Современные микропроцессоры поражают своей сложностью. Наверное, это высочайшие технологические достижения человеческой цивилизации на сегодняшний день, наряду с программированием ДНК и автомобилями Tesla, которые после заказа через интернет сами приезжают к вашему дому.
Удивляясь красоте какой-нибудь микросхемы, невольно думаешь: как же это сделано? Давайте посмотрим на каждый шаг в производственном процессе.
Метод Чохральского
Жизнь микросхемы начинается с песка. Песок почти полностью состоит из кварца, а это основная форма диоксида кремния, SiO2. Сам кремний — второй по распространённости элемент в земной коре.
Чтобы получить из кварца чистый кремний, песок смешают с коксом (каменный уголь) и раскаляют в доменной печи до 1800 °C. Так удаляется кислород. Метод называется карботермическое восстановление.
Доменная печь с кварцем и коксом
В результате получаются блоки кремния поликристаллической структуры, так называемый технический кремний.
Чистота полученного кремния достигает 99,9%, но его необходимо очистить, чтобы получить поликристаллический кремний. Тут применяют разные методы. Самые популярные — хлорирование, фторирование и вытравливание примесей на межкристаллитных границах. Техпроцессы очистки кремния постоянно совершенствуются.
Затем из поликристаллического кремния выращивают монокристаллический кремний — это кремний электронного качества с чистотой 99,9999% (1 атом примесей на миллион атомов кремния). Кристаллы выращивают методом Чохральского, то есть введением затравки в расплав, а затем вытягиванием кристалла вверх. Метод назван в честь польского химика Яна Чохральского.
Метод Чохральского, Иллюстрация: Д. Ильин
Поэтому монокристаллический кремний представляет собой красивые цилиндрические слитки — их ведь вытягивали из расплава под воздействием земной гравитации.
Монокристаллический кремний электронного качества, нижняя часть слитка
Из этих цилиндрических слитков нарезают кремниевые пластины диаметром 100, 150, 200 или 300 мм. Многие задаются вопросом, почему у пластин круглая форма, ведь это нерациональный расход материала при нарезке на прямоугольные микросхемы. Причина именно в том, что кристаллы выращивают методом Чохральского, вынимая вверх.
Чем больше диаметр кремниевой пластины — тем эффективнее расходуется материал. Пластины доставляют на полупроводниковую фабрику, где начинается самое интересное.
Заводы
В мире всего четыре компании, способные производить продвинутые микросхемы топового уровня: Samsung, GlobalFoundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Intel.
В других странах производство микроэлектроники отстаёт от лидеров на годы или десятилетия. Причина в том, что строительство современного завода — дорогостоящее мероприятие (около $10-12 млрд), а прогресс идёт так быстро, что этот завод устареет через несколько лет. Поэтому позволить себе такие инвестиции могут только компании с прибылью в десятки миллиардов долларов в год.
Кто получает такую прибыль? Тот, кто продаёт товаров на сотни миллиардов долларов. Это мировой лидер в производстве смартфонов и оперативной памяти Samsung, а также мировой лидер в производстве десктопных и серверных процессоров Intel. Ещё две компании GlobalFoundries и TSMC работают по контрактам в секторе B2B.
Столь высокая стоимость современного завода микроэлектроники объясняется высокой стоимостью оборудования, которая обусловлена чрезвычайной сложностью процесса.
Бор и фосфор
В кристалле кремния у каждого атома по 4 электрона — и каждая из четырёх сторон образует связь с соседним атомом в квадратной кристаллической решётке. Свободных электронов нет. Значит, кристалл не проводит электрический ток при комнатной температуре.Чтобы запустить свободные электроны, нужно заменить некоторые атомы кремния на атомы других элементов с 3 или 5 электронами на внешней орбите. Для этого идеально подходят соседние с кремнием элементы по таблице Менделеева — бор (3 электрона) и фосфор (5). Их подмешивают к кремнию, и эти атомы встают в его кристаллическую решётку. Но в ней только четыре связи. Соответственно, или одной связи не хватает, или освобождается свободный электрон. Заряд такого атома + или ?. Так бор и фосфор в решётке кремния создают два слоя полупроводников с зарядами противоположного знака. «Дырочный» слой p- (positive) с бором и недостающим электроном — сток. А «электронный» слой n- (negative) с фосфором и лишними электронами — исток. Они покрыты изолятором из оксида кремния.
Конструкция полевого транзистора MOSFET с управляющим p-n-переходом
Транзистор — минимальный элемент и основной компонент интегральной схемы. В зависимости от напряжения в затворе из поликристаллического кремния ток или потечёт с истока, или нет. Это соответствует логическому 0 и 1.
