Inne
Artykuł
Piotr Urbaniak, Sobota, 21 kwietnia 2018, 17:00

Kiedy tylko zostaje wprowadzony nowy procesor czy nowa karta graficzna, wszyscy bardzo żywiołowo zaczynamy dyskutować o technologii i specyfice produkcji. Jedni debatują nad klasą procesu technologicznego, inni – nad jakością wykonania, na przykład spoiwem użytym do zespolenia rdzenia z rozpraszaczem ciepła. Często takie rozmowy ograniczają się do zewnętrznych obserwacji, bez wnikania w szczegółowe aspekty techniczne oraz ich genezę. 

A czy zastanawialiście się kiedyś nad tym, jak produkuje się współczesne układy i z czego faktycznie wynikają ich parametry? Dzięki niniejszemu artykułowi, mam nadzieję, cały ten proces przestanie być tajemnicą.

Krzem (Si, łac. silicium) – słyszał o nim każdy. Jest przecież najpopularniejszym i najlepiej opracowanym spośród półprzewodników, dzięki czemu idealnie nadaje się do wytwarzania układów cyfrowych.

Wprawdzie coraz częściej pojawiają się pogłoski o próbach stosowania materiałów alternatywnych, ale w najbliższym czasie nie ma co na to liczyć. Bardziej odporny na zakłócenia elektromagnetyczne od krzemu, a przez to teoretycznie dopuszczający znacznie wyższe częstotliwości taktowania arsenek galu jest nie pierwiastkiem, lecz dwuatomowym związkiem chemicznym, co zdecydowanie zwiększa koszty uzyskania czystych kryształów. Z kolei wywodzący się z węgla grafen to struktura dwuwymiarowa, o grubości dokładnie jednego atomu. Jego produkcja jest jeszcze droższa i mniej dopracowana, niż w przypadku arsenku galu. I tak źle, i tak niedobrze, a na polu bitwy pozostaje tylko krzem. Siłą rzeczy to właśnie od niego rozpoczyna się proces produkcji każdego współczesnego układu.

Zobacz nasze pozostałe felietony - jest w czym wybierać

Ale jak już zdążyłem poniekąd zasugerować, do wytworzenia układu niezbędne jest podłoże czyste, a krzem w takiej formie w przyrodzie nie występuje. Powszechnie można go natomiast spotkać pod postacią krzemionki, związku chemicznego o symbolu SiO2, czyli połączenia jednego atomu krzemu i dwóch atomów tlenu, zwanego bardziej naukowo ditlenkiem krzemu. Tak więc najpierw, zanim w ogóle będzie można myśleć o wyprodukowaniu chipu, należy uzyskać monokryształ krzemu, przez co należy rozumieć perfekcyjnie czystą strukturę krzemową, o atomach uporządkowanych w powtarzalną sieć we wszystkich trzech wymiarach. Otrzymany kryształ zostaje pocięty nożem diamentowym na plastry, które to, po uprzednim wyczyszczeniu delikatnym kwasem i wypolerowaniu, stanowią wreszcie podłoże wyjściowe, wafel krzemowy.

Ciekawostką jest to, że metodę produkcji monokryształów krzemowych opracował w 1916 roku polski chemik Jan Czochralski. Dlatego mówi się czasem o metodzie Czochralskiego. Polega ona na stopieniu krzemionki w piecu indukcyjnym, a następnie powolnym i jednostajnym wyciąganiu zarodka krystalicznego, przy ruchu obrotowym samego zarodka oraz naczynia. Tak powstały kryształ ma cylindryczny kształt, a także średnicę określoną prędkością (przesuwu oraz obrotową) i parametrami układu użytego do hodowli, przy czym jego masa może wynosić nawet 100 kg, czystość chemiczna zaś – 99,9999%.

Obecnie stosuje się wafle o średnicy 300 mm i grubości 775 µm, choć Intel już na początku 2013 roku chwalił się uzyskaniem wafla 450-milimetrowego. W tym celu Niebiescy otworzyli nawet fabrykę Fab 42, lecz po nieco ponad roku porzucili całe przedsięwzięcie i ogłosili, że chcą utrzymać bieżący standard aż do roku 2023. Im większy wafel, tym niższe stają się koszty produkcji pojedynczego układu, ale zarazem rośnie trudność uzyskania materiału wyjściowego. Coś za coś.

