Fabrikanten van processors voor mobiele computers. Hoe worden processoren gemaakt?
De productie van microschakelingen is een zeer moeilijke zaak, en de geslotenheid van deze markt wordt voornamelijk bepaald door de kenmerken van de dominante fotolithografische technologie van vandaag. Microscopische elektronische circuits worden via fotomaskers op een siliciumwafel geprojecteerd, waarvan de kosten kunnen oplopen tot $200.000. Ondertussen zijn er minstens 50 van dergelijke maskers nodig om één chip te maken. Voeg daarbij de kosten van “trial and error” bij het ontwikkelen van nieuwe modellen, en u zult begrijpen dat alleen zeer grote bedrijven processors in zeer grote hoeveelheden kunnen produceren.
Wat moeten wetenschappelijke laboratoria en hightech startups die niet-standaard ontwerpen nodig hebben, doen? Wat moeten we doen voor het leger, voor wie het kopen van processors van een “waarschijnlijke vijand” op zijn zachtst gezegd niet comme il faut is?
We bezochten de Russische productielocatie van het Nederlandse bedrijf Mapper, waardoor de productie van microschakelingen niet langer het lot van hemelse wezens kan zijn, maar een activiteit voor gewone stervelingen kan worden. Nou ja, of bijna simpel. Hier, op het grondgebied van de Moskouse Technopolis, wordt met de financiële steun van de Rusnano Corporation een sleutelcomponent van de Mapper-technologie geproduceerd: het elektron-optische systeem.
Voordat we echter de nuances van Mapper-maskerloze lithografie begrijpen, is het de moeite waard om de basisprincipes van conventionele fotolithografie te onthouden.
Onhandig licht
Een moderne Intel Core i7-processor kan ongeveer 2 miljard transistors bevatten (afhankelijk van het model), die elk 14 nm groot zijn. Bij het nastreven van rekenkracht verkleinen fabrikanten jaarlijks de grootte van transistors en vergroten ze hun aantal. De waarschijnlijke technologische limiet in deze race kan worden beschouwd als 5 nm: op zulke afstanden beginnen kwantumeffecten te verschijnen, waardoor elektronen in aangrenzende cellen zich onvoorspelbaar kunnen gedragen.
Om microscopische halfgeleiderstructuren op een siliciumwafel af te zetten, gebruiken ze een proces dat lijkt op het gebruik van een fotografische vergroter. Tenzij zijn doel het tegenovergestelde is: het beeld zo klein mogelijk maken. De plaat (of beschermende film) is bedekt met fotoresist - een lichtgevoelig polymeermateriaal dat zijn eigenschappen verandert bij bestraling met licht. Het vereiste chippatroon wordt via een masker en een verzamellens blootgesteld aan een fotoresist. De gedrukte wafels zijn doorgaans vier keer kleiner dan de maskers.
Stoffen zoals silicium of germanium hebben vier elektronen in hun buitenste energieniveau. Ze vormen prachtige kristallen die op metaal lijken. Maar in tegenstelling tot metaal geleiden ze geen elektriciteit: al hun elektronen zijn betrokken bij krachtige covalente bindingen en kunnen niet bewegen. Alles verandert echter als je er een beetje donoronzuiverheid aan toevoegt van een stof met vijf elektronen op het buitenste niveau (fosfor of arseen). Vier elektronen binden zich met het silicium, waardoor er één vrij blijft. Silicium met een donoronzuiverheid (n-type) is een goede geleider. Als je een acceptoronzuiverheid uit een stof met drie elektronen op het buitenste niveau (boor, indium) aan silicium toevoegt, worden op een vergelijkbare manier ‘gaten’ gevormd, een virtueel analoog van een positieve lading. In dit geval hebben we het over een p-type halfgeleider. Door geleiders van het p- en n-type met elkaar te verbinden, krijgen we een diode - een halfgeleiderapparaat dat stroom in slechts één richting doorlaat. De p-n-p- of n-p-n-combinatie geeft ons een transistor - er vloeit alleen stroom doorheen als er een bepaalde spanning op de centrale geleider wordt aangelegd.
De diffractie van licht maakt zijn eigen aanpassingen aan dit proces: de straal die door de gaten van het masker gaat, wordt licht gebroken en in plaats van één punt wordt een reeks concentrische cirkels zichtbaar, alsof ze afkomstig zijn van een steen die in een poel wordt gegooid. . Gelukkig is diffractie omgekeerd evenredig met de golflengte, en dat is waar ingenieurs van profiteren door ultraviolet licht met een golflengte van 195 nm te gebruiken. Waarom niet nog minder? Het is alleen zo dat de kortere golf niet wordt gebroken door de verzamellens, maar dat de stralen er doorheen gaan zonder te focussen. Het is ook onmogelijk om het verzamelvermogen van de lens te vergroten - sferische aberratie staat dit niet toe: elke straal zal op zijn eigen punt door de optische as gaan, waardoor de scherpstelling wordt verstoord.
De maximale contourbreedte die kan worden afgebeeld met behulp van fotolithografie is 70 nm. Chips met een hogere resolutie worden in verschillende stappen geprint: er worden contouren van 70 nanometer aangebracht, het circuit wordt geëtst en vervolgens wordt het volgende onderdeel belicht via een nieuw masker.