Вот как выглядит p-n-переход в транзисторе на атомарном уровне при изменении напряжения в затворе:
Из таких транзисторов состоят все логические элементы, а из них инженеры составляют конструкцию микропроцессора.
Микроархитектура
Современные микросхемы состоят из миллиардов транзисторов, соединённых в сложные конструкции: ячейки памяти, микроконтроллеры, криптографические модули и так далее. Все они располагаются на микросхеме в соответствии с планом инженера-микросхемотехника.
AMD Athlon XP 3000+ из каталога siliconpr0n
Инженеры используют специальное ПО для проектирования микросхем. Таких программ огромное множество, в том числе и бесплатных, среди них нет единого стандарта.
В этом ПО выполняется симуляция электрических и физических свойств микросхемы и отдельных цепей, а также тестируется их функциональность.
Проектированием занимаются целые отделы из сотен инженеров, ведь на современных микросхемах огромное количество элементов. У процессоров производства TSMC (AMD) по 7-нм техпроцессу 113,9 млн транзисторов на мм?. Intel поставила амбициозную цель достичь плотности 100 млн транзисторов на мм? уже на техпроцессе 10 нм, почти как 7 нм у TSMC. Цель оказалась слишком амбициозной — с этим и связана позорная задержка с внедрением 10 нм.
Все слои микросхемы объединяются в итоговый проект — blueprint, который по электронной почте отправляют на завод в Китае или Тайване.
Фотодело
Из полученных файлов на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Они похожи на плёночные негативы, из которых на фотоувеличителе печатаются фотографии. Но если в фотографии эта техника осталась в прошлом, то в производстве микроэлектроники она сохранилась до сих пор.
Фотомаска
Вот как выглядит современный «фотоувеличитель», а именно, степпер компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).
Иллюстрация: ASML
Машина весом 180 тонн размером с автобус продаётся по цене около $170 млн. Это самое сложное и дорогое оборудование на современном заводе микроэлектроники. Компоненты для такого степпера производят около 5000 поставщиков со всего мира: линзы Carl Zeiss (Германия), роботизированные манипуляторы VDL (Нидерланды), лазеры Cymer (США, куплена ASML в 2013 году).
Фиолетовым цветом показан маршрут световых импульсов от источника к прибору подсветки, затем к фотомаске с топологией кристалла — и через проекционную оптику на кремниевую пластину.
Пластины из монокристаллического кремния, полученного на первом этапе нашего процесса, помещаются в этот степпер, и здесь засвечиваются через фотомаску, распечатанную из файлов с проектного бюро. Это завершение всего технологического цикла.
Засветка кремниевой пластины
Засветка пластины лазером EUV — тоже весьма нетривиальный процесс. Вот описание и видео из журнала IEEE Spectrum: «Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 тыс. капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину». Для 7-нм процессоров используется литография в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нм.
Настоящая фантастика. Неудивительно, что степпер для EUV по самому современному техпроцессу в мире умеет делать только одна голландская компания ASML, которая сейчас является фактически монополистом в этой нише.
Засветка пластины — не единственный шаг на производстве. Перед степпером пластины нагревают до 1000 °С и окисляют поверхность, чтобы сформировать непроводящий слой из диоксида кремния SiO2. Потом на этом слое диэлектрика равномерно распределяют фоточувствительный материал — фоторезист. И только потом помещают в степпер.
Засветка фоторезиста на кремниевой пластине в степпере
На засвеченных участках пластины обнажается слой SiO2, всё остальное защищено фоторезистом. Теперь наступает этап плазменного вытравливания (plasma etching), где с засвеченных участков снимается слой SiO2, создавая углубления. Вытравленные участки снова окисляют. Поверх SiO2 наносят электропроводящий слой поликристаллического кремния. Потом снова покрывают фоторезистом — и цикл повторяется несколько раз, создавая новые углубления уже во втором слое, затем в третьем, потом пластина покрывается слоем металла — и цикл повторяется. В итоге формируются те самые структуры полевых транзисторов с p-n переходом. Цикл повторяется многократно, пока не будет создана полная структура интегральной микросхемы со всеми необходимыми элементами.
Несколько циклов нанесения разных материалов (фоторезист, поликристаллический кремний, диоксид кремния, металл), засветки и плазменного вытравливания создают многослойную структуру транзистора
В зависимости от техпроцесса, размер минимальных элементов в этих структурах может быть 14 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм или меньше, но это весьма условная разница, которая не совсем отражает реальность. Например, на фотографиях под микроскопом ниже можно сравнить размер транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (техпроцесс 14 нм+++) и TSMC (7 нм). У первого ширина затвора 24 нм, у второго 22 нм, высота одинаковая.