Można by powiedzieć, że właściwa produkcja procesora, czy to centralnego, czy graficznego, rozpoczyna się dopiero na tym etapie, bo fabryki rdzeni, takie jak zakłady GlobalFoundries, Intela, Samsunga czy TSMC, nie wytwarzają samodzielnie wafli, lecz kupują je u podwykonawców. Po dotarciu do miejsca docelowego wafle pokrywa się emulsją światłoczułą (zwaną także fotorezystem) i oświetla w odpowiednich miejscach tak, by nanieść oczekiwaną strukturę. Zabieg ten określa się mianem fotolitografii, a klasa procesu technologicznego (mówiąc kolokwialnie: liczba nanometrów) zależy od rozdzielczości układu optycznego lasera, a więc długości fali świetlnej. Z tym że graniczna długość fali to 193 nm, którą to osiągają lasery UV z fluorkiem argonu. Krótsze fale ulegają absorbcji przez tlen, a to ledwie wierzchołek monumentalnej góry lodowej, jeśli chodzi o możliwe problemy.

Sprawdź ceny współczesnych procesorów Intela

Ponieważ bezpośrednie skierowanie wiązki o wspomnianej długości fali na powierzchnię wafla najmniejszą jednostką w samym układzie czyni 105 nm, zaczęto eksperymentować z rozbijaniem tejże wiązki, najpierw przez maski przesuwające fazę, a wkrótce potem – układy refleksyjne. Druga ze wspomnianych technik jest o tyle intrygująca, że kompletnie zrezygnowano w niej z soczewek, co uczyniło cały układ, w tym maski, refleksyjnym. Przy czym rozbijanie wiązki powoduje spadek wydajności lasera, przez co naświetlanie należy przeprowadzać kilkukrotnie. Dla przykładu, według nielicznych dostępnych źródeł mówiących o tym zagadnieniu 14-nanometrowe procesory Intela naświetlane są czterokrotnie w każdej fazie produkcji. Co oczywiste, zwiększa to koszty względem poprzednich procesów, ale różnica ta jest kompensowana, zdaniem producenta, przez wzrost zagęszczenia tranzystorów.

Właśnie, tranzystorów, które w tym miejscu należy bezwzględnie zdefiniować, bo są one kluczowym elementem każdego układu cyfrowego, bez którego znajomości nie da się zrozumieć mechanizmów i pojęć związanych z produkcją takich struktur. Otóż współczesne procesory składają się z miliardów tranzystorów, a te same w sobie są złożone. Każdy tranzystor ma trzy elektrody. Dwie z nich, zwane źródłem i drenem, tworzą kanał prądowy. Umieszczona wzdłuż nich trzecia elektroda, tak zwana bramka, po przyłożeniu napięcia zmienia przewodnictwo kanału. Nawiasem mówiąc, termin FinFET, pojawiający się często przy oznaczeniu klasy procesu technologicznego, determinuje rodzaj użytej bramki. Jeśli obejmuje ona kanał prądowy z dwóch lub więcej stron, to mamy do czynienia z tym właśnie rozwiązaniem. Chyba że mówimy o produktach Intela, który stosuje odrobinę uproszczony wariant, TriGate.

To z grubsza tyle, jeśli chodzi o same tranzystory. Spragnionych bardziej szczegółowej wiedzy odsyłam do jednej ze starszych publikacji, poświęconej właśnie temu zagadnieniu.

W kontekście dzisiejszego tematu warto ponownie podkreślić to, że tranzystor jest elementem złożonym. Stąd charakteryzuje się wieloma różnymi wielkościami (rozpiętość bramki, szerokość finu itd.). Analizując procesor wyprodukowany w procesie litograficznym danej klasy, można ani razu nie natrafić na wielkość pokrywającą się z deklarowanym wymiarem technologicznym. Dość powiedzieć, że oznaczenia kolejnych technologii produkcji od jakiegoś czasu stały się wyłącznie umowne, na mocy ustaleń pomiędzy największymi producentami. I tak przykładowo proces technologiczny klasy 12 nm FinFET to według TSMC ledwie ulepszony pod kątem sprawności energetycznej proces klasy 16 nm FinFET, który z kolei współdzieli liczne cechy (np. powłoki interkonekcyjne, o których za moment) z procesem klasy 20 nm FinFET. Marketing w najwyższej formie.