Momenteel wordt de diep-ultraviolette fotolithografietechnologie ontwikkeld, waarbij gebruik wordt gemaakt van licht met een extreme golflengte van ongeveer 13,5 nm. De technologie omvat het gebruik van vacuüm- en meerlaagse spiegels met reflectie op basis van tussenlaaginterferentie. Het masker zal ook geen doorschijnend, maar een reflecterend element zijn. Spiegels zijn vrij van het fenomeen van breking, zodat ze kunnen werken met licht van elke golflengte. Maar voorlopig is dit slechts een concept dat in de toekomst kan worden gebruikt.
Hoe processors vandaag de dag worden gemaakt
Een perfect gepolijste ronde siliciumwafel met een diameter van 30 cm is bedekt met een dun laagje fotoresist. De middelpuntvliedende kracht helpt de fotoresist gelijkmatig te verdelen.
Het toekomstige circuit wordt via een masker blootgesteld aan een fotoresist. Dit proces wordt vele malen herhaald omdat er uit één wafer veel chips worden geproduceerd.
Het deel van de fotoresist dat aan ultraviolette straling is blootgesteld, wordt oplosbaar en kan eenvoudig met chemicaliën worden verwijderd.
Gebieden van de siliciumwafel die niet door fotoresist worden beschermd, worden chemisch geëtst. In plaats daarvan vormen zich depressies.
Op de wafer wordt opnieuw een laag fotoresist aangebracht. Deze keer worden door de belichting de gebieden blootgelegd die onderhevig zullen zijn aan ionenbombardement.
Onder invloed van een elektrisch veld versnellen onzuivere ionen tot snelheden van meer dan 300.000 km/u en dringen het silicium binnen, waardoor het de eigenschappen van een halfgeleider krijgt.
Na het verwijderen van de resterende fotoresist blijven de voltooide transistors op de wafer achter. Daarop wordt een laag diëlektricum aangebracht, waarin met dezelfde technologie de gaten voor de contacten worden geëtst.
De plaat wordt in een kopersulfaatoplossing geplaatst en door middel van elektrolyse wordt er een geleidende laag op aangebracht. Vervolgens wordt de hele laag verwijderd door te slijpen, maar de contacten in de gaten blijven achter.
De contacten zijn verbonden door een uit meerdere verdiepingen bestaand netwerk van metalen ‘draden’. Het aantal "verdiepingen" kan oplopen tot 20, en het algemene bedradingsschema wordt de processorarchitectuur genoemd.
Pas nu wordt de plaat in veel individuele chips gesneden. Elk “kristal” wordt getest en pas daarna geïnstalleerd op een bord met contacten en afgedekt met een zilveren radiatordop.
13.000 tv's
Een alternatief voor fotolithografie is elektrolithografie, waarbij de belichting niet door licht plaatsvindt, maar door elektronen, en niet door fotoresist, maar door elektroresist. De elektronenbundel kan gemakkelijk worden gefocusseerd tot een punt van minimale grootte, tot op 1 nm. De technologie is vergelijkbaar met een kathodestraalbuis op een televisie: een gefocusseerde stroom elektronen wordt afgebogen door stuurspoelen, waardoor een beeld op een siliciumwafel wordt geschilderd.
Tot voor kort kon deze technologie vanwege de lage snelheid niet concurreren met de traditionele methode. Om een elektroresist te laten reageren op bestraling, moet deze een bepaald aantal elektronen per oppervlakte-eenheid accepteren, zodat één straal maximaal 1 cm2/uur kan belichten. Dit is acceptabel voor losse bestellingen van laboratoria, maar is niet van toepassing in de industrie.
Helaas is het onmogelijk om het probleem op te lossen door de bundelenergie te vergroten: gelijke ladingen stoten elkaar af, dus naarmate de stroom toeneemt, wordt de elektronenbundel breder. Maar je kunt het aantal stralen vergroten door meerdere zones tegelijkertijd te belichten. En als er meerdere 13.000 zijn, zoals in Mapper-technologie, dan is het volgens berekeningen mogelijk om tien volwaardige chips per uur af te drukken.
Het combineren van 13.000 kathodestraalbuizen in één apparaat zou uiteraard onmogelijk zijn. In het geval van Mapper wordt de straling van de bron naar een collimatorlens gericht, die een brede evenwijdige elektronenbundel vormt. Op zijn pad bevindt zich een apertuurmatrix, die deze in 13.000 individuele stralen omzet. De stralen passeren de blankermatrix - een siliciumwafel met 13.000 gaten. Nabij elk ervan bevindt zich een afbuigelektrode. Als er stroom op wordt gezet, ‘missen’ de elektronen hun gat en wordt een van de 13.000 stralen uitgeschakeld.
Nadat ze de blanco's zijn gepasseerd, worden de stralen naar een matrix van deflectoren geleid, die elk hun bundel een paar micron naar rechts of naar links kunnen afbuigen ten opzichte van de beweging van de plaat (zodat de Mapper nog steeds lijkt op 13.000 beeldbuizen). Tenslotte wordt elke straal verder gefocusseerd door zijn eigen microlens en vervolgens naar een elektroresist gestuurd. Tot nu toe is Mapper-technologie getest bij het Franse micro-elektronica-onderzoeksinstituut CEA-Leti en bij TSMC, dat microprocessors produceert voor toonaangevende marktspelers (waaronder de Apple iPhone 6S). De belangrijkste componenten van het systeem, waaronder elektronische lenzen van silicium, worden vervaardigd in de fabriek in Moskou.
