Как устроен процессор? [HD-графика]

Привет всем, я Роуз. Добро пожаловать обратно в новый пост сегодня. Центральный процессор, иногда называемый «микропроцессором», является сердцем современных компьютеров. Характеристики и частота процессора часто считаются важнейшими показателями производительности компьютера на ПК.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Основное сырье для изготовления процессоров

Ⅱ. Подготовительный этап изготовления процессора

Ⅲ. Фотолитография

Ⅳ. Допинг

Ⅴ. Повторите процесс

Ⅵ. Тест, процесс тестирования упаковки

Ⅶ. Схема всего процесса производства Intel Core i7

Центральный процессор , иногда называемый «микропроцессором», является сердцем современных компьютеров . Характеристики и частота процессора часто считаются важнейшими показателями производительности компьютера на ПК. Архитектура Intel x86 существует уже более двух десятилетий, и процессоры архитектуры x86 оказали значительное влияние на большую часть нашей работы и жизни.

Транзистор является наиболее важным компонентом ЦП, по мнению многих знакомых, немного разбирающихся в компьютерах . Самый важный момент для повышения скорости ЦП — это выяснить, как разместить больше транзисторов в одной и той же области ЦП, потому что Процессор слишком мал и точен, и в нем так много транзисторов, что люди никогда не смогут его закончить, и его можно обработать только с помощью фотолитографии.

Вот почему процессор может иметь так много транзисторов. Транзистор представляет собой переключатель с двумя положениями: включено и выключено. Если вернуться к началу компьютерной эры, то это было все, что нужно компьютеру для выполнения работы. У машины есть две опции: включение и выключение, которые равны 0 и 1. Итак, как бы вы решили создать процессор? В сегодняшнем эссе мы шаг за шагом проведем вас через весь процесс создания центрального процессора, от кучи песка до мощного интегрального чипа.

Ⅰ. Основное сырье для изготовления процессоров

Если вы спросите, из чего сделан процессор, почти каждый ответит, что это кремний. Верно, но как туда попал кремний? На самом деле это наименее заметный песок. Трудно поверить, что дорогая, сложная, мощная и загадочная природа процессора возникла из такого бесполезного песка. Конечно, где-то посередине должен быть сложный производственный процесс. Однако для производства сырья нельзя просто взять пригоршню песка; вам придется тщательно выбирать и извлекать из него лучшее кремниевое сырье. Учитывайте качество готового продукта, если процессор изготовлен из самого дешевого и распространенного сырья; можно ли еще использовать такой высокопроизводительный процессор, как сейчас?

Металл — еще один важный компонент процессора, помимо кремния. Алюминий в значительной степени заменил медь в качестве основного металла, используемого при производстве внутренних частей процессора. Это связано с рядом факторов. Алюминий имеет гораздо лучшие характеристики электромиграции, чем медь при текущем рабочем напряжении процессора. Когда через проводник протекает значительное количество электронов, атомы вещества проводника сталкиваются с электронами и покидают свои прежние места, оставляя пустоты. Это известно как проблема электромиграции. Пребывание в других положениях вызовет короткое замыкание в других местах и нарушит логическую функцию микросхемы, что сделает ее бесполезной.

Помимо этих двух основных элементов, в процессе проектирования чипов также необходимы некоторые химические сырьевые материалы, которые выполняют различные функции, которые здесь не будут обсуждаться.

Ⅱ. Подготовительный этап изготовления процессора

После того, как соответствующее сырье будет собрано, часть этого сырья необходимо будет подвергнуть предварительной обработке. Обработка кремния имеет решающее значение, поскольку это наиболее важный сырьевой элемент. Кремниевое сырье сначала подвергается химической очистке, доводя его до качества, пригодного для использования в полупроводниковой промышленности. Это кремниевое сырье должно иметь такую форму, чтобы соответствовать технологическим требованиям производства интегральных схем. В этом процессе используется плавление кремниевого сырья и впрыскивание жидкого кремния в массивные высокотемпературные кварцевые контейнеры.

Затем сырье плавится при очень высокой температуре. Многие материалы, в том числе кремний, имеют внутренние атомы с кристаллической структурой, как мы учили на уроках химии в средней школе. Монолитное кремниевое сырье должно быть чрезвычайно чистым и монокристаллическим, чтобы соответствовать критериям высокопроизводительных процессоров. Затем кремниевый сырьевой материал вытягивается из высокотемпературного контейнера, и в этот момент формируется цилиндрический слиток кремния. Диаметр круглого сечения кремниевого слитка по существующей технологии составляет 200 мм.

