Jak powstaja procesory

Jak powstają procesory (art. CHIP)
Niedawno premierę rynkową miały pierwsze procesory o szerokości ścieżek wynoszącej 32
nanometry. Pokazujemy, ile pracy trzeba włożyć, by powstał procesor. Przy okazji zdradzamy,
jakie wyrafinowane sztuczki powodują, że prawo Moore’a z 1965 r. dotyczące postępującej
miniaturyzacji nadal obowiązuje.
Krzem (a przede wszystkim dwutlenek krzemu),
który stanowi podstawę całej gospodarki opartej
na wiedzy, jest jednym z najczęściej
występujących pierwiastków na Ziemi. Znajduje
się on w piasku kwarcowym. Z tego
podstawowego składnika są tworzone
mikroukłady, które znajdują zastosowanie w
coraz większej liczbie urządzeń elektronicznych
służących do przetwarzania danych. Jakkolwiek
bazowy materiał wydaje się niepozorny,
technologia wytwarzania nowoczesnych
mikroukładów jest astronomicznie droga i
skomplikowana. Zanim proces wytwarzania
procesorów w 32 nanometrach został
opracowany w firmie Intel do tego stopnia, aby
móc wyprodukować niezliczone miliony procesorów, minęły lata.
Przygotowanie tak precyzyjnego procesu zajęło dużo czasu, choć branży półprzewodnikowej trudno
odmówić jednej z największych innowacyjności. W końcu sformułowane jeszcze w 1965 roku prawo
Moore’a wciąż obowiązuje. Obecnie mówi ono, że podwojenie liczby tranzystorów na tej samej
powierzchni następuje w ciągu mniej więcej dwóch lat (pierwotnie był to rok). Właśnie ta zależność jest
główną przyczyną, dzięki której wydajność oraz energooszczędność procesorów następuje w tak szybkim
tempie. Produkcja procesorów staje się jednocześnie coraz tańsza.
Rys. 1 - Od piasku do wafla
Aby pokazać, o jakich rzędach wielkości mowa, nasuwa się następujące porównanie: jeden tranzystor w
32-nanometrowym procesorze ma szerokość około 100 nanometrów – co odpowiada mniej więcej
-1-
rozmiarowi wirusa grypy. Dla porównania atom krzemu ma szerokość ok. 0,26 nanometra. Biorąc pod
uwagę tak małe wymiary, nie dziwi również finansowy rozmach skomplikowanej technologii
wytwarzania układów – Intel zainwestował blisko 7 mld dolarów w cztery fabryki w Stanach
Zjednoczonych w celu wdrożenia nowej technologii produkcji procesorów.
1 obcy atom na 10 mld atomów krzemu
Najważniejszy materiał bazowy wszystkich procesorów od lat pozostał niemal niezmieniony, a wraz z
nim również wstępna faza produkcyjna. Pierwszym krokiem jest zawsze wytworzenie ingotów, czyli w
tym wypadku walców składających się z bardzo czystego krzemu (patrz infografika). W tym celu
koncerny chemiczne rozgrzewają piasek kwarcowy aż zacznie się topić, po czym jest on czyszczony, tak
aby osiągnąć jakość nadającą się na potrzeby elektroniki. Przyjmuje się, że na 10 miliardów atomów
krzemu może znaleźć się zaledwie jeden obcy atom.
Z tak oczyszczonego krzemu zostaje wyciągnięty monokryształ w formie kolumny o masie kilkuset
kilogramów.
Następnie monokryształ zostaje pocięty diamentową piłą na cienkie warstwy (wafle), które są myte,
polerowane oraz dokładnie badane za pomocą techniki laserowej w poszukiwaniu wad. Producenci
półprzewodników, np. Intel, kupują te wafle krzemowe w celu wykorzystania ich we własnym procesie
technologicznym.
Obecnie stosowane wafle krzemowe mają rozmiar 30 cm. Jednak Intel wraz z tajwańskim producentem
TSMC oraz koreańskim Samsungiem postanowił przejść od roku 2012 na jeszcze tańsze 45centymetrowe wafle.
W ich przypadku na „ścinkowe” obszary przy krawędziach przypada zdecydowanie mniejsza
powierzchnia.