Сравнение транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (14 нм+++) и TSMC (7 нм), сканирующий электронный микроскоп. Источник
По размеру они практически не отличаются, хотя TSMC плотнее размещает эти транзисторы на микросхеме.
В зависимости от размера, на одной пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем.
Микросхемы на кремниевой пластине
Пластины с готовым продуктом проверяют, а затем осуществляется сборка — упаковка чипов в корпуса, подключение контактов. Сборка полностью автоматизирована.
Сборка микросхем
Потом чипы снова тестируют — и если всё удачно, то отправляют клиенту. Через несколько месяцев процессор уже вовсю работает в сервере или на домашнем компьютере, или в телефоне счастливого покупателя.
Мур не сдаётся. Intel тоже
Утратившая технологическое лидерство компания Intel в реальности не испытывает недостатка в денежных средствах. На самом деле совсем наоборот, компания сейчас показывает рекордные прибыли. И она намерена серьёзно инвестировать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Благодаря партнёрству с ASML и EUV-литографии Intel планирует вернуться к прежним темпам выпуска новых поколений CPU раз в 2 года, начав с 7-нм техпроцесса в конце 2021 года и дойдя до 1,4-нм технологии в 2029 году.
Слайд из презентации Intel, показанный в выступлении представителя ASML в декабре 2019 года, источник
Если планы реализуются, то Intel сохранит действие закона Мура и догонит AMD/TSMC. В 90-е годы тоже были моменты, когда AMD выпускала более производительные процессоры. После тупика с Pentium 4 ответом стало новое ядро Core — и лидерство Intel на протяжении десятилетий. Впрочем, это было довольно скучное время. Для рынка гораздо полезнее, когда происходит жёсткая «заруба» между конкурентами, как сейчас, в 2021 году.
На правах рекламы
Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Создайте собственный тарифный план в пару кликов, максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.
Kopilov
Меня вот всегда интересовало: а как кремний «решает», что пора перестать расширяться в конус и дальше надо расти «цилиндрическим слитком». Какая формула определяет диаметр этого монокристалла.
dreesh
Мне всегда казалось что тут имеет значение скорость вытягивания
vladimirad
Просто, все наоборот, кремний вытаскивают быстрее, чем вначале, когда растят основную «рабочую» часть кристалла, которая идет в дело. Скорость вытаскивания определяет диаметр заготовки и конус получается в конце, а не в начале.
Kopilov
То есть, затравка должна быть диаметром с монокристалл? И иллюстрация (третья сверху) ошибочна?
tzlom
Конус там с обоих сторон, в начале он сам получается, в конце действительно тянут быстрее чтобы не возникало лишних напряжений от резкого остывания на большой площади
bagamut
диаметр тигля с расплавом
Zoraccer
Это регулируется скоростью вытягивания и температурным режимом в зонах тигля, зеркала расплава и нескольких зонах вытяжки. Можно было бы вытягивать и через фильеру (окно нужной формы в верхней части тигля), как это делают с лейкосапфиром, но предположу, что материал фильеры допирует прилегающие части получаемого слитка, что совсем нежелательно.
v1vendi
del
Kabdim
Не обновил страницу перед коментированием.
Rusheff
На той системе, которую я видел в работе, стояла камера, которая определяла визуально диаметр слитка и при превышении определённого числа увеличивала скорость вытягивания. Ещё есть системы с взвешиванием слитка и определением скорости роста. При увеличении массы кристалла увеличивается скорость вытягивания.
На самом деле всё ещё сложнее. Нужно получить практически плоский фронт роста кристалла внутри расплава, т.к. искривление чревато отрывом, накоплением дефектов, захватом примесей и т.п. Конус получают сначала при разращивании слитка и в конце при отрыве от остатков расплава. До конца весь кремний втягивать в кристалл не имеет смысла, т.к. в хвосте концентрируются примеси.
И самая сложная часть производства — поликремний, производство которого крайне крупнотоннажно, вредно и дорогостояще. Делать фотолитографию сложно только с т.з. разрешения в единицы нанометров. В десятках нанометров всё вполне доступно (40-90 нм). А вот получать поликремний — не два пальца об асфальт. Есть всего несколько стран и фирм, имеющих технологию. В России её пытался внедрить Чубайс, но его забросали какашками за коммерческую несостоятельность. А дело в том, что производство поликремния в России в современном мире никогда не будет коммерчески выгодным, это вопрос технологической независимости страны.
