Примечание. Радиус атома кремния составляет 110 пикометров или 0,11 нанометра. Термин «размер узла» в процессе фотолитографии с пометкой «14 нм», «10 нм», «7 нм», «5 нм», «3 нм» и «2 нм» является маркетинговым и не имеет отношения к геометрии транзисторов.

Один из лидеров полупроводниковой индустрии TSMC, похоже, не собирается хоронить закон Мура. Тайваньская компания сейчас ведёт массовое производство по технологическому процессу 7 нм (огромное количество заказов на процессоры Ryzen 3000 и графические карты Navi). Она вот-вот готова запустить 5 нм, а теперь объявила о начале исследований в области процесса с нормой 2 нм. Об этом сказано в годовом отчёте для акционеров, сообщает Digitimes.

Это третья статья из серии о проектировании ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй статье говорилось о проектировании и реализации некоторых компонентов чипа. В третьей части мы узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.

Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберёмся.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как говорилось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика составлены из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Мы сказали, что существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.

Чтобы превратить кремниевую пластину в практическую электрическую схему добавлением транзисторов, производственные инженеры используют процесс под названием "легирование". Легирование — это процесс добавления в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два вида транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.

Международная команда физиков под руководством Томаса Расселла из Университета Массачусетса стала первой, кому удалось реализовать идею создания флэш-памяти на паттерне самособирающихся наномагнитов. Идея состоит в том, чтобы довести материал (кристалл сапфира) до такого состояния, чтобы строгая решётка наномагнитов сформировалась сама собой, по принципу домино, на относительно большой плоскости.

Это удалось сделать, нагрев кристалл сапфира до 1400°С, а затем наложив на него маску, которая создаёт строгую решётку никелевых магнитов размером по 3 нм. Каждый из магнитов содержит бит информации в одной из двух возможных своих ориентаций. При помещении на кристалл они самостоятельно располагаются в строгом порядке, формируя решётку идеальной формы. Такую решётку проблематично создать даже методом фотолитографии, поскольку речь идёт о размерах, сравнимых с длиной световой волны.

Учитывая размер наномагнитов, они позволяют записывать информацию с рекордной плотностью до 10 Тбит на кв. дюйм (то есть 270 дисков DVD на пластине размером с монетку).



via UC Berkley News

Кто-то вероятно уже слышал о том, что Роснано в конце 2012-го года инвестировала в компанию-разработчика оборудования электронной литографии Mapper Lithography. Что и как они делают, спасет ли это отечественную микроэлектронную промышленность — узнаем в этой статье.

Как мы помним, производство микросхем подразумевает последовательную обработку полупроводниковой пластины через экспонированный слой фоторезиста, изображение на котором обычно формируется оптическим способом: «сканер» через уменьшающий объектив проецирует изображение фотошаблона.

Этот подход имеет ряд недостатков: необходимость изготовления фотошаблонов для каждой новой микросхемы (опустим тут возможность группового производства) — приводит к тому, что продукты обязаны быть крупносерийными, миллионы штук, чтобы окупать стоимость фотошаблонов (до нескольких миллионов $ на каждый тип микросхемы). И с другой стороны — длина волны света ограничивает минимальные размер рисуемых элементов. Сейчас мировая промышленность уже вплотную подошла к теоретическому пределу разрешения оптической литографии: ~35nm для сканеров NA=1.35 с ArF лазерами на длине волны 193нм и ~18нм для литографии на жестком ультрафиолете EUV (однако в серийном производстве это пока не используется).

Есть и альтернатива: экспонировать фоторезист не светом, а электронным пучком — получается электронная литография. Электронный пучок можно фокусировать в точку гораздо меньшего размера, даже 1нм не проблема, но появляются и новые проблемы.

На фотографии — симуляция попадания электрона в электронрезист, демонстрирующая проблему с разрешением электронрезиста из-за рассеяния электронов.

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.