Rys. 2 – Fotografia i wytrawianie:
W kolejnych krokach postępuje się już według wytycznych projektantów procesorów. Architektura
układu, składająca się z wielu milionów tranzystorów, zapisana jest na komputerze typu mainframe. Na
bazie tych danych, stosując napromieniowanie jonami, zostają wytworzone odpowiednie „maski”, które
służą w pewnym sensie jako negatywy przy stosowanym w kolejnym kroku procesie fotolitografii. Wafle
są najpierw pokrywane światłoczułą emulsją, a następnie naświetlane. W efekcie naświetlona emulsja
staje się rozpuszczalna i może zostać usunięta.
-2-
Niechronione miejsca są następnie wytrawiane kwasem – na waflu pozostaną jedynie pożądane ścieżki,
które mogą zostać połączone stykami znajdującymi się na powierzchni. Przy tym konieczne jest
postępowanie z najwyższą dokładnością, już odchylenie maski o jeden mikrometr (czyli tysięczną część
milimetra) wystarczy, aby wafel krzemowy zamienić w odpad.
Wysokie upływy prądu grożą zakończeniem działania prawa Moore’a
Na duże problemy przy tworzeniu tranzystorów natknięto się w 2003 r. Warstwa izolacyjna składająca się
z dwutlenku krzemu, która w przypadku tranzystora polowego oddzielała kanał od bramy, przy procesie
produkcyjnym 65 nanometrów miała grubość zaledwie 1,2 nanometra. Ponieważ atom krzemu ma
wielkość 0,26 nanometra mówimy o warstwie izolacyjnej grubości jedynie pięciu atomów! Dalsze
zmniejszanie grubości warstwy izolazyjnej okazało się niemożliwe: pojedyncze elektrony ze względu na
efekty kwantowe zaczęły przeniknąć przez izolator, co powodowało znaczny wzrost upływu prądu. W
efekcie prowadziło to do wysokiego zużycia energii.
Rys. 3 – Wytrawiane i implantowanie jonowe
Już przed kilkoma laty obowiązywanie prawa Moore’a stanęło więc po niemal czterech dziesięcioleciach
pod znakiem zapytania, „gdyż niemal skończyły się atomy, z których można zrezygnować”, jak to
określił odpowiedzialny za szczegóły technologii wytwarzania procesorów Mark T. Bohr, który w Intelu
odpowiada za architektury procesorów.
Tajemnicze metale: przełom dzięki nowym materiałom
Po intensywnych badaniach rozwiązaniem problemu okazało się stworzenie tranzystora przy użyciu
dwóch nowych materiałów, które są znane pod skomplikowany określeniem High-K Dielectric Plus
Metal Gate. Przede wszystkim niezbędny okazał się materiał, który mógłby zastąpić dwutlenek krzemu w
roli izolatora. Poszukiwano związku, który ma wyższą wartość K. „K” oznacza dielektryczną stałą, czyli
zdolność materiału do koncentrowania pola elektrycznego. Oczekiwania firmy Intel spełnił hafn,
nietrujący metal ciężki (liczba porządkowa 72 w układzie okresowym), a raczej tlenek hafnu. Wygrał
„konkurencję” z innymi równie egzotycznymi pierwiastkami, jak cyrkon czy lantan.
-3-
Rys. 4.- Nałożenie metali, warstwy metali.
Ponadto znaleziono metal, który przy bramie tranzystora może zatrzymać 100-krotnie więcej elektronów
niż dotychczas stosowany monokryształ krzemu. Intel traktuje informację o tym metalu niczym tajemnicę
państwową. W każdym razie od wdrożenia technologii 45 nanometrów opanowano umiejętność
naparowywania poszczególnych warstw atomu – w tym procesie wykorzystuje się gaz, który potrafi się
odłożyć jedynie w wybranej warstwie atomu. Ten proces jest powtarzany oddzielnie dla każdej wybranej
warstwy atomów.
Przed połączeniem układy lecą przez pół świata
Równie ważną czynnością jak zmiana procesu technologicznego jest też możliwość optymalizacji
istniejącego już procesu. Przykładowo, zdołano obniżyć grubość warstwy izolacyjnej z 1,0 do 0,9
nanometra, co natychmiast spowodowało sięgający nawet 22 proc. wzrost wydajności. Upływ prądu
udało się zredukować pięciokrotnie w wypadku tranzystorów typu NMOS oraz nawet dziesięciokrotnie w
wypadku tranzystorów PMOS.