Wróćmy jednak do kwestii produkcji. Zatrzymaliśmy się na naświetlaniu wafla, ustaliwszy, że nie jest to proces jednoetapowy. Krzem po wystawieniu na działanie światła UV wywołuje się roztworem trawiącym warstwy (np. fluorowodorem) i raz jeszcze pokrywa fotorezystem, naświetla i czyści. Takich cykli może być nawet kilkadziesiąt. Na tym etapie tranzystory nabierają wyglądu bliskiego ostatecznemu, ale wciąż nie są funkcjonalne. Krzem ma, jak zresztą każdy półprzewodnik, umiarkowanie wysoki opór właściwy, jednak chemiczne domieszkowanie go pozwala zwiększyć przewodnictwo. Dlatego do struktury kryształu wprowadza się, przez wstrzelenie z prędkością sięgającą 300 km/godz. (implantacja), atomy fosforu bądź boru, rzadziej arsenu lub galu. Tworzy się wtedy, zależnie od domieszki, przewodnictwo elektronowe (zwiększona koncentracja elektronów) albo dziurowe (brak elektronów w paśmie walencyjnym). Dopiero na tak spreparowanych tranzystorach można utworzyć ostateczną warstwę izolacyjną z utlenionego krzemu, jednocześnie wytrawiając przyszłe punkty połączeń. Te ostatnie powstają podczas kąpieli (galwanizacja) wafla w roztworze siarczanu miedzi. Nadmiar substancji ponownie musi zostać usunięty.

W rezultacie rodzą się miliardy gotowych do pracy, lecz wciąż odrębnych, niepołączonych ze sobą tranzystorów. Co za tym idzie, fabryka musi wykonać pajęczynę połączeń, zwanych interkonektorami. Schemat siatki jest określony przez mikroarchitekturę danego układu. Patrząc od strony realizacji, wygląda to podobnie do obróbki wafla krzemowego. Mianowicie na waflu układa się kolejne warstwy miedzianej lub aluminiowej folii, wzoruje, wytrawia i nakrywa dielektrykiem (izolatorem – przeważnie dwutlenkiem krzemu), zostawiwszy w nim punkty połączeń dla wyższych warstw. W międzyczasie kolejne warstwy muszą być planaryzowane, czyli wypłaszczane makroskopowo, w przeciwnym razie różnice poziomów mogłyby wykroczyć poza zasięg ogniskowy litografii (a liczba takich warstw może sięgać 30).

Teraz rdzenie są teoretycznie gotowe, ale zanim staną się procesorem lub kartą graficzną, muszą zostać pocięte na osobne układy i, co nawet istotniejsze, zweryfikowane. Wstępne testy wykonywane są jeszcze na całym waflu krzemowym. Robot przepuszcza przez każdy układ odpowiedni ciąg impulsów, sprawdzając informację na wyjściu. Cięcie wafla nożem diamentowym na pojedyncze układy następuje tylko wtedy, gdy maszyna stwierdzi wystarczający odsetek jednostek sprawnych. Wycięte układy weryfikowane są ponownie, w ten sam sposób. Egzemplarze pozbawione defektów wraz z rozpraszaczem ciepła trafiają na laminat. Wciąż jednak nie są gotowe do sprzedaży.