Mapper-technologie belooft nieuwe perspectieven, niet alleen voor onderzoekslaboratoria en kleinschalige (waaronder militaire) productie, maar ook voor grote spelers. Om prototypen van nieuwe processors te testen, is het momenteel noodzakelijk om exact dezelfde fotomaskers te maken als voor massaproductie. De mogelijkheid om relatief snel prototypes van circuits te maken belooft niet alleen de ontwikkelingskosten te verlagen, maar ook de vooruitgang in het veld te versnellen. Waar uiteindelijk de massaconsument van elektronica, dat wil zeggen wij allemaal, van profiteert.
CPU Dit is het hart van elke moderne computer. Elke microprocessor is in wezen een groot geïntegreerd circuit waarop transistors zich bevinden. Door elektrische stroom door te laten, kunt u met transistors binaire logische (aan - uit) berekeningen maken. Moderne processors zijn gebaseerd op 45 nm-technologie. 45 nm (nanometer) is de grootte van één transistor op de processorwafel. Tot voor kort werd vooral gebruik gemaakt van de 90 nm-technologie.
De wafels zijn gemaakt van silicium, de op een na grootste afzetting in de aardkorst.
Silicium wordt verkregen door chemische behandeling, waardoor het wordt gezuiverd van onzuiverheden. Hierna beginnen ze het te smelten en vormen ze een siliciumcilinder met een diameter van 300 millimeter. Deze cilinder wordt vervolgens met een diamantdraad in platen gesneden. De dikte van elke plaat is ongeveer 1 mm. Om ervoor te zorgen dat de plaat een ideaal oppervlak heeft, wordt deze na het snijden met draad geslepen met een speciale slijpmachine.
Hierna is het oppervlak van de siliciumwafel perfect glad. Overigens hebben veel productiebedrijven al de mogelijkheid aangekondigd om met platen van 450 mm te werken. Hoe groter het oppervlak, hoe groter het aantal transistors dat moet worden geplaatst, en hoe hoger de processorprestaties.
CPU bestaat uit een siliciumwafel op het oppervlak waarvan er maximaal negen lagen transistors zijn, gescheiden door oxidelagen voor isolatie.
Ontwikkeling van processortechnologie
Gordon Moore, een van de oprichters van Intel, een van de leiders op het gebied van processorproductie ter wereld, ontdekte in 1965, op basis van zijn observaties, een wet volgens welke nieuwe modellen van processors en chips met gelijke tussenpozen verschenen. Het aantal transistors in processors groeit in twee jaar tijd ongeveer verdubbeld. Al veertig jaar werkt de wet van Gordon Moore zonder vervorming. De ontwikkeling van toekomstige technologieën staat voor de deur - er zijn al werkende prototypes gebaseerd op 32 nm- en 22 nm-processorproductietechnologieën. Tot medio 2004 was het processorvermogen voornamelijk afhankelijk van de processorfrequentie, maar sinds 2005 is de processorfrequentie vrijwel gestopt met groeien. Er is een nieuwe multi-core processortechnologie verschenen. Dat wil zeggen dat er meerdere processorkernen worden gemaakt met een gelijke klokfrequentie, en tijdens bedrijf wordt het vermogen van de kernen opgeteld. Dit verhoogt het totale processorvermogen.
Hieronder kunt u een video bekijken over de productie van processors.
De wortels van onze digitale levensstijl komen beslist voort uit halfgeleiders, die de creatie van complexe, op transistors gebaseerde computerchips mogelijk hebben gemaakt. Ze slaan gegevens op en verwerken deze, wat de basis vormt van moderne microprocessors. Halfgeleiders, die tegenwoordig uit zand worden gemaakt, vormen een sleutelcomponent in bijna elk elektronisch apparaat, van computers tot laptops en mobiele telefoons. Zelfs auto's kunnen tegenwoordig niet meer zonder halfgeleiders en elektronica, aangezien halfgeleiders het airconditioningsysteem, het brandstofinjectieproces, de ontsteking, het schuifdak, de spiegels en zelfs de besturing (BMW Active Steering) aansturen. Tegenwoordig is bijna elk apparaat dat energie verbruikt, gebouwd op halfgeleiders.
Microprocessors behoren zonder twijfel tot de meest complexe halfgeleiderproducten, waarbij het aantal transistors binnenkort de miljard zal bereiken en de functionaliteit vandaag de dag al verbazingwekkend is. Dual-core Core 2-processors zullen binnenkort worden uitgebracht op Intel's bijna voltooide 45 nm-procestechnologie, en ze zullen al 410 miljoen transistors bevatten (hoewel de meeste daarvan zullen worden gebruikt voor de 6 MB L2-cache). Het 45 nm-proces is genoemd naar de grootte van een enkele transistor, die nu ongeveer 1000 keer kleiner is dan de diameter van een mensenhaar. Dit is tot op zekere hoogte de reden waarom elektronica alles in ons leven begint te beheersen: zelfs toen de omvang van de transistor groter was, was het erg goedkoop om niet erg complexe microschakelingen te produceren, het budget voor transistors was erg groot.