Машина для фотолитографии ASML весит около 180 тонн и стоит примерно $170 млн

Пытаясь конкурировать с TSMC (Тайвань) в производстве микросхем последнего поколения, конгломерат Samsung (Южная Корея) пошёл на крайние меры. Как стало известно Nikkei Asia, осенью 2020 года вице-президент Samsung Electronics Ли Джэ Ён (Lee Jae-yong, де-факто это руководитель всего Samsung) летал в Нидерланды на переговоры с руководством ASML — мировым монополистом на рынке оборудования для самой продвинутой версии фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).

Nikkei Asia называет эту поездку в разгар пандемии отчаянным шагом. Корейцы пытаются выпросить уникальные сканеры ASML, более 70% которых сейчас уходит главному конкуренту — тайваньской TSMC.

Будущий сканер ASML с высокой числовой апертурой 0,55 (high-NA EUV) стоимостью примерно $300 млн. Источник: презентация ASML

Голландская компания ASML — монополист на рынке оборудования для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV) с запасом технологического лидерства на несколько лет перед конкурентами. Поэтому задержка следующего поколения сканеров не отразится на прибыли компании, считают источники Seeking Alpha. Даже наоборот, ASML заработает ещё больше на продаже оборудования текущего поколения.

Некоторые эксперты считают, что в нынешней ситуации вообще не до апгрейдов. Дефицит такой сильный, что некоторые производители, наоборот, возобновляют производство микросхем предыдущего поколения, ранее снятые с производства.

Современное производство процессоров иначе как произведением технологического искусства назвать просто язык не поворачивается. Когда начинаешь разбираться с тем какое количество в нем тонкостей и элегантных технологических решений, то просто взрывается мозг. Сегодня мы вам расскажем о двух важнейших этапах при производстве процессоров, а также объясним что общего между созданием процессоров и ковровыми бомбардировками, зачем нужно греть материалы сфокусированным лучом электронов и как получают металлический пар из самого тугоплавкого металла в мире.



Начнем, как обычно у нас принято, с основ. Как мы уже не раз говорили: транзистор — основа всех процессоров. Но сам по себе одиночный транзистор мало что может. В современных чипах их миллиарды!

В этой статье я расскажу о начале своей работы над совершенно безбашенной задачей: конечная цель в том, чтобы получить рабочую микросхему по «толстым» нормам (5-10µm) дома. Это не первое апреля и я не сумасшедший, это просто моё хобби.

Возникла эта идея не сейчас и неспроста. С детства я хотел быть газосварщиком, и… делать микросхемы. И если по первому пункту мне достаточно быстро удалось сделать дома сварочный аппарат (бутан-водород/кислород), то с микросхемами все никак не складывалось. Долгое время все мысли останавливались на том, что я не знал где можно взять собственно полупроводники необходимой чистоты (и мысли останавливались на ковырянии мощных транзисторов), пока на форуме не подсказали что в принципе, можно и купить пластины. Затем я даже наткнулся на человека, который 20 лет работал над похожей задачей, и в итоге сдался. Пожалуй, тут можно было опустить руки и перестать тратить время на глупые мечты. Но, однажды я увидел ролик чудовищно гениальной женщины – Jeri Ellsworth – она смогла сделать отдельные полевые транзисторы на основе заводских пластин – и тогда я решил, что настало время поплотнее заняться этой проблемой.

В этой статьях я расскажу о своём текущем прогрессе, но не ждите быстрого продолжения – весь процесс может легко занять пару лет.

Два года назад мы рассказывали, что TSMC начинает разработку техпроцесса N2 (2 нм), который планирует запустить в массовое производство в 2025 году. Сейчас компания подтвердила, что всё идёт по плану.

Примечание. Радиус атома кремния составляет 110 пикометров или 0,11 нанометра. Термин «размер узла» в процессе фотолитографии с пометкой «14 нм», «10 нм», «7 нм», «5 нм», «3 нм» и «2 нм» является маркетинговым и не имеет отношения к геометрии транзисторов.

