Статья Трудности производства процессоров

Недавно в московском Политехническом музее стенд вычислительной техники серьезно обновился — компания Intel разместила там свой стенд, который получил название "От песка до процессора". Отныне этот стенд станет неотъемлемой частью школьных экскурсий, но даже взрослым я советую не откладывать посещение заведения на срок более пяти лет – к 2016 году компания Intel планирует серьёзно «проапгрейдить» музей, чтобы он смог войти в десятку лучших музеев науки в мире!


Мне не стыдно признаться – большая часть данного текста действительно является конспектом лекции, которую провел Николай Суетин, директор по внешним проектам в сфере исследований и разработок Intel в России. По большей части, речь шла про современные полупроводниковые технологии и проблемы, которые перед ними стоят.

Предлагаю приступить к чтению интересного, и начнем мы с самых основ.
Процессор

Технически современный микропроцессор выполнен в виде одной сверхбольшой интегральной схемы, состоящей из нескольких миллиардов элементов — это одна из самых сложных конструкций, созданных человеком. Ключевыми элементами любого микропроцессора являются дискретные переключатели – транзисторы. Блокируя и пропуская электрический ток (включение-выключение), они дают возможность логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе. Размеры транзисторов измеряются в нанометрах. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная (10−9) часть метра.

На срезе одного человеческого волоса можно разместить более 2000 транзисторных затворов, выполненных по 45-нм производственной технологии. Если говорить о нанотехнологиях более предметно, то в 2008 году более 227 миллиардов долларов выпущенных полупроводниковых чипов составили почти весь «нано»-рынок, в то время как магнитные диски, оптоэлектроника и т.д. до сих пор составляет не более 15%.

Основную часть работы при создании процессоров делают вовсе не люди, а роботизированные механизмы – именно они туда-сюда таскают кремниевые пластины. Цикл производства каждой пластины может доходить до 2-3 месяцев.


Более подробно (и наглядно) про технологию производства процессоров я еще расскажу, ну а пока совсем вкратце.

Пластины действительно делаются из песка – по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Путем химических реакций оксид кремния (SiO2) тщательно очищают, делая из «грязного» чистый. Для микроэлектроники нужен монокристалличский кремний – его получают из расплава. Все начинается с небольшого кристалла (который и опускают в расплав) – позже он превращается в специальный монокристаллический «буль» ростом с человека. Далее убираются основные дефекты и специальными нитями (с алмазным порошком) буль нарезается на диски – каждый диск тщательно обрабатывается до абсолютно ровной и гладкой (на атомарном уровне) поверхности. Толщина каждой пластины около 1мм – исключительно для того, чтобы она не ломалась и не прогибалась, то есть, чтобы с ней было можно комфортно работать.

Диаметр каждой пластины составляет ровно 300мм – чуть позже на этой площади «вырастут» сотни, а то и тысячи процессоров. К слову, компании Intel, Samsung, Toshiba и TSMC уже сообщили о том, что занимаются разработкой оборудования, способного работать с 450мм-пластинами (на большей площади поместится больше процессоров, а значит и цена каждого будет ниже) – переход на них планируется уже к 2012 году.

Вот изображение поперечного сечения процессора:


Сверху находится защитная металлическая крышка, которая помимо защитной функции, так же выполняет роль теплораспределителя – именно ее мы обильно мажем термопастой, когда устанавливаем кулер. Под теплораспределителем находится тот самый кусочек кремния, который выполняет все пользовательские задачи. Еще ниже – специальная подложка, которая нужна для разводки контактов (и увеличения площади «ножек»), чтобы процессор можно было установить в сокет материнской платы.

Сам чип состоит из кремния, на котором находится до 9 слоев металлизации (из меди) – именно столько уровней нужно, чтобы по определенному закону можно было соединить транзисторы, находящиеся на поверхности кремния (так как сделать все это на одном уровне просто невозможно). По сути, эти слои выполняют роль соединительных проводов, только в гораздо меньшем масштабе; чтобы «провода» не закорачивали друг друга, их разделяют слоем оксида (с низкой диэлектрической проницаемостью).


Как я уже писал выше, элементарной ячейкой процессора является полевой транзистор. Первые полупроводниковые изделия были из германия и первые транзисторы изготавливались из него же. Но как только начали делать полевые транзисторы (под затвором которого находится специальный изолирующий слой — тонкая диэлектрическая пленка, управляющая «включением» и «выключением» транзистора), германий тут же «вымер», уступив дорогу кремнию. Последние 40 лет в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался диоксид кремния (SiO2), что было обусловлено его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров.