In ons artikel zullen we kijken naar de basisprincipes van de productie van microprocessors, maar we zullen ook ingaan op de geschiedenis van processors, architectuur en kijken naar verschillende producten op de markt. Op internet kunt u veel interessante informatie vinden, waarvan u er hieronder enkele vindt.
- Wikipedia: microprocessor. Dit artikel behandelt verschillende soorten processors en biedt links naar fabrikanten en aanvullende Wiki-pagina's gewijd aan processors.
- Wikipedia: Microprocessors (categorie). Het gedeelte over microprocessors biedt nog meer links en informatie.
PC-concurrenten: AMD en Intel
Het hoofdkantoor van Advanced Micro Devices Inc., opgericht in 1969, bevindt zich in Sunnyvale, Californië, en het ‘hart’ van Intel, dat slechts een jaar eerder werd opgericht, bevindt zich een paar kilometer verderop in de stad Santa Clara. AMD heeft tegenwoordig twee fabrieken: in Austin (Texas, VS) en in Dresden (Duitsland). De nieuwe fabriek zal binnenkort in gebruik worden genomen. Bovendien heeft AMD de krachten gebundeld met IBM op het gebied van de ontwikkeling en productie van processortechnologie. Uiteraard is dit allemaal een fractie van de omvang van Intel, aangezien de marktleider nu bijna twintig fabrieken op negen locaties exploiteert. Ongeveer de helft daarvan wordt gebruikt voor de productie van microprocessors. Dus als je AMD en Intel vergelijkt, onthoud dan dat je David en Goliath vergelijkt.
Intel heeft een onmiskenbaar voordeel in de vorm van een enorme productiecapaciteit. Ja, het bedrijf is tegenwoordig toonaangevend in de implementatie van geavanceerde technologische processen. Intel loopt in dit opzicht ongeveer een jaar voor op AMD. Als gevolg hiervan kan Intel meer transistors en meer cache in zijn processors gebruiken. AMD moet, in tegenstelling tot Intel, zijn technische proces zo efficiënt mogelijk optimaliseren om de concurrentie bij te houden en fatsoenlijke processors te produceren. Natuurlijk zijn het ontwerp van processors en hun architectuur heel verschillend, maar het technische productieproces is gebaseerd op dezelfde basisprincipes. Hoewel er natuurlijk veel verschillen in zitten.
Productie van microprocessors
De productie van microprocessors bestaat uit twee belangrijke fasen. De eerste is de productie van het substraat, die AMD en Intel in hun fabrieken uitvoeren. Dit omvat het verlenen van geleidende eigenschappen aan het substraat. De tweede fase bestaat uit het testen van het substraat, de assemblage en het verpakken van de processor. Deze laatste operatie wordt meestal uitgevoerd in goedkopere landen. Als je naar Intel-processors kijkt, zul je een inscriptie vinden dat de verpakking is uitgevoerd in Costa Rica, Maleisië, de Filippijnen, enz.
AMD en Intel proberen tegenwoordig producten uit te brengen voor een zo groot mogelijk aantal marktsegmenten, en bovendien op basis van een zo klein mogelijk bereik aan kristallen. Een mooi voorbeeld is de Intel Core 2 Duo-processorlijn. Er zijn drie processors met codenamen voor verschillende markten: Merom voor mobiele applicaties, Conroe voor desktopversie, Woodcrest voor serverversie. Alle drie de processors zijn op dezelfde technologische basis gebouwd, waardoor de fabrikant beslissingen kan nemen in de laatste productiefasen. Je kunt functies in- of uitschakelen, en het huidige niveau van kloksnelheden geeft Intel een uitstekend percentage bruikbare kristallen. Als de marktvraag naar mobiele processors toeneemt, kan Intel zich richten op het uitbrengen van Socket 479-modellen. Als de vraag naar desktopmodellen toeneemt, zal het bedrijf Socket 775 testen, valideren en verpakken, terwijl serverprocessors worden verpakt voor Socket 771. Er worden quad-coreprocessors gemaakt: er worden twee dual-corechips in één pakket geïnstalleerd, dus we krijgen vier cores.
Hoe chips ontstaan
Bij de productie van chips worden dunne lagen met complexe ‘patronen’ op siliciumsubstraten aangebracht. Eerst wordt er een isolatielaag gecreëerd die als elektrische poort fungeert. Vervolgens wordt er fotoresistmateriaal bovenop aangebracht en worden ongewenste gebieden verwijderd met behulp van maskers en bestraling met hoge intensiteit. Wanneer de bestraalde gebieden worden verwijderd, komen de daaronder gelegen gebieden van siliciumdioxide bloot te liggen, die door etsen worden verwijderd. Hierna wordt ook het fotoresistmateriaal verwijderd en verkrijgen we een bepaalde structuur op het siliciumoppervlak. Vervolgens worden met verschillende materialen aanvullende fotolithografische processen uitgevoerd totdat de gewenste driedimensionale structuur is verkregen. Elke laag kan worden gedoteerd met een specifieke stof of ionen, waardoor de elektrische eigenschappen veranderen. In elke laag worden ramen gemaakt zodat er metalen verbindingen gemaakt kunnen worden.