Однако Intel и некоторые другие компании начали использовать кремниевые слитки диаметром 300 мм. Расширить площадь поперечного сечения, сохранив при этом различные характеристики кремниевого слитка, сложно, но это все же возможно, если корпорация готова вкладывать значительные средства в исследования. Intel потратила около 3,5 миллиардов долларов на строительство завода по проектированию и производству кремниевых слитков диаметром 300 мм, а успех новой технологии позволил Intel производить более сложные и мощные интегральные схемы. Завод по производству 200-миллиметровых слитков также обошелся в 1,5 миллиарда долларов.

Следующий шаг — нарезать этот цилиндрический кремниевый слиток после того, как он будет изготовлен и подтвержден, что он является абсолютным цилиндром. Чем тоньше кусочек, тем меньше материала вы будете использовать и тем больше процессорных чипов вы сможете изготовить. Секции также имеют зеркальную полировку, чтобы обеспечить идеально гладкую поверхность перед оценкой на предмет деформации или других проблем. Проверка качества на этом этапе очень важна, поскольку она напрямую влияет на качество готового процессора.

Новые срезы обрабатываются химическими веществами, чтобы превратить их в настоящие полупроводники, а затем на них написываются транзисторные схемы, представляющие различные логические функции. Атомы легированных веществ проникают в пространства между атомами кремния, где взаимодействуют атомными силами, придавая кремниевому сырью полупроводниковые свойства. КМОП-процессы используются в современном производстве полупроводников (дополнительные металлооксидные полупроводники).

Взаимодействие между МОП-транзистором N-типа и МОП-транзистором P-типа в полупроводнике называется комплементарным. В электронной технике N и P обозначают отрицательный и положительный электроды соответственно. Срез легирован химическими веществами для создания подложки P-типа в большинстве случаев, а записанная на нем логическая схема предназначена для имитации характеристик схемы nMOS . Эта форма транзистора занимает меньше места и потребляет меньше энергии. В то же время появление pMOS- транзисторов должно быть максимально ограничено в большинстве случаев, поскольку материал N-типа необходимо имплантировать в подложку P-типа позже в производственном процессе, и эта процедура приведет к производству ПМОП- транзисторы.

Обычное секционирование завершается, когда завершается работа по объединению химикатов. Затем ломтики нагревают в высокотемпературной печи с контролируемым временем нагрева, чтобы на поверхности ломтиков образовался осадок диоксида кремния. Толщину слоя диоксида кремния можно регулировать путем тщательного контроля температуры, состава воздуха и времени нагрева. Ширина оксида затвора в 90-нанометровом производственном процессе Intel составляет всего 5 атомов. Схема затвора транзистора включает в себя этот уровень схемы затвора. Схема затвора транзистора регулирует поток электронов между транзисторами. Поток электронов строго контролируется путем регулирования напряжения на затворе независимо от напряжения входных и выходных портов.

Наложение светочувствительного слоя поверх слоя диоксида кремния является заключительным этапом процесса подготовки. В одном и том же слое этот слой материала используется для разных целей управления. При высыхании этот слой вещества обладает превосходным светочувствительным эффектом, а после процесса фотолитографии его можно растворить и удалить химическими методами.

Ⅲ. Фотолитография

В современном процессе производства процессоров это чрезвычайно сложный этап. Что заставляет вас так говорить? Техника фотолитографии включает в себя вырезание соответствующих надрезов в светочувствительном слое с помощью света определенной длины волны, что приводит к изменению химических характеристик материала. Эта технология предъявляет высокие требования к длине волны используемого света, что приводит к необходимости использования ультрафиолетового света с короткой длиной волны и линз с большой кривизной. Пятна на пластине могут повлиять на процесс травления. Травление — сложная и чувствительная процедура, состоящая из многих этапов.

Каждому процессору требуется более 20 шагов травления, а объем данных, необходимый для проектирования каждого шага процесса, измеряется десятками гигабайт (один слой травления на шаг). Более того, если выгравированные рисунки каждого слоя многократно увеличить, их можно сравнить с картой Нью-Йорка и его пригородов, и они станут значительно более сложными. Представьте себе, что вы уменьшили всю карту Нью-Йорка до размера всего 100 квадратных миллиметров. Вы можете увидеть, насколько сложна структура чипа, просто взглянув на него.

Пластину переключают, когда все эти процессы травления завершены. Через полые насечки на кварцевом трафарете коротковолновый свет попадает на светочувствительный слой пластины, после чего свет и трафарет удаляются. Материал открытого светочувствительного слоя удаляется химическим путем, и непосредственно под незанятым местом образуется диоксид кремния.

