Seriál: Čipy budoucnosti
Čtyřicet let po vzniku prvního mikroprocesoru se procesory staly nedílnou součástí našeho každodenního života a najdeme je všude – od chladniček až po stěrače automobilů. V tomto seriálu vám ukážeme, jak digitalizace změnila běh našich životů.
VZÁJEMNÁ SPOLUPRÁCE intel a CHIP
Jak vzniká procesor
Na začátku ledna představil Intel veřejnosti první procesory vyráběné 32nanometrovým výrobním procesem. My vám ukážeme, s jakými technickými obtížemi se museli vývojáři vyrovnat a co bylo zapotřebí změnit, aby stále platil známý Moorův zákon.
DANIEL WOLFF
Křemík je po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem na planetě Zemi (tvoří necelých 30 procent zemské kůry) a nachází se například v obyčejném křemičitém písku. Křemík, přesněji řečeno oxid křemičitý, pak tvoří základ pro výrobu mikročipů používaných v počítačích a dalších elektronických zařízeních. Přeměna běžného a levného písku v materiál, jehož čistota se hodí pro výrobu procesorů, je však hodně drahou a složitou záležitostí. Vývoj, který umožňoval neustálou miniaturizaci mikroprocesorů a který nyní vrcholí uvedením 32nm technologie, trval desítky let.
Vývoj a miniaturizace výrobního procesu hrají v oblasti polovodičů a mikroprocesorů důležitější roli než v jakémkoliv jiném současném průmyslovém odvětví a rozhodně se nezpomalují. V roce 1965 byl postulován tzv. Moorův zákon, který platí dodnes a který říká, že každé dva roky dojde ke zdvojnásobení počtu tranzistorů umístěných na stejné ploše. Právě díky miniaturizaci a s ní spojeným inovacím jsou moderní procesory vždy o něco výkonnější a přitom energeticky úspornější než jejich předchozí generace. Výhodou miniaturizace je rovněž to, že se produkce rychlejších a úspornějších čipů stává stále levnější, protože přes vzrůstající počet tranzistorů jsou procesory stále menší, a k jejich výrobě se tak spotřebuje méně materiálu.
Abychom lépe osvětlili, o jak drobných rozměrech se v souvislosti s 32nm výrobní technologií bavíme, stačí říct, že šířka tranzistoru vyráběného 32nm technologií je přibližně 100 nm, což je stejná velikost, jako má například virus chřipky. Tloušťka jediného atomu křemíku je 0,26 nm. Masová výroba procesorů tedy vyžaduje naprostou přesnost a čistotu materiálů i výrobního procesu, a není proto divu, že je její vývoj tak drahý. Intel investoval jen do přechodu z 45nm na 32nm výrobní proces téměř sedm miliard dolarů, a to jen ve čtyřech továrnách.
Výroba: Maximálně jeden cizí atom mezi deseti miliony atomů křemíku
Nejdůležitější základní materiál pro výrobu mikroprocesorů se za celá léta nezměnil, stejně jako první fáze výroby procesoru. Prvním krokem je vždy výroba "ingotu", tedy kusu materiálu vyrobeného ze superčistého monokrystalického křemíku (viz výše). Přípravu těchto ingotů mají na starosti specializované chemické továrny, které taví křemík do tekutého stavu a poté jej řadou procesů čistí do té doby, než jeho čistota dosáhne hranice, kdy jej lze použít jako základní prvek pro výrobu elektronických zařízení. Materiál s takovouto čistotou pak může na každých deset milionů atomů křemíku obsahovat maximálně jeden atom cizí látky. Z tohoto materiálu se vyrobí ingot, což je v podstatě tyč o hmotnosti více než 100 kilogramů a o průměru několika desítek centimetrů, která je tvořena jediným krystalem superčistého křemíku. Tento ingot se dále řeže diamantovou pilou na plátky, kterým se v terminologii výroby procesorů říká "wafery". Tyto plátky se dále čistí a leští a nakonec se prostřednictvím laserového paprsku zkoumá, zda neobsahují žádné defekty. Výrobci procesorů nakupují takovéto wafery od subdodavatelů, a tudíž je nevyrábějí sami. Průměr waferu používaného pro 32nm výrobu procesorů je dnes 30 cm, ale Intel již podepsal smlouvu s korejskou firmou Samsung a tchajwanskou společností TSMC na dodávky větších waferů o průměru 45 cm, které zajistí vyšší efektivitu výroby.
