тем или иным
процессором и заключается в упаковку, которая облегчает установку процессора на
материнскую плату. Все функциональные блоки проходят через интенсивные стресс-тесты.
Всё начинается с подложек
Первый шаг в производстве процессоров
выполняется в чистой комнате. Следует отметить, что это очень капиталоёмкое
производство. На постройку современного завода со всем оборудованием может быть
затрачено более 2-3 млрд. долларов. Только после полной наладки и тестирования
оборудования завод может серийно выпускать процессоры.
В общем, процесс производства чипов
состоит из ряда этапов обработки подложек. Сюда входит и создание самих
подложек, которые в последствии будут разрезаны на отдельные кристаллы.
Производство подложек
Первый этап - выращивания монокристалла.
Для этого затравочный кристалл внедряется в ванну с расплавленным кремнием,
который находится чуть выше точки плавления поликристаллического кремния.
Важно, чтобы кристаллы росли медленно приблизительно сутки, чтобы гарантировать
правильное расположение атомов. Поликристаллический или аморфный кремний
состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению
нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами.
Когда кремний будет расплавлен, его можно
легировать с помощью других веществ, меняющих его электрические свойства. Весь
процесс происходит в герметичном помещении со специальным воздушным составом,
чтобы кремний не окислялся.
Монокристалл разрезается на
"блины" с помощью кольцевой высоко - точной алмазной пилы, которая не
создаёт крупных неровностей на поверхности подложек. При этом поверхность
подложек всё равно не идеально плоская, поэтому необходимы дополнительные
операции. Внешний вид монокристаллов можно увидеть на рисунке 1.
Рис.
1. Внешний вид монокристалла
Сначала с помощью вращающихся стальных
пластин и абразивного материала оксида алюминия, снимается толстый слой с
подложек (процесс называется притиркой). В результате устраняются неровности
размером от
Последний шаг - полировка, которая
обеспечивает сглаживание поверхности до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка
осуществляется при помощи смеси гидроксида натрия и
гранулированного диоксида кремния.
В настоящее время подложки для
микропроцессоров имеют диаметр 300 или
Легирование
и диффузия
Легирование производится и с готовой
подложкой, и во время процессов фотолитографии. Это даёт возможность изменять
электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры
кристалла.
Добавление легирующего вещества может
происходить при помощи диффузии. Атомы легирующего вещества заполняют свободное
пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В
некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется
с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других
источников легирующего вещества.
Создание
маски
Для создания участков интегральной схемы, используется
процесс фотолитографии. При этом нужно облучать не всю поверхность подложки, в
таких случаях важно использовать так называемые маски, которые пропускают
излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно
сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20
и больше), и для каждого из них требуется своя маска.
Структура из тонкой хромовой плёнки
наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон.
При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер,
прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего получается
шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Следует отметить, что любое
изменение интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок,
поэтому весь процесс внесения правок очень дорогостоящий.
Фотолиграфия
позволяет сформировать на кремниевой подложке -
структуру. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано
множество слоёв. Слои могут включать в себя разные материалы, здесь также
обеспечивается соединение микроскопическими проволочками. Перед началом
процесса фотолитографии, производится очистка и нагрев подложки, чтобы удалить
липкие частицы и воду. На следующем этапе
подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом
кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует,
что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге,
останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки,
которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно
распределился по всей поверхности подложки. Затем подложка вновь нагревается.
Процесс фотолитографии представлен на рисунке 2
Рис. 2. Процесс фотолитографии
Затем через маску обложка облучается
квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским
излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти
источники света или энергии. Пучки электронов применяются, главным образом, для
создания масок, рентгеновские лучи и пучки ионов - для исследовательских целей,
а в промышленном производстве сегодня доминируют жёсткое УФ-излучение
и газовые лазеры.
Жёсткое УФ-излучение
с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску.
Для необходимых результатов очень важны время проецирования и фокусировки.
Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы
фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут
облучены должным образом. Аналогичная ситуация получиться если время
проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного
материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными.
Однако, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под
отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. В этом и
заключается сложность регулирования процесса производства. Неправильная
регулировка приведёт к серьёзным отклонениям и в соединительных проводниках.
Специальная шаговая проекционная установка производит перемещение подложки в
нужном положении. После чего можно проецировать строчку или один участок, в
большинстве случаях соответствующий
одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки
могут вносить дополнительны изменения. К примеру отлаживать существующую
технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки
обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки
покрывают площади большего размера.
Существуют мокрый и сухой процессы
травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы
используют химические соединения, а сухие процессы - газ. Отдельный процесс
заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители
часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был
полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и
если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке.
После травления и очистки можно
приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе,
или переводить подложку на новый цикл фотолитографии. Проверка
подложек представлен на рисунке 3.
Рис.
3. Проверка подложек
Тестирование готовых подложек производят
на установках зондового контроля, которые работают со всей подложкой. На
контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет
проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются
все функции каждого ядра. Процесс Разрезания подложки представлен на рисунке 4.
Рис.
4. Процесс разрезания подложки
При помощи разрезания подложки получают
отдельные ядра. В случае выявления дефектных кристаллов (содержащие ошибки)
производится их, отделение от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически
маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой
базе данных.
Далее функциональное ядро необходимо поместить в процессорную упаковку, для чего используется клейкий материал. После этого нужно произвести проводные соединения, связывающие ножки упаковки и сам кристалл (рисунок 5). Для этого используются золотые, алюминиевые или медные соединения.
Рис. 5. Проводное соединение подложки
Большая
часть современных процессоров используют пластиковую упаковку с теплораспределением. В частности ядро упаковывается в
керамическую или пластиковую упаковку, это способствует предотвращению
механических повреждений. Современные процессоры оснащаются распределителем
тепла, устройства обеспечивающие отвод тепла и защиту кристалла (рисунок 6).
Рис. 6. Упаковка процессора
Последний этап - это тестирование
процессора, что производится при повышенных температурах, в соответствии со
спецификациями процессора. Процессор автоматически устанавливается в тестовый
разъем, после чего происходит анализ всех необходимых функций.