Ⅳ. Допинг

Слой диоксида кремния, который заполняет канавки, и обнаженный слой кремния под этим слоем остаются после удаления остатков материала светочувствительного слоя. После этого наносится еще один слой диоксида кремния. После этого на другой слой поликремния наносится светочувствительный слой . Другой формой затворной схемы является поликремний . Поликремний позволяет формировать затворы до того, как напряжение порта очереди транзистора вступит в силу из-за используемого металлического вещества (отсюда и фраза металл-оксид-полупроводник). Коротковолновый свет также разрушил светочувствительный слой через маску. Все необходимые схемы были по сути построены после очередного травления. После этого обнаженный слой кремния подвергается химической атаке ионами с целью формирования либо N-канала, либо P-канала. Все транзисторы и их электрические соединения созданы в результате этого процесса легирования. Каждый транзистор имеет два входа и выхода, а пространство между ними называется портом.

Ⅴ. Повторите процесс

После этого вы продолжите добавлять слои, затем слой диоксида кремния и, наконец, один раз литографию. Если вы повторите эти процессы, вы получите многоуровневую стереоскопическую архитектуру, в которой находится ваш текущий процессор. Технология нанесения металлической пленки между каждым слоем обеспечивает проводящую связь между слоями. Процессоры P4 имеют семь слоев металлических соединений, тогда как Athlon64 имеет девять слоев. Количество используемых слоев определяется исходным дизайном макета и не влияет на производительность конечного продукта.

Ⅵ. Тест, процесс тестирования упаковки

Пластины будут проверяться одна за другой в течение следующих нескольких недель, включая тестирование электрических характеристик, чтобы проверить, есть ли какие-либо логические проблемы, и если да, то на каком слое они появились и так далее. После этого каждый дефектный чип на пластине будет проверен индивидуально, чтобы определить, есть ли у него какие-либо уникальные требования к обработке.

Затем пластина разделяется на отдельные части процессорного чипа. Непрохождение первоначального теста приведет к удалению устройства. Эти нарезанные микросхемы будут упакованы таким образом, чтобы их можно было легко установить на материнскую плату, отвечающую определенным требованиям к интерфейсу. Тепловой слой покрывает большинство процессоров Intel и AMD .

Широкий спектр функционального тестирования чипа также необходим после того, как будет готов готовый продукт процессора. В этом разделе будут созданы различные сорта продукции. Поскольку некоторые микросхемы работают на относительно высоких частотах, на них маркируются названия и номера высокочастотных элементов, тогда как микросхемы, работающие на более низких частотах, заменяются и маркируются другими низкочастотными моделями. Это процессор, отвечающий за различные позиции на рынке. Кроме того, некоторые процессоры могут иметь сбои в работе чипов. Например, если у него есть ошибка в функции кэширования (чего достаточно, чтобы парализовать большинство процессоров), он отключит некоторую емкость кэша , снизит производительность и, конечно же, снизит цену продукта; это Celeron и происхождение Sempron.

Заключительный тест обычно выполняется перед установкой ЦП в коробку, чтобы проверить точность предыдущей работы. Они упаковываются и продаются по всему миру на основе рассчитанной ранее максимальной рабочей частоты.

Я полагаю, что после прочтения этой статьи вы теперь хорошо понимаете процесс производства процессоров. Производство ЦП можно считать вершиной передовой науки и техники, а сам ЦП довольно велик. Однако затраты на производство процессора астрономические, и именно здесь мы можем начать понимать, почему он такой дорогой.

Это важнейший аспект процесса тестирования. Например, в этом разделе будет разделено ваш процессор 6300 или 6400, а 6300 не является 6300 по своей природе, но после тестирования выяснилось, что процессор может стабильно работать только под стандартом 6300, поэтому процессор определен, частота зафиксирована, идентификатор определен, упакован и напечатан с номером 6300.