Gotowe tranzystory są następnie łączone z kilkoma warstwami miedzianych ścieżek. Proces jest
powtarzany wielokrotnie (dla łącznie dziewięciu warstw ścieżek miedzianych oraz Low-K), w efekcie
powstaje wielowarstwowy, skomplikowany szablon składający się z przewodzących ścieżek. Układy są
gotowe po naniesieniu warstw metali oraz izolującej emulsji. W kolejnym kroku układy zostają wycięte z
wafla krzemowego piłami diamentowymi, a następnie są przewożone do oddzielnej fabryki zajmującej
się montażem i diagnostyką (z ang. Test and Assembly Fab).
Dla stabilności systemu nieodzowne jest precyzyjne pozycjonowanie laminatu. Również heatspreader,
czyli metalowa blaszka na procesorze, odgrywa decydującą rolę przy ochronie i chłodzeniu układu
krzemowego – przekazuje ciepło do radiatora.
-4-
Rys. 5. – Sprawdzenie/ Cięcie wafla
W końcowej fazie następuje klasyfikacja na podstawie wydajności. Procesor jest testowany przy stale
rosnącym obciążeniu, podczas którego jest mierzona temperatura. Jeżeli procesor pozostaje chłodny
nawet przy wysokich wartościach taktowania, otrzymuje wyższą kategorię, natomiast mocniej grzejące
się sztuki otrzymują niższą klasyfikację.
Następnie dla procesorów zostaje ustalony mnożnik oraz numer modelu nadrukowany metodą laserowego
grawerowania. Po zakończeniu tej procedury procesory są hurtowo wysyłane na tacach transportowych
do producentów typu OEM bądź w opakowaniach handlowych przeznaczonych dla użytkowników
końcowych.
Intel planuje na 2011 rok produkcję procesorów w technologii 22 nanometrów
Pierwsze procesory wytworzone w procesie 32 nanometrów noszą nazwy Core i3 oraz i5. W przypadku
modeli do komputerów stacjonarnych (kryptonim Clarkdale) oraz notebooków (Arrandale) pod
heatspreaderem znajdą się dwa niezależne układy. Są to dwurdzeniowy procesor o 32-nanometrowej
szerokości ścieżek oraz rdzeń graficzny, który jest obecnie jeszcze wytwarzany w technologii 45
nanometrów. Wraz z upływem kolejnego roku mają powstać „czyste” 32-nanometrowe procesory
przeznaczone do wszystkich rodzajów produktów – począwszy od wykorzystania w serwerach, poprzez
układy dla użytkowników o wysokich wymaganiach, do kolejnej generacji procesorów serii Atom o
kryptonimie Medfield, które mają umożliwić powstanie bardziej energooszczędnych notebooków. To
samo dotyczy procesorów typu „System on a Chip” w 32 nanometrach, które znajdą zastosowanie w
aparaturze przemysłowej i smartfonach.
Rys. 6. - Składanie, test wydajności oraz gotowy procesor.
-5-
Podczas gdy produkcja procesorów w technologii 32 nanometrów dopiero się rozpoczyna, kolejna
generacja technologii wytwarzania jest już rozwijana. Intel już we wrześniu zeszłego roku zaprezentował
pierwsze testowe wafle o 22-nanometrowych ścieżkach. Jest to wskazówka, że tranzystory w ciągu
dwóch lat ponownie zmaleją, a prawo Moore’a będzie nadal obowiązywać.
Branża półprzewodnikowa ma co najmniej do 2011 roku nakreślony wyraźnie kierunek. Po tej dacie
mogą znów pojawić się problemy techniczne. Dotychczas stosowana litografia wykorzystuje światło o
długości fali rzędu 193 nanometrów – precyzyjne naświetlanie systematycznie malejących układów taką
wiązką staje się coraz trudniejsze. Co prawda, następca tej metody wykorzystujący ultrafiolet – Extreme
Ultraviolet Lithography (EUV) – działa przy długości fali zaledwie 13,5 nanometra, ale pozostaje jeszcze
w powijakach.
Jakie sztuczki będą więc niezbędne w 2013 r., aby z piasku stworzyć miniaturowe cudo techniczne o
szerokości ścieżek rzędu 15 nanometrów? My tego nie wiemy. Taką wiedzą dysponuje zaledwie kilku
badaczy Intela, a ci będą ją chronić niczym tajemnicę państwową.
-6-