Как-то так.
amartology
У них там в Усолье себестоимость получалась на порядок выше, чем у китайцев. Такая технологическая независимость не очень нужна. Да и зачем России независимость в производстве сырья для солнечных панелей? На полстраны полярная ночь бывает, какое тут солнце?
Rusheff
Когда Чубайс планировал завод, поликремний стоил порядка 200 баксов за кг. Когда стройка подходила к концу — 20 долларов. Всё из-за открытия нескольких заводов в Китае.
Производство крупнотоннажное. Но нам не нужно было бы гнать вал, достаточно было бы работать на минимальных объёмах, отрабатывать технологию и получать поликремний для собственного производства. Остальное — продавать, пусть и в убыток себе. А так — много воплей про то, что Россия не делает айфоны, и мало понимания того, что Усолье — это начало любого айфона.
Поликремний нужен не только для солнечного кремния, а для любого, в т.ч. и высококачественного полупроводникового для производства электроники. Покупать можно, но мы лишаем себя целой отрасли материально производства, причём отрасли востребованной и энергоёмкой, что давало бы нам со временем преимущества (как в производстве аммиачных удобрений, например).
amartology
Rusheff
Я никогда не критиковал и не собираюсь критиковать Роснано за неэффективность. Потому что наука и современные технологии — не для бедных и не для эффективности. Вообще.
Имея технологию и продавая ненужные нам излишки поликремния — мы имели бы технологию, имели бы специалистов, имели бы современное высокотехнологичное производство, имели бы развитие региона, имели бы технологическую независимость. И всё это за разницу в цене условных 5000 тонн поликремния. Сэкономив на этой разнице — мы не имеем ничего, кроме сэкономленных бумажек с чужими мужиками посередине. Т.е. мы проипали эти бумажки, в лучшем случае пустив их на потребление. Имхо.
cepera_ang
Без массового спроса (и желательно по цене дающей прибыль, вы ведь не хотите де-факто субсидировать иностранных потребителей?) существование технологической базы — невозможно. Технологий — миллионы и в долгосрочной перспективе выживают только те, чьё использование приносит прибыль, а для этого нужна оптимизация расходов, а для этого массовость (см. learning curve, эффект масштаба и т.д.).
Вот вам кажется поликремний критической технологией, которую можно в убыток поддерживать, другим кажется ещё что-то критической технологией, которую нужно в убыток поддерживать, третьим — третье. А в конечном итоге, это всё приходит к тому, что этот "убыток" поддерживаем все мы — и как оплачивающие потребление и использование государством дорогостоящих изделий на базе этих неэффективных, но своих технологий, так и работники/подрядчики/цепочки поставок этих производств — или они все получают минимальные средства к существованию (несравнимые с тем, что платится на мировом рынке) или производство оказывается запредельно дорогим (и перестает существовать рано или поздно всё равно).
Rusheff
Это не имеет значения. Просто держите минимальные объёмы. И вы будете иметь технологию за минимально возможные деньги.
Деньги не имеют значения. Скажите, какую деньгу принёс Гагарин? А Армстронг?
И тогда вы начинаете покупать айфоны по штуке баксов, хотя его цена на уровне 10 баксов за кг. А если у вас есть технологическая цепочка — вы можете сделать айфон за пару лет.
cepera_ang
Для технологий, о которых идёт речь, минимальные объёмы — это как раз столько, чтобы весь мир завалить. А если делать меньше, то получается ещё дороже. Потому что для поддержки условно технологии производства процессоров вам нужно заодно поддерживать и всю цепочку снабжения, начиная с поставщиков кремния (о котором мы начали говорить), продолжая аппаратам в которых этот кремний плавится/вытягивается (или мы сделали один для "поддержания минимальных объёмов", а потом закрываем завод по их производству, увольняем сотрудников и всё? А когда тот первый сломается, заново всех набираем? Или держим их всех "в резерве", заставляем производить не особо нужные аппараты, просто чтобы не терять экспертизу?), а ещё рано или поздно все эти работники выйдут на пенсию, а значит нам нужно готовить им замену, а значит нужно учить студентов, а для этого как минимум нужно, чтобы потенциальным будущим работникам было интересно идти в эту область, т.е. там должны быть перспективы и потенциальные хорошие заработки и ещё нужно держать учителей по этим специальностям и чтобы они не теряли квалификацию. И вот у нас уже профессора изредка летают на конференции по миру и получают приличные зарплаты, чтобы "не ушли в коммерцию" и не перестали готовить специалистов для нашего завода по изготовлению тиглей для изготовления кремния по чудовищным ценам ради того, чтобы можно было смело собачиться со всем миром, чётко зная, что уж поликремний-то у нас если что есть свой, не пропадём.