Возьмем, к примеру , AMD: все процессоры с одинаковым ядром производятся на одной производственной линии. Они определяются как 5600+, если надежно работают на частоте 2,8 ГГц с кэшем 1М*2 . Если кэш неисправен, проблема сокращается вдвое, становится 5400+; если с кешем проблем нет, но частота может пройти тест только на 2,6G, проблема сокращается вдвое, становится 5200+; если кеш неисправен, проблема сокращается вдвое и становится 5000+... Если партия не может работать в условиях 3800+, но может работать в условиях 3600+, она поступила в продажу. Если партии могут работать в условиях 3G, 1M*2, будет доступно более 6000 единиц. Вот почему процессоры среднего класса всегда первыми появляются на рынке, за ними следуют процессоры высокого и низкого уровня, а в последнюю очередь — заводские. Возможно, ей удастся сэкономить, установив сборочную линию по производству процессоров нижнего уровня. Различные модели Celeron и Sempron выпускались одна за другой, при этом высокопроизводительные конвейеры заменялись процессорами нижнего уровня из-за нестабильности отдельных процессоров. Sempron 64 — это сокращение кэша Athlon 64 .

Ⅶ. Схема всего процесса производства Intel Core i7

Песок: Кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре, а деоксигенированный песок (особенно кварц) содержит до 25% кремния в форме диоксида кремния (SiO2), основы полупроводниковой промышленности.

Плавка кремния: выполняется на уровне пластины размером 12 дюймов/300 мм и то же самое делается ниже. Благодаря многоступенчатой очистке кремний можно использовать для производства полупроводников; техническое обозначение — кремний электронного качества (EGS), и на миллион атомов кремния приходится не более одного атома примеси. На этой иллюстрации изображен процесс получения крупных кристаллов кремния путем очистки и плавки, при этом конечным продуктом является кремниевый слиток (Слиток).

Слиток монокристаллического кремния: он имеет цилиндрическую форму, весит около 100 килограммов и имеет чистоту кремния 99,9999 процента.

Резка кремниевых слитков: поперечная резка на одиночные круглые кремниевые пластины, часто называемые пластинами, выполняется поперечно. Кстати, вы уже поняли, почему вафли все одинаковой формы, да?

Вафли: нарезанные вафли полируются до зеркального блеска, а поверхность можно даже использовать в качестве зеркала. Интел . фактически не производит такие пластины; вместо этого она получает готовую продукцию от сторонних полупроводниковых компаний и обрабатывает ее на собственных производственных линиях, таких как нынешний распространенный 45-нм HKMG (металлический затвор с высоким содержанием K). Стоит отметить, что размер пластины, использованный корпорацией Intel на момент ее создания, составлял всего 2 дюйма/50 мм.

Фоторезист: жидкость фоторезиста, впрыскиваемая в процессе вращения пластины, аналогичная той, которая используется для производства классических пленок, показана синим цветом. Фоторезист может быть уложен очень тонким и плоским благодаря вращению пластины.

Фотолитография: после воздействия ультрафиолетового света через маску слой фоторезиста становится растворимым, и возникающая химическая реакция аналогична изменению пленки, которое происходит при нажатии затвора механической камеры. На маске печатается заранее разработанный рисунок схемы, и ультрафиолетовый свет проникает через него на слой фоторезиста, образуя каждый слой схемы микропроцессора . Полученный рисунок схемы на пластине составляет примерно четверть размера маски.

Литография: используется для создания транзисторов размером 50–200 нанометров. Из одной пластины можно собрать сотни процессоров, но здесь мы сосредоточимся только на одном, демонстрируя, как производить транзисторы. Транзистор управляет направлением тока, действуя как переключатель. Современные транзисторы настолько малы, что на одном выводе может находиться до 30 миллионов из них.

Растворяющийся фоторезист: фоторезист, подвергшийся воздействию ультрафиолетового света в процессе фотолитографии, растворяется, оставляя рисунок, идентичный рисунку на маске.

Травление: химические вещества используются для растворения открытых участков пластины, а фоторезист защищает части, которые не следует травить.

Удалите фоторезист: после травления миссия фоторезиста выполнена, и запланированный рисунок схемы можно увидеть после всех удалений.

Фоторезист: еще раз залейте фоторезист (синюю часть), затем фотолитографию и смойте экспонированный участок; оставшийся фоторезист по-прежнему используется для сохранения материала, который не будет подвергаться ионной имплантации.

Ионная имплантация: твердый материал бомбардируется (имплантируется) ускоренными ионами легируемых атомов в вакуумной среде, создавая определенный слой имплантации и модифицируя кремний в местах имплантации. Проводимость. Инжектируемый ионный ток может достигать скорости более 300 000 километров в час после ускорения электрическим полем.

Очистка фоторезиста: после ионной имплантации фоторезист удаляется, а имплантированная область (зеленый цвет) легируется различными атомами. Стоит отметить, что зеленый цвет теперь другой, чем был раньше.

Транзистор готов: Транзистор на данный момент почти готов. Для связи с другими транзисторами в изолирующем слое (пурпурный) были вытравлены три отверстия и заполнены медью.