Nyní je řada na vývojářích, kteří za pomoci supervýkonných počítačů připravují mapu architektury procesoru skládajícího se z mnoha milionů tranzistorů. Po doladění všech detailů vzniká maska procesoru, která se přenese na negativ, pomocí něhož budou později fotolitograficky osvětlovány jednotlivé části waferu. Povrch waferu se nejprve pokryje materiálem, který nepropouští světlo (fotorezist), a poté je osvícen ultrafialovým zářením a osvícené části laku se rozpustí. Nechráněné části jsou posléze vyleptány a zbudou pouze požadované struktury, které lze spojit pouhým dotykem. U této operace je zásadní naprostá přesnost. Pokud by se maska posunula jen o jediný mikrometr (tisícina milimetru), může se wafer vyhodit.
2003/2004: Prosakování proudu téměř zrušilo Moorův zákon
Výrobci procesorů se v roce 2003 setkali s vážným problémem, který mohl vyústit až ke konci platnosti Moorova zákona. Problém nastal na úrovni tvorby jednotlivých tranzistorů a byl způsoben tím, že izolační vrstva vytvořená z kysličníku křemičitého, která má tloušťku pouze 1,2 nanometru a která oddělovala kanál tranzistoru od brány, přestávala s daným napětím stačit izolovat oba prvky od sebe. Tato vrstva měla tloušťku pouze 1,2 nanometru, přičemž tloušťka jednoho křemíkového atomu je 0,26 nanometru, takže její celková tloušťka představovala pouze pět atomů. Největším omezením pro budoucí miniaturizaci výrobního procesu byl fakt, že tuto izolační vrstvu nešlo ztenčit více než na tloušťku čtyř atomů, jinak by kvůli kvantovým efektům docházelo k většímu nechtěnému protékání jednotlivých elektronů, což by mělo za následek zvýšení prosakování proudu, a tak i celkové spotřeby elektrické energie. V té době to tedy vypadalo, že Moorův zákon, který byl v platnosti téměř čtyřicet let, spěje k brzkému konci prostě kvůli tomu, že pro další miniaturizaci již chyběl dostatek izolačních atomů.
Tajný kov: Průlom přináší nové materiály
Výše zmíněný problém s konstrukcí tranzistorů vyřešil vynález nového materiálu s komplikovaným názvem "High-K Dielectric Plus Metal Gate". Úkolem výzkumníků bylo najít nový materiál, který by dokázal nahradit izolační vrstvu z oxidu křemičitého, který by měl vyšší hodnotu K a který by tak mohl být tenčí než stávající izolační vrstva. Hodnota "K" značí dielektrickou konstantu, což je schopnost materiálu koncentrovat elektrické pole. Intel zvolil netoxický těžký kov Hafnium (s atomovým číslem 72) v podobě oxidu, ale experimentovalo se i s jinými exotickými materiály, jako jsou zirkonium a lanthan a jejich deriváty. Nakonec vznikl materiál, který dokáže na kontrolních signálech tranzistoru zadržet 100× víc elektronů než předtím používaný polykrystalický křemík. Přesné složení tohoto materiálu však patří k nejlépe střeženým tajemstvím Intelu.
Již od přechodu na 45nanometrový výrobní proces existuje možnost přesně kontrolovat plynové nanášení vrstev o tloušťce jednoho atomu ("Atomic Layer Deposition"). Díky tomu lze pomocí plynu na procesor nanášet vrstvu o tloušťce jediného atomu. Tento proces se opakuje pro každou atomovou vrstvu zvlášť.