Wat de productie van substraten betreft, deze moeten uit één enkele cilinder monokristal in dunne “pannenkoekjes” worden gesneden, zodat ze vervolgens gemakkelijk in individuele processorchips kunnen worden gesneden. Bij elke productiestap worden complexe tests uitgevoerd om de kwaliteit te beoordelen. Er worden elektrische sondes gebruikt om elke chip op het substraat te testen. Ten slotte wordt het substraat in afzonderlijke kernen gesneden en worden niet-werkende kernen onmiddellijk geëlimineerd. Afhankelijk van de kenmerken wordt de kern een of andere processor en wordt deze verpakt in een pakket dat het gemakkelijker maakt om de processor op het moederbord te installeren. Alle functionele eenheden ondergaan intensieve stresstests.
Het begint allemaal bij de substraten
De eerste stap bij het vervaardigen van processors wordt gedaan in een cleanroom. Overigens is het belangrijk op te merken dat dergelijke hightechproductie een accumulatie van enorm kapitaal per vierkante meter vertegenwoordigt. De bouw van een moderne fabriek met alle apparatuur kost al snel 2 tot 3 miljard dollar, en het testen van nieuwe technologieën vergt enkele maanden. Alleen dan kan de fabriek massaverwerkers produceren.
Over het algemeen bestaat het chipfabricageproces uit verschillende waferverwerkingsstappen. Dit omvat het creëren van de substraten zelf, die uiteindelijk in individuele kristallen zullen worden gesneden.
Het begint allemaal met het kweken van een enkel kristal, waarbij een kiemkristal wordt ingebed in een bad van gesmolten silicium, dat zich net boven het smeltpunt van polykristallijn silicium bevindt. Het is belangrijk dat de kristallen langzaam groeien (ongeveer een dag) om ervoor te zorgen dat de atomen correct gerangschikt zijn. Polykristallijn of amorf silicium bestaat uit veel verschillende kristallen, wat zal leiden tot het verschijnen van ongewenste oppervlaktestructuren met slechte elektrische eigenschappen. Zodra het silicium gesmolten is, kan het worden gedoteerd met andere stoffen die de elektrische eigenschappen ervan veranderen. Het gehele proces vindt plaats in een afgesloten ruimte met een speciale luchtsamenstelling zodat het silicium niet oxideert.
Het monokristal wordt in “pannenkoekjes” gesneden met behulp van een diamanten gatenzaag, wat zeer nauwkeurig is en geen grote onregelmatigheden op het oppervlak van het substraat veroorzaakt. Uiteraard is het oppervlak van de substraten nog steeds niet perfect vlak, dus er zijn aanvullende bewerkingen nodig.
Eerst wordt met behulp van roterende stalen platen en een schurend materiaal (zoals aluminiumoxide) een dikke laag van de substraten verwijderd (een proces dat leppen wordt genoemd). Als resultaat worden onregelmatigheden, variërend in grootte van 0,05 mm tot ongeveer 0,002 mm (2000 nm), geëlimineerd. Vervolgens moet u de randen van elke achterkant afronden, omdat scherpe randen ervoor kunnen zorgen dat lagen loslaten. Vervolgens wordt een etsproces gebruikt, waarbij bij gebruik van verschillende chemicaliën (fluorwaterstofzuur, azijnzuur, salpeterzuur) het oppervlak ongeveer 50 micron wordt gladgemaakt. Het oppervlak wordt niet fysiek aangetast, omdat het hele proces volledig chemisch is. Hiermee kunt u resterende fouten in de kristalstructuur verwijderen, wat resulteert in een oppervlak dat bijna ideaal is.
De laatste stap is het polijsten, waarbij het oppervlak glad wordt gemaakt tot een maximale ruwheid van 3 nm. Het polijsten wordt uitgevoerd met een mengsel van natriumhydroxide en korrelig silica.
Tegenwoordig hebben microprocessorwafels een diameter van 200 mm of 300 mm, waardoor chipfabrikanten uit elk exemplaar meerdere processors kunnen produceren. De volgende stap zijn substraten van 450 mm, maar die moeten we niet vóór 2013 verwachten. In het algemeen geldt dat hoe groter de diameter van het substraat is, des te meer chips van dezelfde grootte kunnen worden geproduceerd. Een wafer van 300 mm produceert bijvoorbeeld ruim twee keer zoveel processors als een wafer van 200 mm.
We hebben al doping genoemd, die wordt uitgevoerd tijdens de groei van een enkel kristal. Maar dotering gebeurt zowel met het voltooide substraat als later tijdens fotolithografische processen. Hierdoor kun je de elektrische eigenschappen van bepaalde gebieden en lagen veranderen, en niet de hele kristalstructuur
De toevoeging van het doteermiddel kan plaatsvinden door middel van diffusie. Atomen van het doteermiddel vullen de vrije ruimte in het kristalrooster, tussen de siliciumstructuren. In sommige gevallen is het mogelijk om de bestaande structuur te legeren. Diffusie vindt plaats met behulp van gassen (stikstof en argon) of met behulp van vaste stoffen of andere bronnen van legeringsstoffen.