Гальваническое покрытие: Гальваническое покрытие — это процесс нанесения ионов меди на транзисторы путем нанесения гальванического покрытия из сульфата меди на пластину. Ионы меди будут течь от положительного (анода) к отрицательному (катоду) электроду (катоду).

Медный слой: ионы меди осаждаются на поверхности пластины после гальванического покрытия, образуя тонкий медный слой.

Полировка: лишняя медь удаляется путем полировки поверхности пластины.

Металлический слой: Уровень транзистора, комбинация из шести транзисторов размером около 500 нанометров. Конкретное расположение зависит от конкретных возможностей, требуемых отдельным ЦП. Между различными транзисторами создаются составные металлические слои межсоединений. Поверхность чипа кажется необычайно гладкой, однако она может содержать 20 слоев сложных схем, а при увеличении можно увидеть чрезвычайно сложную сеть схем, напоминающую футуристическую многоуровневую систему шоссе.

Тест пластины: уровень ядра, примерно 10 мм/0,5 дюйма. Здесь показан участок пластины, проходящий первоначальный функциональный тест, в ходе которого сравнивается каждый чип с использованием эталонной схемы схемы.

Нарезка пластины: 300 мм/12 дюймов на уровне пластины. Пластина разрезается на части, каждая из которых представляет собой ядро процессора (кристалл).

Откажитесь от дефектных ядер: уровень пластины. Во время тестирования все бракованные сердечники отбрасываются, оставляя нетронутой подготовку к следующему этапу.

Одноядерный: уровень ядра. Ядро Core i7 представлено здесь как одно ядро, вырезанное из пластины.

Упаковка: уровень упаковки 20 мм/1 дюйм. Процессор состоит из трёх частей: подложки (подложки), ядра и радиатора. Подложка (зеленая) служит основой ядра процессора, обеспечивая электрическое и механическое взаимодействие с остальной частью системы ПК. Радиатор (серебристый) отвечает за отвод тепла от ядра.

Тест уровня: окончательный тест может определить основные функции процессора, такие как самая высокая частота, энергопотребление, тепловыделение и т. д., а также определить уровень процессора, например, Core i7-975 Extreme самого высокого уровня или Core i7-975 самого низкого уровня. i7-920.

Упаковка: По результатам классификационных испытаний процессоры одной марки комплектуются для отправки.

Розничная упаковка: процессоры поставляются OEM-производителям оптом или в коробках на розничный рынок после изготовления и испытаний.

Часто задаваемые вопросы о процессоре:

1. Что означает «процесс производства» процессора?

Это означает, что в процессе производства процессоров обрабатываются различные схемы и электронные компоненты, а также изготавливаются провода для соединения различных компонентов. Обычно точность его производства выражается в нанометрах (ранее микрометрах), и чем выше точность, тем более совершенен процесс производства.

2. Что означает микрон процесса производства процессора?

Микрон производственного процесса относится к расстоянию между цепями внутри ИС. Тенденция производственного процесса заключается в развитии более высокой плотности, а конструкция схем ИС с более высокой плотностью означает, что при том же размере ИС можно иметь более высокую плотность и более сложную схему.

3. Почему бы вам не использовать серебро в качестве проводника при производстве процессоров?

Проводимость чистого серебра самая лучшая, но оно легко окисляется на воздухе, а цена высокая, а оксид серебра приходится закорачивать в слабых электрических условиях.

Самые ранние межсоединения чипов были изготовлены из алюминия. Самая простая причина в том, что металлическую проволоку нужно делать на кремнии, и совместимость атомов алюминия с решеткой кремния лучше, и процесс проще реализовать. На разработку передовых технологий создания медных межсоединений потребовалось много лет. Теперь все интерфейсы позолочены, золото имеет хорошую проводимость и устойчиво к окислению.

4. Из каких материалов изготовлены процессоры?

Компьютерные процессорные чипы изготовлены из материала, называемого «монокристаллический кремний». Монокристаллический кремниевый материал перед резкой представляет собой тонкий круглый кусок, называемый «пластиной».

5. Почему процессоры такие дорогие?

Процессоры дорогие, поэтому естественно стоимость будет не ниже. Пластины приобретаются на заводе и состоят из одной оптической пластины с эпитаксиальными слоями толщиной в несколько микрон на поверхности. Конечно, для перехода от пластины к процессору требуются сотни шагов. Если во всем производственном процессе происходит небольшое отклонение, нам придется начинать все сначала. Этот процесс – деньги.