2.2. Технология изготовления процессоров

Все персональные компьютеры и растущее число наиболее современного оборудования работают на специальной электронной схеме, названной микропроцессором. Часто его называют компьютер в чипе.

Современный микропроцессор - это кусочек кремния, который был выращен в стерильных условиях по специальной технологии.

Человек научился помещать примеси других атомов в кристаллическую решетку без разрушения этой сложной конструкции. Примеси позволили кремнию изменить свои свойства, касающиеся проводимости электрического тока. Эти свойства позволили отнести полученный материал к новому классу - классу полупроводников. Этот термин отражает промежуточные свойства материала по способности проводить электрический ток: хуже, чем у проводников, но лучше, чем у изоляторов.

Микропроцессор представляет собой совокупность простых транзисторов, которая называется интегральной схемой. При этом они функционируют как много отдельных транзисторов и других устройств, интегрированных и реализованных на одной маленькой кремниевой пластине.

История создания первых транзисторов относится к 1947 году, когда учёные лаборатории Bell осторожно внесли примесь в кремниевый кристалл, разделив его кристаллическую решётку на три тонких слоя. Это позволило перемешать атомы различных материалов в кристаллической решётке. Таким образом, получился первый транзистор - крошечная пластина серебристого кремния, способная проводить электронный поток. Причём, входной поток, поступавший на один электрод, преобразовывался и имел уже другие значения на двух других электродах. Транзисторы были прорывом в будущее.

В микропроцессоре тысячи транзисторов соединены таким образом на кремниевой пластине, что одно и то же множество входных сигналов всегда порождает только конкретное множество выходных сигналов. Микропроцессоры отличаются от других интегральных схем, созданных на том же множестве транзисторов, тем, что преобразование сигнала происходит в соответствии с поступившим входным сигналом только внутри самой микросхемы.

Любой современный процессор состоит из огромного набора транзисторов, выполняющих функции электронных микроскопических переключателей. В отличие от обычных переключателей, транзисторы безинерционны и способны переключаться миллиарды раз в секунду. Но для того, чтобы обеспечить такую скорость переключения, нужно уменьшить размеры транзисторов. Производительность любого процессора определяется количеством транзисторов. Отсюда следует основная задача дальнейшего развития вычислительной техники – уменьшение размера транзисторов с одновременным увеличением плотности из размещения на микросхеме, что приводит к увеличению производительности процессора.

Рассмотрим коротко процесс производства микросхем.

Кремний или силикон - это основной материал для производства процессоров. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.

Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на её размер. В прежние дни болванка ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас - 8 дюймов. На следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркальной поверхности. На этой пластине и создается процессор. Обычно из одной пластины делается много процессоров.

Электрическая схема состоит из разных материалов. Например, диоксид кремния - это изолятор, из полисиликона изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания транзисторов - это и называется присадкой.

Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором, на который проектируется образ требуемых деталей. После экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выставленные на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется растворителем. Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылинка. Такая пылинка может быть размером от микрона до ста, а это в 3 -300 раз больше детали. Микропроцессоры производятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специальные защитные костюмы.

Одним из этапов производства является литографический процесс.

Литография – это технология, используемая для нанесения рисунка будущей микросхемы на слой фоторезиста посредством специальных литографических масок. Различают теневую и проекционную литографию. В современных производстве используется проекционная литография, которая позволяет получить более высокое разрешение.

Лучшее разрешение можно достигнуть за счёт перехода к источникам излучения с более короткой длинной волны. Поэтому, в современной литографии используется коротковолновое излучение с длиной волны 248 нм (технологический процесс 350, 250 и 180 нм) и 193 нм (технологический процесс 180, 130, 90 и 65 нм). Понятна взаимосвязь улучшения разрешающей способности оптической литографии с целью уменьшения геометрических размеров транзистора и увеличение производительности процессора. Поэтому так важен каждый очередной переход на новый технологический процесс производства. В 2006 году процессоры производились по 90-нанометровой технологии, в 2007году - по 45-нанометровой, а в 2008 году - по 30-нанометровой технологии.

Литография с использованием источника излучения с длиной волны 248 и 193 нм получила название DUV (Deep Ultra Violrt) – глубокое ультрафиолетовое излучение. А литография с использованием источника излучения с длиной волны 90 и 65 нм – это ЕUV - литография (Extreme Ultra Violrt) – сверхжёсткое ультрафиолетовое излучение. ЕUV - литография позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников до 30 нм и меньше.

В прежние времена производство полупроводников приводило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50% работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции намного выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и отмечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отделяются. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-корпус - керамический прямоугольник с рядами штырьков на дне. Именно такой корпус большинство людей принимают за процессор.

Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наименьшие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегодняшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что Pentium II был изготовлен по такой же технологии, он был бы размером 14x20 см и был бы медленным, т.к. быстрые транзисторы малы. Большинство процессоров сегодня используют 0, 09-, 0,06- и 0, 045 - микронную технологию.