Een andere benadering van doping is ionenimplantatie, wat zeer nuttig is bij het veranderen van de eigenschappen van het substraat dat is gedoteerd, aangezien ionenimplantatie wordt uitgevoerd bij normale temperaturen. Daarom diffunderen bestaande onzuiverheden niet. U kunt een masker op het substraat aanbrengen, waardoor u alleen bepaalde gebieden kunt bewerken. Natuurlijk kunnen we nog lang over ionenimplantatie praten en de penetratiediepte, activering van het additief bij hoge temperaturen, kanaaleffecten, penetratie in oxideniveaus, enz. bespreken, maar dit valt buiten het bestek van ons artikel. Tijdens de productie kan de procedure meerdere keren worden herhaald.
Om secties van een geïntegreerd circuit te maken, wordt een fotolithografisch proces gebruikt. Omdat het niet nodig is om het gehele oppervlak van het substraat te bestralen, is het belangrijk om zogenaamde maskers te gebruiken die straling met hoge intensiteit alleen naar bepaalde gebieden doorlaten. Maskers zijn te vergelijken met zwart-witnegatieven. Geïntegreerde schakelingen hebben veel lagen (20 of meer) en elk daarvan heeft zijn eigen masker nodig.
Op het oppervlak van een kwartsglasplaat wordt een structuur van dunne chroomfilm aangebracht om een patroon te creëren. In dit geval schrijven dure instrumenten die een elektronenbundel of een laser gebruiken de noodzakelijke gegevens van de geïntegreerde schakeling, wat resulteert in een chroompatroon op het oppervlak van een kwartssubstraat. Het is belangrijk om te begrijpen dat elke wijziging van een geïntegreerd circuit leidt tot de noodzaak om nieuwe maskers te produceren, dus het hele proces van het aanbrengen van wijzigingen is erg duur. Bij zeer complexe schema's duurt het erg lang om maskers te maken.
Met behulp van fotolithografie wordt een structuur gevormd op een siliciumsubstraat. Het proces wordt verschillende keren herhaald totdat er veel lagen (meer dan 20) zijn gemaakt. De laagjes kunnen uit verschillende materialen bestaan, en ook verbindingen met microscopisch kleine draadjes moet je bedenken. Alle lagen kunnen worden gelegeerd.
Voordat het fotolithografieproces begint, wordt het substraat gereinigd en verwarmd om kleverige deeltjes en water te verwijderen. Vervolgens wordt het substraat met een speciaal apparaat bedekt met siliciumdioxide. Vervolgens wordt er een koppelmiddel op het substraat aangebracht, dat ervoor zorgt dat het fotoresistmateriaal dat in de volgende stap wordt aangebracht op het substraat blijft zitten. In het midden van het substraat wordt fotoresistmateriaal aangebracht, dat vervolgens met hoge snelheid begint te roteren, zodat de laag gelijkmatig over het gehele oppervlak van het substraat wordt verdeeld. Het substraat wordt vervolgens opnieuw verwarmd.
Vervolgens wordt de afdekking door het masker bestraald met een kwantumlaser, harde ultraviolette straling, röntgenstralen, elektronen- of ionenbundels - al deze licht- of energiebronnen kunnen worden gebruikt. Elektronenstralen worden voornamelijk gebruikt om maskers te maken, röntgenstralen en ionenstralen worden gebruikt voor onderzoeksdoeleinden, en de industriële productie wordt tegenwoordig gedomineerd door harde UV-straling en gaslasers.
Harde UV-straling met een golflengte van 13,5 nm bestraalt het fotoresistmateriaal terwijl het door het masker gaat.
Projectietijd en focus zijn van groot belang om het gewenste resultaat te bereiken. Een slechte focussering zal ertoe leiden dat overtollige deeltjes fotoresistmateriaal achterblijven omdat sommige gaten in het masker niet goed worden bestraald. Hetzelfde zal gebeuren als de projectietijd te kort is. Dan zal de structuur van fotoresistmateriaal te breed zijn, de gebieden onder de gaten zullen onderbelicht zijn. Aan de andere kant creëert een te lange projectietijd te grote gebieden onder de gaten en een te smalle structuur van fotoresistmateriaal. In de regel is het zeer arbeidsintensief en lastig om het proces aan te passen en te optimaliseren. Een mislukte aanpassing zal leiden tot ernstige afwijkingen in de verbindingsgeleiders.
Een speciale stap-voor-stap projectie-installatie verplaatst het substraat naar de gewenste positie. Vervolgens kan een lijn of één sectie worden geprojecteerd, meestal overeenkomend met één processorchip. Extra micro-installaties kunnen aanvullende wijzigingen met zich meebrengen. Ze kunnen bestaande technologie debuggen en het technische proces optimaliseren. Micro-installaties werken meestal op oppervlakken kleiner dan 1 vierkante meter. mm, terwijl conventionele installaties grotere oppervlakken bestrijken.