Balení: Procesor procestuje před dokončením půl světa
Na rozdíl od revolučních změn mezi 65nm a 45nm výrobním procesem představuje přechod na 32nm výrobní proces v podstatě pouze optimalizaci stávající 45nm technologie. I tak bylo při přechodu třeba vyřešit řadu problémů. Jedním z nich bylo například zmenšení tloušťky izolační vrstvy z 1 na 0,9 nm a pouze tato změna přinesla okamžité zvýšení výkonu procesoru o 22 procent. Zmenšení výrobního procesu může vést i ke snížení prosakování proudu, a to pětinásobně (při použití NMOS tranzistorů) až desateronásobně (při použití tranzistorů PMOS). Logickým následkem bude i snížení spotřeby procesorů Intel Core i3, které budou 32nm technologií vyráběny.
"Už před lety nám téměř došly atomy."
Mark T. Bohr, Intel Senior Fellow
Hotové tranzistory jsou spojovány řadou vrstev měděných spojů (viz výše). Tento proces se opakuje (střídají se vrstvy mědi a Low-K), takže výsledkem je složitá vícevrstevná struktura tranzistorů. Hotová křemíková část procesoru je pak překryta kovovými vrstvami a izolačním lakem.
Hotový základ procesoru je pak diamantovou pilou vyříznut z waferu a cestuje do testovací a výrobní továrny. I když se může zdát, že nejhorší a nejpřesnější práce je po výrobě jádra procesoru již za námi, ani další krok kompletace procesoru nelze podceňovat, protože má rovněž velký vliv na celkovou charakteristiku procesoru. Pro budoucí stabilitu je důležité hlavně přesné umístění křemíku na substrátovou destičku procesoru. Stejně tak je důležité na křemíkové jádro procesoru správně umístit vnější plášť procesoru, který má zásadní vliv na chlazení procesoru při provozu. Další důležitý krok následuje po zkompletování procesoru a představuje postupné zvyšování napětí, díky kterému výrobce zjistí kvalitu daného jednotlivého kusu procesoru, tzv. rating procesoru. V této fázi je měřena teplota procesoru při různých úrovních napětí – pokud je daný procesor dostatečně chladný i při vyšším napětí, získá vyšší rating, a pokud se zahřeje už při nižším napětí, bude se prodávat jako pomalejší model, určený pro provoz na pomalejší frekvenci. Podle toho, jaký rating procesor získá, je pak napevno nastaven jeho multiplikátor a pomocí laseru je na procesor vypáleno jeho označení. Poté jsou procesory určené pro OEM výrobce uloženy do speciálních transportních balení a modely, které budou určeny pro přímý prodej koncovým uživatelům, jsou zkompletovány do balení spolu s chladičem.
Výhled do budoucna: V roce 2011 hodlá Intel spustit 22nm technologii
Prvními procesory vyráběnými 32nm technologií budou modely Core i3 a Core i5. V současnosti se bez ohledu na to, zda byl procesor vyroben 32-, nebo 45nm technologií, skrývá pod krytem procesoru stejná křemíková destička se dvěma jádry a integrovaným grafickým subsystémem. Notebookové procesory nesou kódové označení "Arrandale" a procesory pro stolní počítače mají přezdívku "Clarkdale". Během roku bude uveden procesor, který se bude vyrábět výhradně 32nm technologií a který bude určen převážně pro nejnáročnější uživatele a servery. Prozatím se uvedení šestijádrového procesoru "Gulftown" očekává v březnu roku 2010. 32nm technologií se má vyrábět i další nástupce procesoru Atom, který zatím nese kódové označení "Medfield". Stejnou technologií se během roku budou vyrábět i specifické procesory obsahující na jednom čipu kompletní systém, které se používají pro průmyslové aplikace a například pro smartphony. I když jsme nyní v době přechodu na 32nm technologii, která bude využívána minimálně další dva roky, probíhá intenzivní a prozatím úspěšné testování příští generace výrobní technologie, která bude 22nm. Intel představil první 22nm vzorek funkčního procesoru již minulý rok v září, takže prozatím to vypadá, že i v nejbližších dvou letech bude Moorův zákon stále platit. Již dnes má Intel jasnou představu, jakým tempem bude probíhat miniaturizace do konce roku 2011, ale poté může čelit dalším problémům. Při litografickém osvětlování křemíkové vrstvy se dodnes používá ultrafialové světlo s vlnovou délkou 193 nm, které při pokročilé miniaturizaci představuje stále větší problém. Řešením bude přechod na extrémní ultrafialovou litografii (EUV) s vlnovou délkou 13,5 nm, ale tato technologie je stále v plenkách. Vývojáři Intelu zatím pouze zkoumají, jak tuto technologii dovést do prakticky použitelného stadia, které by v roce 2013 umožnilo přechod na další zmenšení struktury procesoru do šířky 15 nanometrů.
