Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.

А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?

Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.

Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа. Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Как сегодня делают процессоры

Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.

Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.

Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.

Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.

На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.

Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.

После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.

Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.

Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.

Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.

13 000 телевизоров

Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.

До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.

К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.

Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.

Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.

Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.

Процессор это сердце любого современного компьютера. Любой микропроцессор по сути является большой интегральной схемой, на которой расположены транзисторы. Пропуская электрический ток транзисторы позволяют создавать двоичную логику (вкл. – выкл.) вычислений. Современные процессоры выполняются на базе 45 нм технологии. 45нм (нанометра) это размер одного транзистора, расположенного на процессорной пластине. Еще недавно в основном использовали 90 нм технологию.

Пластины делаются из кремния, который занимает 2 место по размеру залежей в земной коре.

Кремний получают химической обработкой, очищая его от примесей. После этого его начинают выплавлять, формируя кремниевый цилиндр диаметром 300 миллиметров. Этот цилиндр, в дальнейшем разрезают на пластины алмазной нитью. Толщина каждой пластины около 1 мм. Чтобы пластина имела идеальную поверхность, после реза нитью, ее шлифуют специальной шлифовальной машиной.

После этого поверхность кремниевой пластины получается идеально ровной. Кстати многие производственные компании уже заявили о возможности работы с 450 мм пластинами. Чем больше поверхность – тем большее количество транзисторов для размещения, и тем более высокая производительность процессора.

Процессор состоит из кремниевой пластины, на поверхности которой располагается до девяти уровней транзисторов, разделенные слоями оксида, для изоляции.

Развитие технологии производства процессоров

Гордон Мур, один из основателей компании Intel, одного из лидеров производства процессоров в мире, в 1965 году на основе своих наблюдений открыл закон, по которому новые модели процессоров и микросхем появлялись через равные отрезки времени. Рост количества транзисторов в процессорах растет примерно в 2 раза за 2 года. Вот уже в течение 40 лет закон Гордона Мура работает без искажений. Освоение будущих технологий не за горами – уже есть рабочие прототипы на основе 32 нм и 22нм технологии производства процессоров. До середины 2004 года мощность процессора зависела в первую очередь от частоты процессора, но, начиная с 2005 года, частота процессоров практически перестала расти. Появилась новая технология многоядерности процессора. То есть создается несколько ядер процессора с равной тактовой частотой, и при работе мощность ядер суммируется. За счет этого повышается общая мощность процессора.

Ниже вы можете посмотреть видео о производстве процессоров.

Рассказываем об одной из главной характеристик мобильных чипсетов.

Процессор современного смартфона - сложный механизм, включающий в себя тысячи компонентов. Такие показатели, как частота и количество ядер, постепенно теряют смысл, а на смену им приходит понятие техпроцесса, характеризующее производительность и энергоэффективность процессора.

Что такое техпроцесс?

Процессор включает в себя тысячи транзисторов, которые пропускают или блокируют электрический ток, что позволяет логическим схемам работать в двоичной системе. Благодаря уменьшению размер транзисторов и расстояния между ними производители добиваются от чипсета большей продуктивности.

Уменьшенные транзисторы потребляют меньше энергии, при этом не утрачивая и производительность. Несмотря на то, что размер транзисторов напрямую не влияет на мощность, этот параметр стоит рассматривать как одну из характеристик, оказывающих влияние на скорость выполнения задач за счет конструктивных изменений в работе устройства. Размер транзистора по сути и характеризует техпроцесс процессоров.

За счет уменьшения расстояния между компонентами процессора уменьшается и объем энергии, которая необходима для их взаимодействия. Благодаря этому чипы с меньшим техпроцессом показывают большую автономность по сравнению с чипами с большим показателем технологического процесса. В отличие от большинства параметров смартфона, чем меньше число, характеризующее техпроцесс, тем лучше. В нашем случае это нанометры (нм).

Развитие техпроцесса в смартфонах

В первом Android-смартфоне HTC Dream (2008 год) процессор работал на 65-нм чипсете. В сегодняшних среднебюджетных моделях этот параметр варьируется в пределах 28-14 нм. Флагманские и игровые смартфоны часто оснащены 14 и даже 10-нм процессорами, поэтому они мощные, энергоэффективные и в меньшей степени подвержены нагреванию. Учитывая, что развитие технологий нацелено на машинное обучение и искусственный интеллект, для достижения новых высот в производительности техпроцесс с большой вероятностью будет уменьшен до 5, а потом и до 1 нм.

Выбирая смартфон, важно отталкиваться не только от количества ядер и тактовой частоты, но и обращать внимание на техпроцесс. Именно этот параметр косвенно укажет на актуальность чипсета, производительность, склонность к перегреву и автономность. На сегодняшний день устройства в среднем ценовом сегменте уже оснащены 14-нм процессорами, что на данный момент можно назвать актуальным и сбалансированным решением для любого современного смартфона.

Технологический процесс , он же , а еще точнее технологический процесс полупроводникового производства.
Раньше технологические нормы изготовления волновала только производителей. Но как видно из хронологии событий производители уменьшают нормы производства практически каждый годов. А все от того, что производитель должен уменьшать нормы производства для снижения тепловыделения, а также для повышается производительности.
Поэтому технологический процесс производства становится довольно важным параметром при выборе процессора. Ведь чем меньше техпроцесс, тем меньше энергопотребление процессора (и как следствие не нужен мощный и шумный кулер), повышается быстродействие , увеличивается количество транзисторов на одинаковой площади.