Tutaj, nawiasem mówiąc, rozgrywa się dramat dzisiejszych zapaleńców PC. Producent podejmuje bowiem decyzję, czy rdzenie do rozpraszacza ciepła (IHS – ang. Integrated Heat Spreader) lutować, czy zastosować pastę termoprzewodzącą. Ogólnie rzecz biorąc, IHS-y stosuje się po to, żeby zwiększyć powierzchnię oddawania ciepła z rdzenia na radiator. Jak już zostało powiedziane, rdzenie wykonuje się z krzemu, a rozpraszacze – z miedzi. Miedź ma bardzo wysoką przewodność cieplną, do 400 W/(m*K), ale też równie wysoki współczynnik rozszerzalności liniowej, α = 17. Krzem też przewodzi ciepło nie najgorzej (148 W/(m*K)), jednak w miarę wzrostu temperatury, przy rozszerzalności liniowej α = 3, pozostaje względnie niezmienny. Co prawda IHS-y, żeby ograniczyć utlenianie, pokrywa się niklem (α = 13), ale sztywne – w sensie termicznym – połączenie w dalszym ciągu nie wchodzi w grę. Niezbędną elastyczność (termiczną) w połączeniu z satysfakcjonującą przewodnością ciepła, niską temperaturą topnienia i dobrą zwilżalnością krzemu zapewnia tylko ind (α = 33). Ind jednak jest materiałem niezwykle rzadko występującym w przyrodzie, a przez to drogim. Szacuje się, że koszt zlutowania pojedynczego procesora, w tym robocizny, może przekraczać 5 dolarów. W skali pojedynczej sztuki to niewiele, lecz w skali przemysłowej – bynajmniej. Jakby tego było mało, proces lutowania to jeszcze jeden etap produkcji, który pociąga za sobą ryzyko uszkodzenia części układów, a każdy odrzut produkcyjny winduje koszty. Dlatego Intel odszedł od lutowania procesorów; zamiast tego stosuje tradycyjną pastę termoprzewodzącą. Konkurencyjne AMD nie stosuje lutowania w najtańszych jednostkach, choćby ostatnich APU z rodziny Ryzen G. To tyle, jeśli chodzi o lutowanie (i nielutowanie).

A co potem? Skompletowany procesor, niezależnie od metody wykonania, trafia na końcowe testy, podczas których dokonuje się tak zwanego binowania, czyli określenia optymalnych parametrów pracy każdego egzemplarza. Układy działające stabilnie, ale częściowo niesprawne, stają się podstawą jednostek z niższych serii. Mówiąc obrazowo, Ryzen 7 1800X powstaje z dokładnie tego samego wafla krzemowego co Ryzen 3 1200, ten drugi jednak ma m.in. o połowę mniej rdzeni (niesprawne rdzenie zostają wyłączone, a AMD wciąż może coś zarobić na procesorze). Podział jest dokonywany przez wgranie odpowiednich danych do pamięci EEPROM procesora, która przechowuje podstawowe informacje dotyczące modelu: konfigurację rdzeni, częstotliwość zegara taktującego, nazwę producenta, oznaczenie itd.

Finalnie sprzęt może trafić na magazyn, skąd powędruje do producentów komputerów lub końcowych użytkowników – przynajmniej w dużym skrócie.

Uf, niniejszym dobrnęliśmy do końca. Mam nadzieję, że udało mi się pokrótce pokazać, jak produkowane są dzisiejsze układy cyfrowe, a także rozwiać część wątpliwości związanych z decyzjami producentów, zarówno w kwestii wdrażania coraz to nowszych procesów litograficznych, jak i lutowania/nielutowania układów do płytek IHS. Przy czym śledząc na spokojnie całą ścieżkę produkcyjną, nie sposób nie podziwiać w pewien sposób inżynierów, skoro wysoko wydajne monstra pokroju Core i9 oraz Threadrippera powstają z... piasku. Zaskoczeni? Tak, najoczywistszym i najpowszechniejszym źródłem krzemionki, wykorzystywanej do tworzenia układów cyfrowych, jest właśnie zwyczajny piasek. Cóż, nad Bałtykiem uważajcie w tym roku szczególnie. Możecie przypadkiem podeptać swojego przyszłego ice lake'a ;)

Ocena artykułu:
Ocen: 40
Zaloguj się, by móc oceniać
Belfor (2018.04.21, 17:12)
Ocena: 17

0%
Dobry artykuł, ale mój mózg potrzebuje odpoczynku. Natychmiast.
spaidy (2018.04.21, 17:13)
Ocena: 22

0%
I właśnie za takie artykuły lubie odwiedzać tę stronke :)
barwniak (2018.04.21, 17:16)
Ocena: 17