Правило масштабирования простое – уменьшая размеры транзистора, толщина диэлектрика должна уменьшаться пропорционально. Так, например, в чипах с техпроцессом в 65нм толщина слоя диэлектрика затвора из SiO2 составляла порядка 1.2 нм, что эквивалентно пяти атомарным слоям. Фактически, это физический предел для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора (а значит и уменьшения слоя диоксида кремния), ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастает, что приводит к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению. В таком случае слой из диоксида кремния перестает быть препятствием для квантового туннелирования электронов, из-за чего пропадает возможность гарантированного управления состоянием транзистора. Соответственно, даже при идеальном изготовлении всех транзисторов (количество которых в современном процессоре достигает нескольких миллиардов), неправильная работа хотя бы одного из них означает неправильную работу всей логики процессора, что запросто может привести к катастрофе – это если учесть, что микропроцессоры осуществляют управление работой практически всех цифровых устройств (от современных сотовых телефонов до топливных систем автомобилей).


Процесс миниатюризации транзисторов не пошел вопреки законам физики, но и компьютерный прогресс, как мы видим, не остановился. Это значит, что проблему с диэлектриком каким-то образом решили. И ведь действительно решили – при переходе на 45нм компания Intel стала использовать новый материал, так называемый high-k диэлектрик, который заменил бесперспективно тонкий слой диоксида кремния. Слой на базе окиси редкоземельного металла гафния с высоким (20 против 4 у SiO2) показателем диэлектрической проницаемости k (high-k) стал более толстым, но это позволило сократить ток утечки более чем в десять раз, сохранив при этом возможность корректно и стабильно управлять работой транзистора. Новый диэлектрик оказался плохо совместим с затвором из поликремния, но и это не стало препятствием — для повышения быстродействия затвор в новых транзисторах был выполнен из металла.


Таким образом, компания Intel стала первой в мире компанией, перешедшей к массовому производству микропроцессоров с использованием гафния. Более того, пальма первенства до сих пор принадлежит корпорации — до сих никто не может воспроизвести эту технологию, т.к. пленка из диэлектрика создается методом атомарного напыления, причем материал наносится последовательными слоями толщиной всего в один атом.
Га́фний (лат. Hafnium, Hf) — тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл, 72 элемент периодической системы, открыт в 1923 году. В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния.

Несмотря на то, что металл является редкоземельным и добывается его относительно немного, повода для беспокойства нет. Во-первых, используется не сам металл, а его оксид, во-вторых, толщина оксидной плёнки со временем будет только уменьшаться. Ну и в третьих – если взять один кубический сантиметр гафния и распределить его по поверхности слоем такой толщины, которая используется в чипах, то пленкой из гафния будет покрыта площадь, равная 10 футбольным полям. Как-то так
Интересно, после прочтения этих абзацев у вас возникла мысль о том, как миллиарды транзисторов проектируют, делают и умещают на такой маленькой площади? И как это в итоге все работает и, при этом, стоит вполне разумных денег? Я очень сильно призадумался, хотя раньше считал все это очевидным и у меня даже хватало совести думать «Эй, а чего так дорого? За один-то процессор только!»

В 1965 году один из основателей корпорации Intel, Гордон Мур, зафиксировал эмпирическое наблюдение, ставшее впоследствии знаменитым законом его имени. Представив в виде графика рост производительности микросхем памяти, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем разрабатывались спустя равные промежутки времени — примерно 18-24 месяца — после появления их предшественников, а емкость микросхем при этом возрастала каждый раз примерно вдвое.


Позже Гордон Мур предсказал закономерность, предположив, что количество транзисторов в микропроцессорах будет удваиваться каждые два года – собственно, постоянно создавая инновационные технологии, корпорация Intel обеспечивает выполнение закона Мура вот уже более 40 лет.

Количество транзисторов продолжает расти, хотя размеры процессора «на выходе» остаются относительно неизменными. Секрета, опять же, никакого нет – это становится понятным, если взглянуть на следующую зависимость.


Как видите, раз в два года топологические размеры уменьшаются в 0.7 раз. Как результат уменьшения размеров транзисторов – выше скорость их переключения, ниже цена и меньше потребляемая мощность.

На данный момент компания Intel выпускает процессоры по технологии 32нм. Ключевые технические отличия от технологии 45нм:
— используется 9 уровней металлизации
— применяется high-k диэлектрик нового поколения (тоже оксид гафния, но со специальными добавками – полученный слой эквивалентен 0.9нм оксида кремния)

Создание нового технологического процесса для создания металлического затвора привело к 22% увеличению производительности всех транзисторов (по сравнению с 45нм), а так же к самой большой плотности элементов, что потребовало самой большой плотности тока.

Производство


Компания Intel производит процессоры в трех странах – это США, Израиль и Ирландия. На данный момент у компании существует 4 фабрики для массового производства процессоров по технологии 32нм. Это: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико. И в устройстве этих заводов и в их работе есть немало интересных вещей, но об этом я расскажу в следующий раз.