1. 90 нм — технологический процесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2002-2003 году
2. 65 нм – технологический процесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2004 году
3. 50 нм – технологический процесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2005 году
4. 45 нм – технологический процесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2006-2007 году
5. 32 нм — технологический процесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009-2010 году
6. 22 нм – производство должно начаться в конце 2012 году. Процессоры с архитектурой Intel скорее всего выпустит с интегрированным графическим ядром с архитектурой Larrabee.
7. 8 нм — как планирует компания , что бы перейти на изготовление процессоров с применением техпроцесса 8 нм, необходимо перейти на технологию «полупроводников III-V» (III-Vs), материал для выпуска транзисторов нового поколения. А название – это состав химических элементов с валентностями III и V.
8. 5 нм – если будет нормальное развитие методик массового производства, то перейти на 5-нм проектные нормы возможно будет в 2019 году, основой будут полевые транзисторы с применением углеродных нанотрубок (Carbon nanotube FET).

Компания придерживается стратегии развития технологий под названием «tick-tock», под ней подразумевается переход, при улучшении технологии, от старой архитектуры («tick») к новой «tock», один раз в два года.
Если сравнивать нормы 65 нм и 45 нм, то на одинаковых площадях размещается вдвое большее транзисторов. При этом уменьшается на 30% рассеивание мощности при переключении, а также на 20% увеличение скорости переключения транзистора. Также, в 5 раз сокращается ток утечки от истока к стоку и в 10 - ток утечки сквозь затвор транзистора. В два раза увеличилось количество транзисторов, тем самым повысилась производительность. Увеличился объем кэш-памяти второго уровня (L2) на 50%.

— есть ли предел уменьшения?

Самый первый транзистор, изготовленный учеными Bell Labs в 1947 году, по размеру был как человеческая ладонь, а 45-нм транзистор от Intel в 400 раз меньше красной кровяной клетки человека.
Но в производстве постоянно уменьшение техпроцесса приводит к некоторым затруднениям. Толщина компонента транзистора отвечающая за прохождение электронов, иначе говоря толщина диэлектрика затвора, у процессора изготовленного по техпроцессу в 65 нм, составляет всего 1.2 нм. Более 30 лет материалом диэлектрика затвора был диоксид кремния, молекула его состоит 1 атома кремния и 2 атомов кислорода. Толщина в 1.2 нм равна пяти атомарным слоям. И такой тонкий изолятор физически не в состоянии удержать токи утечки. Если диэлектрик затвора меньше 1 нм, ток утечки повышается экспоненциально.

Эту проблему решила компания , как не сложно понять решением проблемы стала замена диоксида кремния, на более качественный материал используемый для изготовления диэлектрика затвора. Так называемый изолятор high-k, изготовленный на основе гафния и обладающий высокой степенью диэлектрической проницаемости. При использовании диэлектрика high-k получилось достичь увеличения полевого эффекта транзистора и уменьшить слой диэлектрика, вместе с уменьшением тока утечки через затвор.

Так как именно техпроцесс влияет на увеличение производительности процессора, за счет конструктивных изменений. Хочу отметить, что техпроцесс, является общим понятием, как для центральных процессоров, так и для графических процессоров , которые используются в видеокартах.

Основным элементом в процессорах являются транзисторы – миллионы и миллиарды транзисторов. Из этого и вытекает принцип работы процессора. Транзистор, может, как пропускать, так и блокировать электрический ток, что дает возможность логическим схемам работать в двух состояниях – включения и выключения, то есть во всем хорошо известной двоичной системе (0 и 1).

Техпроцесс – это, по сути, размер транзисторов. А основа производительности процессора заключается именно в транзисторах. Соответственно, чем размер транзисторов меньше, тем их больше можно разместить на кристалле процессора.

Новые процессоры Intel выполнены по техпроцессу 22 нм. Нанометр (нм) – это 10 в -9 степени метра, что является одной миллиардной частью метра. Чтобы вы лучше смогли представить насколько это миниатюрные транзисторы, приведу один интересный научный факт: « На площади среза человеческого волоса, с помощью усилий современной техники, можно разместить 2000 транзисторных затворов!»

Если брать во внимание современные процессоры , то количество транзисторов, там уже давно перевалило за 1 млрд.

Ну а техпроцесс у первых моделей начинался совсем не с нанометров, а с более объёмных величин, но в прошлое мы возвращаться не будем.

Примеры техпроцессов графических и центральных процессоров

Сейчас мы рассмотрим парочку последних техпроцессов, которые использовали известные производители графических и центральных процессоров.

1. AMD (процессоры):

Техпроцесс 32 нм. К таковым можно отнести Trinity, Bulldozer, Llano. К примеру, у процессоров Bulldozer, число транзисторов составляет 1,2 млрд., при площади кристалла 315 мм2.

Техпроцесс 45 нм. К таковым можно отнести процессоры Phenom и Athlon. Здесь примером будет Phemom, с числом транзисторов 904 млн. и площадью кристалла 346 мм2.

2. Intel:

Техпроцесс 22 нм. По 22-нм нормам построены процессоры Ivy Bridge (Intel Core ix - 3xxx). К примеру Core i7 – 3770K, имеет на борту 1,4 млрд. транзисторов, с площадью кристалла 160 мм2, видим значительный рост плотности размещения.

Техпроцесс 32 нм. К таковым можно отнести процессоры Intel Sandy Bridge (Intel Core ix – 2xxx). Здесь же, размещено 1,16 млрд. на площади 216 мм2.

Здесь четко можно увидеть, что по данному показателю, Intel явно обгоняет своего основного конкурента.

3. AMD (ATI) (видеокарты):

Техпроцесс 28 нм. Видеокарта Radeon HD 7970

4. Nvidia:

Техпроцесс 28 нм. Geforce GTX 690

Вот мы и рассмотрели понятие техпроцесса в центральных и графических процессорах. На сегодняшний день разработчиками планируется покорить техпроцесс в 14 нм, а затем и 9, с применением других материалов и методов. И это далеко не предел!