Глава 14. Технология производства микропроцессоров

14.1 Особенности производства процессоров

История производства процессоров

Любой современный процессор состоит из огромного набора транзисторов, выполняющих функции электронных микроскопических переключателей. В отличие от обычного переключателя транзисторы способны переключаться миллиарды, и даже триллионы раз в секунду. Однако чтобы обеспечить такую огромную скорость переключения, необходимо уменьшить размеры этих транзисторов. Кроме того, производительность любого процессора в конечном итоге определяется и количеством самих транзисторов. Именно поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие отрасли шло в направлении уменьшения размера транзисторов и одновременного увеличения плотности их размещения на микросхеме.

Когда говорят о прогнозах по увеличению плотности размещения и уменьшению геометрических размеров транзисторов, обычно упоминают так называемый закон Мура. Все началось в 1965 году, за три года до того, как Гордон Мур (Gordon Е. Moore) стал одним из основателей корпорации Intel. В то далекое время технология производства интегральных микросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, завершала разработку новых микросхем, объединяющих в себе уже 60 транзисторов. По просьбе журнала Electronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания. В этой статье Мура попросили сделать прогноз относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших 10 лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, Мур предположил, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться и к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тысяч.

Конечно, в 1965 году ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем, с предсказанием Мура было не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах командах в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

До сих пор мы преднамеренно употребляли слова «прогноз» или «предсказание» Мура, однако в литературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что после опубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид, коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозу название «закон Мура» и оно прижилось.

Зачем уменьшать размеры транзисторов?

Снижение размеров транзисторов позволяет уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

Если длина затвора транзистора уменьшается в М раз, то в такое же количество уменьшается и рабочее напряжение затвора. Кроме того, в М раз возрастает скорость работы транзистора и квадратично увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая мощность уменьшается в М² раз.

Долгое время уменьшение размеров транзисторов было самым очевидным способом увеличения производительности процессоров. На практике это было не так легко осуществить, однако еще сложнее было придумать такую структуру процессора, чтобы его конвейер работал с максимальной отдачей.

Негативные факторы уменьшения размеров транзисторов

В последние годы “гонка гигагерц” стала заметно затихать. Это связано с тем, что, начиная с 90 нм размеров транзисторов, стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Разберемся по порядку.

Существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая – самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, а это негативно сказывается на тепловыделении. Так вот, уменьшая размеры транзистора, мы, прежде всего, уменьшаем его затвор и слой диэлектрика, который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны, это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой – увеличивает утечку. То есть, получается своеобразный замкнутый круг. Так вот переход на более тонкий технологический процесс – это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками – это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения.

Один из выходов – это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое внедрила компания AMD в своих 64-разрядных процессорах. Впрочем, это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Зато сама технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. Суть технологии, в общем-то, вполне логична – транзистор отделяют от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Достоинств – масса. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках – это раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния (до момента, пока по нему пойдет рабочий ток) сокращается, то есть, улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения – это два. Или же, при той же скорости, можно просто понизить отпирающий ток – это три. Или найти какой-то компромисс между увеличением скорости работы и уменьшением напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может быть до 30%. Если оставить частоту той же, то энергосбережение может достигать 50 %. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор – более устойчивым к случайным ошибкам, вроде тех, что вызывают космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Теперь, попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не сказываются на работе транзистора. Единственным минусом SOI является то, что приходится уменьшать глубину области исток/сток, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.

Функцию барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора, выполнял тонкий слой диоксида кремния – изолятора, находящегося между затвором и каналом. Очевидно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции. Но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если мы собираемся уменьшать длину канала (размер транзистора), то нам надо уменьшать его толщину, причем, 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 своё физическое ограничение – минимальная толщина слоя должна составлять около 1 нм, иначе утечка тока затвора приобретет просто нереальные величины.

До недавнего времени материалом, из которого изготовлялся затвор был поликристаллический кремний (поликремний). Поликремний представляет собой высокочистый кремний с содержанием примесей менее 0.01%, состоящий из большого числа небольших кристаллических зёрен, ориентированных друг относительно друга хаотически. Поликремний является сырьем для производства более совершенного вида кремния – монокремния, а также может использоваться в чистом виде наравне с монокремнием в некоторых сферах применения (например, в производстве солнечных модулей).

Монокремний отличается от поликристаллической модификации тем, что в нем кристаллическая структура ориентирована в определенной кристаллографической плоскости.

Ситуация изменилась когда вместо поликремния для изготовления затвора стали использовать комбинацию новых материалов, а вместо оксида кремния в качестве диэлектрика затвора стали использовать диэлектрик High-k, основанный на примеси четырёхвалентного гафния. В таблице 14.1. представлены этапы развития технологического процесса производства микросхем.

Таблица 14.1. Совершенствование технологического процесса

Процесс	P856	P858	Px60	P1262	P1264	P1266	P1268	P1270
Ввод в производство	1997	1999	2001	2003	2005	2007	2009	2011
Техпроцесс	0,25 мкм	0,18 мкм	0,13 мкм	90 нм	65 нм	45 нм	32 нм	22 нм
Размер пластины (мм.)	200	200	200/300	300	300	300	300	300
Соединения	Al	Al	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu
Канал	Si	Si	Si	Si	Si	Si	Si	Si
Диэлектрик затвора	SiO2	SiO2	SiO2	SiO2	SiO2	High-k	High-k	High-k
Материал затвора	Поликремний	Поликремний	Поликремний	Поликремний	Поликремний	Металл	Металл	Металл