Het substraat gaat vervolgens naar een nieuw stadium waarin het verzwakte fotoresistmateriaal wordt verwijderd, waardoor toegang tot het siliciumdioxide mogelijk wordt. Er zijn natte en droge etsprocessen waarbij gebieden met siliciumdioxide worden behandeld. Natte processen gebruiken chemische verbindingen, terwijl droge processen gas gebruiken. Een apart proces omvat het verwijderen van overblijfselen van fotoresistmateriaal. Fabrikanten combineren vaak natte en droge verwijdering om ervoor te zorgen dat het fotoresistmateriaal volledig wordt verwijderd. Dit is belangrijk omdat het fotoresistmateriaal organisch is en als het niet wordt verwijderd defecten aan het substraat kan veroorzaken. Na het etsen en reinigen kunt u beginnen met het inspecteren van het substraat, wat meestal in elke belangrijke fase gebeurt, of het substraat overbrengen naar een nieuwe fotolithografiecyclus.
Substraattesten, assemblage, verpakking
Afgewerkte substraten worden getest in zogenaamde probe-testinstallaties. Ze werken met het gehele substraat. Op de contacten van elk kristal zijn sondecontacten aangebracht, waardoor elektrische tests kunnen worden uitgevoerd. De software test alle functies van elke kern.
Door te snijden kunnen individuele korrels uit het substraat worden verkregen. Op dit moment hebben sondecontrole-installaties al geïdentificeerd welke kristallen fouten bevatten, zodat ze na het snijden van de goede kunnen worden gescheiden. Voorheen werden beschadigde kristallen fysiek gemarkeerd, maar nu is dat niet meer nodig, alle informatie wordt in één database opgeslagen.
Kristallen montuur
De functionele kern moet vervolgens met behulp van lijmmateriaal aan het processorpakket worden vastgelijmd.
Vervolgens moet u draadverbindingen maken die de contacten of poten van het pakket en het kristal zelf verbinden. Er kunnen goud-, aluminium- of koperverbindingen worden gebruikt.
De meeste moderne verwerkers gebruiken plastic verpakkingen met een warmteverspreider.
Meestal is de kern omhuld met keramiek of plastic om schade te voorkomen. Moderne processors zijn uitgerust met een zogenaamde heat spreader, die extra bescherming biedt voor de chip, evenals een groter contactoppervlak met de koeler.
CPU-testen
De laatste fase omvat het testen van de processor, wat plaatsvindt bij verhoogde temperaturen, in overeenstemming met de processorspecificaties. De processor wordt automatisch in de testsocket geïnstalleerd, waarna alle benodigde functies worden geanalyseerd.
Er zijn verschillende populaire fabrikanten van processors voor tablets en smartphones (mobiele computers). De centrale processor voert alle berekeningen in het computerapparaat uit en verwerkt ook informatie. De processor heeft vooral invloed op de prestaties van het hele systeem, maar er zijn ook andere componenten die de algehele prestaties beïnvloeden. De prijs van het hele apparaat is sterk afhankelijk van het merk van de centrale processor; als je een krachtige chip kiest, wees dan bereid er behoorlijk veel geld voor te betalen.
De centrale processor van mobiele computers is een systeem op een chip, waaronder een videoprocessor, een modem, verschillende controllers, enz. Zo'n chip wordt afgekort SoC (System-on-a-Chip) - systeem op een chip.
Een belangrijke factor in de prestaties van het hele apparaat is de software. Een besturingssysteem en geïnstalleerde applicaties die efficiënt gebruik maken van de mogelijkheden van de centrale processor kunnen de computerprestaties aanzienlijk verbeteren.
Qualcomm
Dit is een Amerikaans bedrijf dat in 1985 werd opgericht door Irwin Jacobs, Franklin Antonio en anderen.
De eerste Qualcomm-processor werd gemaakt in 2005. Nadat hij een licentie had gekregen voor de Cortex A8-processorkern van ARM, ontwikkelde Qualcomm zijn eigen microprocessor voor mobiele telefoons op de Scorpion-kern die daarop was gebaseerd. De chip ondersteunt volledig de ARMv7-instructieset die wordt gebruikt in de Cortex A8, maar is aangepast ten opzichte van de basis-ARM-kern. Scorpion werkt op een hogere frequentie, 1 GHz, en verbruikt de helft minder elektriciteit. De processor is geproduceerd met behulp van 65 nm-technologie.
Tegenwoordig heten de beste chips van dit bedrijf Snapdragon, de nieuwste ontwikkeling van Qualcomm heet Snapdragon 810. Deze chip heeft 8 kernen en draait op 2 GHz.
MediaTek
MediaTek Inc. is een halfgeleiderbedrijf dat componenten ontwikkelt voor draadloze communicatie, optische gegevensopslagsystemen, GPS, HDTV, DVD. Het bedrijf werd opgericht op 28 mei 1997. Het hoofdkantoor is gevestigd in het Hsinchu Industrial and Science Park (Taiwan); Er zijn divisies in China, Denemarken, de VAE, India, Japan, Zuid-Korea, Singapore, het VK, de VS en Zweden.
MediaTek beschikt niet over eigen productiefaciliteiten en alle productie wordt georganiseerd in de fabrieken van andere bedrijven. Ontwikkelt systemen op een chip voor communicatie, HDTV, digitale televisie, DVD, GPS, Blu-ray.
MediaTek-chipsets voor mobiele telefoons hebben het mogelijk gemaakt om smartphones in de prijsklasse onder de $ 200 te maken met goede prestaties.