Стоимость такого завода составляет порядка $5млрд, а если делать сразу несколько заводов, то сумму инвестиций можно смело умножить. Если учесть, что смена технологий происходит раз в два года, то получается, что у завода есть ровно 4 года на то, чтобы «отбить» вложенные в него $5млрд и принести прибыль. Из чего напрашивается очевидный вывод — экономика очень даже диктует развитие технического прогресса… но, несмотря на все эти огромные цифры, стоимость производства одного транзистора продолжает падать — сейчас она составляет менее одной миллиардной доллара.

Не надо думать, что с переходом нескольких фабрик на 32нм, все вдруг станет производиться по этому техпроцессу – тем же чипсетам и другим периферийным схемам это просто не нужно – в большинстве случаев в них используется 45нм. Рубеж в 22нм планируется полноценно взять уже в следующем году, а к 2013 с большой вероятностью будет и 16нм. По крайней мере, в этом году уже была сделана тестовая пластина (на 22нм), на которой была продемонстрирована работоспособность всех элементов, необходимых для работы процессора.


* UPD от nE0 * Необходимость уменьшения толщины подзатворного диэлектрика диктуется простой формулой плоского конденсатора:




Площадь затвора транзистора уменьшается, а для работоспособности транзистора емкость подзатворного диэлектрика нужно сохранять.
Поэтому приходилось уменьшать его толщину, а когда это стало невозможно нашли материал с большей величиной диэлектрической проницаемости.

Когда закончится эра кремния? Точная дата пока неизвестна, но она определенно не за горами. В технологии 22нм он еще определенно «повоюет», скорее всего и в 16нм останется… а вот дальше начнется самое интересное. Периодическая таблица, в принципе, достаточно большая и выбрать есть из чего ) Но скорее всего, всё упрется не только в химию. Увеличения эффективности работы процессора можно будет добиться либо уменьшение топологические размеры (сейчас так и делают), либо используя другие соединения, обладающие более высокой подвижностью носителей – возможно, арсенид галлия, возможно «нашумевший» и перспективный графен (кстати, у него подвижность в сотни раз выше, чем у кремния). Но и тут есть проблемы. Сейчас технологии рассчитаны на обработку пластин с диаметром в 300мм – нужного для такой пластины количества арсенида галлия просто нет в природе, а графен (ворд настойчиво предлагает писать «графин») такого размера изготовить еще крайне сложно – делать это научились, но много дефектов, проблемы воспроизведения, легирования и т.д.

Скорее всего, следующим шагом станет нанесение монокристаллического арсенида галлия на кремний, а вот потом уже графен. А, возможно, развитие микроэлектроники пойдет не только по пути улучшения технологий, но и по пути развития принципиально новой логики – такое ведь тоже исключать нельзя. Сделаем ставки, господа?


В общем, сейчас идет борьба за технологии и высокие подвижности. Но понятно одно – причин для остановки прогресса нет.

Тик-так

Процесс изготовления процессоров состоит из двух больших «частей». Для первой нужно иметь саму технологию изготовления, а для второй нужно понимание того, ЧТО изготавливать и как — архитектуру (то как соединены транзисторы). Если одновременно сделать и новую архитектуру и новую технологию, то в случае неудачи будет сложно найти «виновных» — одни будут говорить, что виноваты «архитекторы», другие – что технологи. В общем, следовать такой стратегии очень недальновидно.

В компании Intel введение новой технологии и архитектуры разнесено по времени – в один год вводится технология (и уже отработанная архитектура производится по новой технологии – если что-то пойдет «не так», то виноваты будут технологи); а когда новая технология будет отработана – архитекторы сделают под нее новую архитектуру и если на отработанной технологии что-то не заработает, то виноваты будут уже архитекторы. Такую стратегию назвали «Тик-так».

«Тик-так» (англ. tick-tock) — экстенсивная стратегия разработки микропроцессоров, анонсированная Intel на конференции Intel Developer Forum в сентябре 2006. Цикл разработки делится на две стадии — «тик» и «так». «Тик» означает миниатюризацию технологического процесса и относительно небольшие усовершенствования микроархитектуры. «Так» означает выпуск процессоров с новой микроархитектурой, но при помощи существующего технологического процесса. По планам Intel, каждая часть цикла должна занимать примерно год. Более наглядно:


С существующими темпами развития технологий, требуются фантастических размеров вложения в исследования и разработку — ежегодно Intel вкладывает в это дело $4-5млрд. Часть работы происходит внутри компании, но очень многое – за ее пределами. Просто держать в компании целую лабораторию на подобии Bell Labs (кузница нобелевских лауреатов) в наше время практически невозможно.
Как правило, первые идеи закладываются в университетах – для того, чтобы университеты знали над чем именно имеет смысл работать (какие технологии востребованы и что будет актуально), все «полупроводниковые компании» были объединены в консорциум. После этого они предоставляют своего рода roadmap – в нем говорится о всех проблемах, которые будут стоять перед полупроводниковой промышленностью в ближайшие 3-5-7 лет. По идее, любая компания вправе буквально зайти в университет и «воспользоваться» той или иной инновационной разработкой, но права на них, как правило, остаются у университета-разработчика – такой подход называется «открытыми инновациями». Компания Intel не стала исключением и периодически прислушивается к идеям студентов – после защиты, отбора на инженерном уровне и тестирования в реальных условиях, у идеи есть все шансы стать новой технологией.

Вот список исследовательских центров по всему миру, с которыми работает Intel (кроме университетов):


Увеличение производительности приводит к удорожанию фабрик, а это в свою очередь ведёт к естественному отбору. Так, например, чтобы окупить себя за 4 года, каждая фабрика Intel должна выпускать минимум 100 работающих пластин в час. На каждой пластине тысячи чипов… и если произвести определенные расчеты, то станет понятно — не будь у Intel 80% мирового рынка процессоров, компания просто не смогла бы окупать расходы. Вывод – иметь у себя и собственный «дизайн» и собственное производство в наше время достаточно накладно – как минимум нужно иметь огромный рынок. Результат естественного отбора можно видеть ниже – как видно, со своим «дизайном» и производством в ногу с техническим прогрессом шагает все меньше и меньше компаний. Всем остальным пришлось перейти в режим fabless – так, например, ни у Apple, ни у NVIDIA, ни даже у AMD нет собственных фабрик и им приходится пользоваться услугами других компаний.

Помимо Intel, к технологии 22нм во всем мире потенциально готовы только две компании — Samsung и TSMC, вложившие в прошлом году в свои фабрики более $1млрд. Причем у TSMC нет своего подразделения дизайна (только лишь foundry) – по сути, это просто высокотехнологичная кузница, которая принимает заказы от других компаний и часто даже не знает того, что куёт.


Как можно заметить, естественный отбор прошел достаточно быстро – всего за 3 года. Отсюда можно сделать два вывода. Первый – что без своей фабрики лидером индустрии стать вряд ли получится; второй – по сути, преуспевать можно и без своего завода. По большому счету хватит хорошего компьютера, мозгов и умения «рисовать» — порог вхождения на рынок сильно снизился и именно по этой причине появилось очень много «стартапов». Некто придумывает некую схему, для которой есть или искусственно создается некий рынок — начинающие производители поднимаются… PROFIT! Но вот порог на рынок foundry сильно поднялся и дальше будет только расти…

Что еще поменялось за последние годы? Если повспоминать, то года так до 2004 утверждение «чем больше частота процессора, тем лучше» было вполне справедливым. Начиная с 2004-2005 частота процессоров почти перестала расти, что связано с выходом на своего рода физические ограничения. Сейчас наращивать производительность можно за счет многоядерности — выполняя задачи параллельно. Но сделать много ядер на одном чипе не является большой проблемой – гораздо сложнее заставить их правильно работать в нагрузке. Как следствие – с этого момента роль софта кардинально возросла и значимость профессии «программист» в ближайшее время будет только набирать обороты.

В общем, подводя итог вышесказанному:
— Закон Мура продолжает действовать
— Рост стоимости разработки новых технологий и материалов, а также затраты на содержание фабрик растут
— Производительность также растет. Ожидается скачок при переходе на 450мм пластины

Как результат:
— Разделение компаний на «fabless» и «foundry»
— Outsource основных R&D
— Дифференциация за счет развития софта

The end

Вам было интересно читать? Надеюсь. Как минимум, мне было интересно все это написать и еще интересней было это слушать… хотя тоже сперва подумал, «да что на этой лекции расскажут».
А вот аудиозапись второй лекции [ Скачать / 180Мб ]

Эта лекция была посвящена истории российских микропроцессорных разработок .

Почему автор решил,что это оксид гафния наносится,а не сам металл гальваническим методом? Это очень странное утверждение,гораздо проще последовательно окислять металлические слои,например,раствором ксеноновой кислоты или перекисью водорода. Так же не понятно,почему гафний,а не тантал. У тантала тоже можно подобрать стабильный изотоп с малым ядерным сечением захвата,что,собственно,надо делать для всех применяемых веществ. Здается,что тут кто-то не владеем гальваникой,точными токами. Может проблема в фоторезисте или в рентгеновском зеркале?

А куда пропала компания GlobalFoundries? Не знаю, как у них с 22нм технологическими нормами, но 32нм они владеют.