А потом удивляться — а чего это так херово живём, ведь "деньги не имеют значения". И айфон стоит 1000$, хотя если считать в граммах чистых минералов это и получается 10$, как раз потому, что на разницу оплачивается гигантская всемирная цепочка поставок и индустрия, делающая возможным превращение этих минералов в карманный суперкомпьютер.
sebres
Очень правильный комментарий, всё так и есть.
Кроме одного незначительного пункта про цену на тот яблокофон.
Если проследить ценники на его комплектующие, если не про розницу, вы выйдете на $300 ну $350 максимум (а реальная стоимость их ещё ниже, но не суть), плюс затраты на разработку и т.д.
Остальное на рекламу и т.п. ну пусть чуть больше половины будет, т.е. чистая маржа там гигантская (так сказать за "имя" и новую модель).
Я что хочу сказать — в мировом масштабе, чтобы худо-бедно оценить упомянутую действительно "гигантскую всемирную цепочку" нужно сравнивать те $10 и возможно $200-$300, но простите никак не $1000.
Возможно iphone тут несколько неудачный пример, поскольку всё примерно то-же в техническом смысле, естественно без iOS, например на android, от Xiaomi и ко (я уж промолчу про noname какой-нибудь) где-то треть а то и ниже стоить будет.
amartology
А разработка типа бесплатная, да? Она гораздо дороже компонентов стоит, даже на больших тиражах. Особенно, если, как Apple, самостоятельно разрабатывать микросхемы, а не покупать готовые.
sebres
Вы про SoC для A14? Не думаю что это настолько уж дорого в перерасчете на единицу процессора (тем более если оно затем отобьется на HVM), ну и во вторых в контексте данной статьи это не так уж и важно.
adictive_max
Ну то есть вы предлагаете в современной капиталистической России взять и начать заниматься всем тем, за что последние лет 40 безостановочно песочат СССР?
Rusheff
Никаких капиталистических и социалистических стран в мире не осталось. Деньги не имеют значения для государств. Экономика как дисциплина про деньги умерла примерно 10-15 лет назад. Все страны стали государственно-социалистическими (я про развитые страны). При этом внешние атрибуты остались. Ну скажите мне, при каком капитализме черножопые негры могут бузить на улицах городов в течение полугода и не умереть с голоду и от пули полицейского (если что — я не обращаю внимания на цвет кожи, просто негры — чёрные)? Это — социализм.
Извиняюсь за политоту и офтоп.
kryvichh
В СССР, КНР и КНДР негры точно не cмогли бы бузить полгода на улице. Получается, это страны не социалистические?
(Степень социалистичности/капиталистичности страны определяется скорее собственностью на средства производства. А свобода уличных выступлений определяется степенью демократии/авторитаризма).
Rusheff
В СССР люди два раза в год выходили толпами на улицы, с лозунгами, знамёнами и прочей требухой. А потом прибухивали в кустах (на майские). И их никто не разгонял.
Китайские и корейские парады и демонстрации и сейчас топчик. ))
Никакой другой собственности кроме государственной в мире не осталось. И пусть вас не вводят в заблуждение «частные» твитеры и инстаграмы. Они — государственные. Просто есть фейковые владельцы. Примерно как наши «акционеры» Газпрома. Они могут получать дивиденды, но они не управляют ничем и не решают ничего.
А свобода уличных выступлений говорит только о желании государства дать выход пару. Вполне очевидно, что решать вопросы на улицах — антидемократично и контрпродуктивно, при всём моём неуважении к свободе собраний и уличных шествий. Любая демонстрация — это манипуляция общественным мнением и законными выборами. Имхо.
kryvichh
Вы не видите разницы между написанным ранее и сейчас? При чём тут добровольно-принудительные майские демонстрации?
Rusheff
Вы думаете, что отличие капитализма от социализма в добровольности и спонтанности демонстраций? А демократичность стран в том, кто и как разгоняет демонстрации? ))
Страны — одинаковые. Отличия — косметические. Строй — один. Отсутствие стимула в виде голода говорит о том, что это не капитализм. Отсутствие привязки к местности и хозяину говорит, что это не рабовладение и не феодализм. Выберите альтернативу. )))
Kopilov
На полстраны в полярный день