De nieuwste ontwikkeling voor smartphones heet MT6797 (Helio X20). Deze chip heeft 10 kernen en werkt op maximaal 2,5 GHz.
Appel
Een Amerikaans bedrijf dat zijn eigen componenten voor zijn producten maakt. Hetzelfde geldt voor processoren. Apple produceert ook zijn eigen processors voor zijn tablets en smartphones.
Apple staat bekend om zijn iPad-tablets en iPhone-smartphones, hoewel dit niet de enige producten van het bedrijf zijn. Het bedrijf is gevestigd in Cupertino, Californië.
De nieuwste processors die Apple heeft uitgebracht zijn de A9 en A9X. En hoewel deze chips 2 cores hebben en een werkfrequentie van 1,8 GHz, blijken apparaten gemaakt op A9-chips, in combinatie met het eigen iOS-besturingssysteem, behoorlijk productief te zijn.
Apple verkoopt zijn processors niet aan andere fabrikanten van mobiele computers en gebruikt geen processors van derden op zijn apparaten.
Intel
Intel Corporation is een Amerikaans bedrijf dat een breed scala aan elektronische apparaten en computercomponenten produceert, waaronder microprocessors, systeemlogicasets (chipsets), enz. Het hoofdkantoor bevindt zich in Santa Clara, Californië, VS.
Intel-processors voor laptops zijn erg populair. Maar voor tablets en smartphones is Intel niet koploper in het aanbod van centrale processors. Intel-producten in dit segment zijn inferieur aan andere bedrijven. Een populaire chip van Intel voor mobiele apparaten is de Intel Atom.
De nieuwste ontwikkeling van Intel is de Intel Atom x7-Z8700-processor. Dit is een 4-coreprocessor met een frequentie van 2,4 GHz. Het is geschikt voor het oplossen van alledaagse taken en voor eenvoudige spelletjes. Maar het belangrijkste voordeel van Intel-processors is hun efficiëntie.
Nvidia
NVidia staat bekend om zijn videokaarten. Ook produceert het processors voor smartphones en tablets, deze chips heten Tegra. NVIDIA Tegra is een familie van systemen op een chip, ontwikkeld door NVIDIA als platform voor de productie van mobiele internetapparaten. De Tegra-chip combineert een ARM-processor, grafische processor, media- en DSP-processors, geheugen en randcontrollers, terwijl het stroomverbruik laag blijft.
Het verschijnen van SoC Tegra werd voorafgegaan door de overname door NVIDIA in 2007 van PortalPlayer, dat mediaprocessors voor de iPod ontwikkelde en leverde. Het eerste APX 2500-model van de Tegra-serie werd aangekondigd op 12 februari 2008, en de volledige aankondiging van de volledige serie en de Tegra-productlijn vond plaats op 2 juni 2008.
De nieuwste ontwikkeling werd uitgebracht in januari 2015. NVIDIA Tegra X1 (codenaam - NVIDIA Erista) is de zesde generatie van het systeem-op-chip van de NVIDIA Tegra-familie. Deze chip heeft 8 kernen.
Tegra-chips zijn zeer geschikt voor apparaten die zullen worden gebruikt, inclusief complexe games. Maar de prijs van deze processors is hoog.
Samsung
Samsung Group is een Zuid-Koreaanse bedrijvengroep opgericht in 1938. Het staat op de wereldmarkt bekend als fabrikant van hightech componenten, telecommunicatieapparatuur, huishoudelijke apparaten, audio- en videoapparatuur. Het hoofdkantoor van het bedrijf is gevestigd in Seoul.
Exynos is een familie van ARM-microprocessors van Samsung Electronics, een system-on-chip SoC.
De nieuwste ontwikkeling op het gebied van mobiele processors: Exynos 7 Octa - bevat vier ARM Cortex-A57-kernen (ARM Cortex-A72) en vier ARM Cortex-A53-kernen gebaseerd op het ARM big.LITTLE-principe.
De processors worden gebruikt om hun eigen apparaten te produceren.
Huawei
Huawei heeft Kirin-processors ontwikkeld en geproduceerd voor zijn eigen toestellen. De nieuwste ontwikkeling is de Kirin 950-chip, die eind 2015 wordt geïntroduceerd. Het heeft 8 kernen en draait op 2,4 GHz. Huawei produceert zijn eigen processors onder het merk Hisilicon.
De Kirin 950-configuratie omvat vier Cortex-A72-, vier Cortex-A53-processorkernen en een Mali-T880 GPU. Het is goed mogelijk dat de Honor 7 Plus-smartphone hierop gebaseerd zal zijn.
Alle winnaar
Een Chinees bedrijf produceert processors voor budgetapparaten. Wordt voornamelijk gebruikt in goedkope Chinese tablets van weinig bekende bedrijven.
Allwinner presenteerde zijn nieuwe A64-platform met één chip op CES 2015. Dit is het eerste 64-bit-systeem van de fabrikant. Het is ontworpen voor tablets en kost slechts $ 5. Bovendien omvat de configuratie vier Cortex-A53-processorkernen. Het platform kan videoresoluties tot 4K decoderen in de formaten H. 264 en H.265 (HEVC) en ondersteunt ook beelduitvoer via HDMI.