AUTOR@CHIP.CZ
Jak vzniká procesor
32 NANOMETRŮ
Struktura tohoto procesoru má šířku 32 nanometrů, a je tak přibližně 2 000× tenčí než lidský vlas.
2 MB VYROVNÁVACÍ PAMĚTI L3
Vyrovnávací paměť třetí úrovně lze snadno rozeznat. Celkově obsahuje 4 MB (2× 2 MB). V 32nm čipu "Westmere" zabírá celou třetinu plochy tohoto procesoru.
TÉMĚŘ DVA MĚSÍCE
Výrobní proces nového 32nm procesoru trvá od přípravy waferu přes výrobu až po zabalení skoro dva měsíce.
TÉMĚŘ 1 000 000 000 TESTŮ
Dříve než je vyexpedován z výrobního závodu, musí každý procesor projít dlouhou sérií testů. Pokud se při nich zachová jinak, než by měl, je vyřazen.
SEDM MILIARD DOLARŮ
Na obrázku vidíte wafer s procesory vyrobenými 32nanometrovou technologií. Její vývoj a spuštění produkce ve čtyřech výrobních závodech stálo sedm miliard dolarů.
Přeměna písku v ingot
1 Písek
Křemík je po kyslíku druhým nejběžnějším prvkem. Na složení zemské kůry se podílí z téměř 30 procent. Písek, zvláště pak křemičitý písek, obsahuje vysoké množství křemíku v podobě oxidu křemičitého (SiO2).
2 Křemík (tavený)
Křemík se taví a čistí do té doby, než dosáhne požadované čistoty pro výrobu procesoru ("Electronic Grade Silicon"). Z roztaveného křemíku se postupnou rotací vytváří velký monokrystal s pravidelnou strukturou.
Velikost: Wafer (cca 30 cm)
Od ingotu po Wafer
3 Řezání ingotu
Ingot ztuhlého křemíkového monokrystalu má podobu tyče o průměru 30 cm. Z ní jsou diamantovou pilou odkrajovány plátky křemíku, kterým se říká "wafery".
Velikost: Wafer (cca 30 cm)
4 Wafer
Křemíkový wafer se leští do té doby, než je jeho povrch naprosto rovný a dokonalý. Při výrobním procesu "High-K/Metal Gate" se u 32- a 45nm výrobní technologie používají wafery s průměrem 30 centimetrů.
Velikost: Wafer (cca 30 cm)
Fotolitografie
5 Lakování
Wafer se pokrývá fotorezistivní tekutinou. Při nanášení wafer rychle rotuje, takže vrstva tekutiny se rovnoměrně rozptýlí po celé jeho ploše.
Velikost: Wafer (cca 30 cm)
6 Expozice I
Vrstva fotorezistu se osvítí ultrafialovým zářením. Maska procesoru se zmenšuje pomocí lupy (uprostřed), takže exponované dráhy na waferu jsou ve skutečnosti menší než promítaná maska. Exponovaný fotorezistivní materiál se po osvícení UV světlem rozpustí.