0%
'nad Bałtykiem uważajcie w tym roku szczególnie. Możecie przypadkiem podeptać swojego przyszłego ice lake'a ;)'

Szczęśliwie nie ma co się o to martwić. 90% wafli produkuje Japonia, piach biorą od siebie ;)
LeacH (2018.04.21, 17:21)
Ocena: 13

0%
Belfor @ 2018.04.21 17:12  Post: 1139870
Dobry artykuł, ale mój mózg potrzebuje odpoczynku. Natychmiast.

dobry, ale bardzo ogólnikowy. Tak samo zabrakło wg mnie pokazania 'wąskich' gardeł w obecnym procesie produkcji. Tak samo odnieść się do skali defektów - jak ją mierzymy dlaczego ona występuje itd. Tak to dałoby lepszy obraz skoro przeszliśmy pod koniec na procesor.
Tak samo zabrakło najważniejszej nazwy - tj Siemens (a dokładnie jego proces 'oczyszczania' krzemu z tlenu). Bo zapis jest banalny i każdy średnio rozgarnięty licealista jest w stanie go zrozumieć. Problem jest z tym co jest nad strzałką (>1350 C ) :E i nad tym pracują
spaidy (2018.04.21, 18:02)
Ocena: 6

0%
może następny art o Amd K8?
gtxxor (2018.04.21, 18:12)
Ocena: 20

0%
LeacH @ 2018.04.21 17:21  Post: 1139875
Belfor @ 2018.04.21 17:12  Post: 1139870
Dobry artykuł, ale mój mózg potrzebuje odpoczynku. Natychmiast.

dobry, ale bardzo ogólnikowy. Tak samo zabrakło wg mnie pokazania 'wąskich' gardeł w obecnym procesie produkcji. Tak samo odnieść się do skali defektów - jak ją mierzymy dlaczego ona występuje itd. Tak to dałoby lepszy obraz skoro przeszliśmy pod koniec na procesor.
Tak samo zabrakło najważniejszej nazwy - tj Siemens (a dokładnie jego proces 'oczyszczania' krzemu z tlenu). Bo zapis jest banalny i każdy średnio rozgarnięty licealista jest w stanie go zrozumieć. Problem jest z tym co jest nad strzałką (>1350 C ) :E i nad tym pracują


To jest, cholerka, stary problem 'wyważenia' treści. PCLab odwiedzają setki tys. użytkowników, a wśród nich są zarówno entuzjaści, jak i osoby chcące przeczytać coś do kawy. Najbardziej zagorzali entuzjaści i tak zapewne czytają literaturę techniczną, przez co treść formułowana jest, w miarę możliwości, tak, by zadowolić masowego odbiorcę, przekazać coś umiarkowanie zaawansowanym i ewentualnie zachęcić resztę do lektury literatury typowo naukowej.

Polecam chociażby pozycje od Rai-Choudhuriego (anglojęzyczne).


barwniak @ 2018.04.21 17:16  Post: 1139873
'nad Bałtykiem uważajcie w tym roku szczególnie. Możecie przypadkiem podeptać swojego przyszłego ice lake'a ;)'

Szczęśliwie nie ma co się o to martwić. 90% wafli produkuje Japonia, piach biorą od siebie ;)


To przecież żart, zakończony nawet emotką ;)

spaidy @ 2018.04.21 18:02  Post: 1139877
może następny art o Amd K8?


Heh, jest już w przygotowaniu ;)
Edytowane przez autora (2018.04.21, 18:13)
ci4stek (2018.04.21, 18:20)
Ocena: 4

0%
dobra robota oby więcej takich przystępnych artykułów
Macwoj (2018.04.21, 19:12)
Ocena: 9

0%
spaidy @ 2018.04.21 18:02  Post: 1139877
może następny art o Amd K8?

Też bym chętnie taki przeczytał z wytłumaczeniem o co chodzi dokładnie z 64 bitowym prockiem i czym się różni od 32 bitowego
Ze względu na obowiązującą ciszę wyborczą funkcja komentowania została wyłączona do dn. 2018-10-21 godz. 21:00.
Artykuły spokrewnione
Facebook
Ostatnio komentowane