Velikost: Wafer (cca 30 cm)
7 Expozice II
I když se na jeden wafer vejdou i stovky mikroprocesorů, tento krok se zaměřuje na nejmenší součásti procesoru, na jednotlivé tranzistory, které fungují jako přepínače toku elektrického proudu v procesoru.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
Leptání
8 Leptání
Osvícený fotorezistivní materiál se odstraní pomocí rozpouštědla. Zbytky fotorezistivního materiálu slouží k zabezpečení ploch, které mají zůstat zachovány. Nechráněné plochy jsou odleptány různými chemikáliemi.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
9 Odstranění fotorezistu
Po vyleptání nechráněných ploch se odstraní i vrstva fotorezistu a zbývá křemík v požadovaném tvaru.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
Ostřelování ionty
10 Další vrstva fotorezistu
Před další úpravou je na křemík nanesena další vrstva fotorezistu, která se osvítí UV světlem a opět se očistí. Tentokrát má za úkol chránit křemík před dopady iontů, kterými se bude wafer ostřelovat v příští fázi.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
11 Ostřelování ionty
V této fázi výrobního procesu se wafer ostřeluje iontovými částicemi, které se implantují do křemíkového waferu (tzv. dopování) a zlepšují jeho elektrickou vodivost. Ionty narážejí do povrchu waferu rychlostí vyšší než 300 000 km/h.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
12 Odstranění fotorezistu
Po iontové implantaci je třeba opět odstranit vrstvu fotorezistního materiálu. Na dopovaných místech je nyní možné rozpoznat cizí atomy, které se liší drobnou barevnou odchylkou (zelená/ světle zelená).
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
Pokrytí kovem
13 Hotový tranzistor
Nyní je tranzistor téměř hotový. Izolační vrstva (fialová) obsahuje tři otvory, které se plní mědí a představují vodivé spoje umožňující propojení s ostatními tranzistory.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
14 Galvanizace I
Během galvanizace je wafer pokryt roztokem sloučeniny mědi. Ionty mědi se přenášejí z kladně nabité anody (výše) na wafer (níže), který slouží jako katoda. Měděné ionty zůstávají na tranzistoru.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
Vrstvení
15 Galvanizace II
Na povrchu waferu je vytvořena souvislá vrstva mědi.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
16 Odstranění mědi
V této fázi je odstraněna vrstva přebytečné mědi.
Velikost: Tranzistor (cca 32–200 nm)
17 Vodivé vrstvy
V dalších krocích je na povrch waferu nanášena řada vodivých vrstev, které mezi sebou spojují jednotlivé tranzistory. Vedení těchto vodivých drah je součástí naplánované architektury procesoru.
Velikost: Šest tranzistorů (cca 500 nm)
Wafer – test / řezání
18 Test waferu
Každý jednotlivý procesor na hotovém waferu musí projít testováním. Výsledky testů jednotlivých křemíkových plošek jsou velmi pečlivě zkoumány.
Velikost: Plocha procesorové desky (Die) (cca 10 mm)
19 Výběr
Z waferu jsou vyřezány jednotlivé křemíkové plošky. Do další fáze výroby procesoru se dostanou pouze ty, které úspěšně projdou všemi testy.
Velikost: Wafer (cca 30 cm)
Balení
20 Křemíkový čip
Pohled na křemíkovou část procesoru Core i7 tak, jak byla vyříznuta z 30cm waferu.
Velikost: Plocha procesorové desky (Die) (cca 10 mm)
21 Balení
Kompletace procesoru pokračuje zasazením křemíkové části na nosnou destičku. Zde je navíc překryta kovovou částí, která slouží pro lepší odvod tepla. Destička slouží jako rozhraní procesoru pro připojení do základní desky a kryt slouží k lepšímu odvodu tepla.
Velikost: Procesor (cca 20 mm)
Test výkonu a označování
22 Hotový procesor
Takto vypadá hotový procesor. Dnešní procesory jsou vyráběny vysoce technologicky náročným výrobním procesem. Většina výrobního procesu se odehrává v prostředí, které je 10 000× čistější než operační sál.
Velikost: Procesor (cca 20 mm)
23 Hodnocení výkonu
Naposledy je testován výkon procesoru. V této fázi je zkoumáno tepelné vyzařování a maximální frekvence, s jakou je daný kus schopen bezpečně pracovat. Výsledná frekvence je laserem zaznamenána na kryt procesoru.
Velikost: Procesor (cca 20 mm)
24 Distribuce
Procesory určené pro OEM výrobce jsou uloženy do speciálních transportních balení a modely, které budou určeny pro přímý prodej koncovým uživatelům, jsou zkompletovány do balení spolu s chladičem.
Velikost: Procesor (cca 20 mm)