На Хабре привыкли обсуждать передовые техпроцессы и самые продвинутые технологии производства микросхем, но реальная жизнь далека от этого. На самом деле передовые техпроцессы вроде TSMC N5 (5 нм) отвечают за мизерную долю мирового производства микроэлектроники. Львиная часть компонентов изготавливается по менее продвинутым технологиям. Более того, заказчики этих компонентов не горят желанием добровольно переходить на новые технологии. Их логика совершенно понятна.

Во-первых, апгрейд на более продвинутый техпроцесс требует инвестиций в редизайн компонентов. Во-вторых, эти инвестиции необязательно окупятся, потому что новая модель может оказаться дороже старой, а выход годных деталей снизится (из-за более сложного техпроцесса). Даже надёжность компонентов может упасть (из-за меньшего размера транзисторов они более восприимчивы к наводкам). И самое главное — если старое работает, зачем что-то менять?

Поэтому заказчикам нужен «волшебный пендель» со стороны производителя.

Летом 2022 года стало окончательно понятно, что китайская корпорация SMIC освоила производство микросхем по техпроцессу 7 нм.

Хотя специализированные процессоры MinerVa7 Bitcoin (SHA256 ASIC) мало кому интересны, но здесь любопытен технологический аспект. Получается, что если Китай освоил такой техпроцесс, то может в условиях торговых ограничений наладить производство CPU общего пользования, не уступающих процессорам TSMC (Apple, AMD) и Intel предпоследнего поколения?

Сразу появились подозрения, что китайский техпроцесс SMIC 7 нм скопирован с техпроцесса TSMC N7 образца 2018 года. И встал вопрос, какую фотолитографию использует Китай, ведь у них нет доступа к современным степперам ASML.

С момента публикации первой статьи по моему проекту домашних микросхем прошел (скорее пролетел) год, пора поделится прогрессом и новыми проблемами.

Изначальная цель проекта — научиться изготавливать микросхемы в домашних условиях, состоящие из сотен/тысяч транзисторов (уровня КР580ВМ80А / Z80).

Из-за того, что проект получился достаточно большим по требуемым ресурсам и времени — я решил получить в качестве дополнительного результата — документированный, максимально простой open-source техпроцесс, позволяющий создавать микросхемы в ограниченных условиях. В США, возможно, это было бы хорошим поводом для проекта на kickstarter, но видимо не судьба.

Однажды в далекие школьные годы у меня появилась идея заняться авто-реставрацией, благо у отца был в наличии уже практически сгнивший (но с отличным мотором) АЗЛК Москвич-408. Первым делом конечно же было решено поменять пороги и укрепить раму металлическим швеллером. Самый быстрый способ — естественно сварка, благо у отца и самодельный аппарат на Ш-образных пластинах был. Электроды и я нашел и, в принципе, довольно сносно приварил куски металла. Довольный своей работой заснул, думая о том, что я буду приваривать с утра. А с утра проснулся и понял что "ослеп", а отец поздравил "с первым пойманным зайцем". Чтобы понять о чем разговор — проследуйте под cut.

Степпер ASML: ключевое звено в производстве микросхем. На нём производится засветка фоторезиста через маску, как в фотоувеличителе. Стоимость прибора около $170 млн

У всех на слуху компании Intel, Samsung и TSMC — три крупнейших в мире производителя микросхем (последняя выполняет заказы для Apple и AMD).

Однако мало кто слышал об ASML — скромной компании в пригороде Эйндховена, пятого по величине города Нидерландов. Но если посмотреть, эта фирма играет ключевую роль в микроэлектронной промышленности. Это единственный в мире производитель степперов для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV), пишет издание The Economist.

Прошло чуть больше года после предыдущих статей о моем проекте создания микросхем дома (1, 2), люди продолжают интересоваться результатами — а значит пора рассказать о прогрессе.

Напомню цель проекта: научиться изготавливать несложные кремниевые цифровые микросхемы в «домашних» условиях. Это никоим образом не позволит конкурировать с серийным производством — помимо того, что оно на порядки более совершенное (~22нм против ~20мкм, каждый транзистор в миллион раз меньше по площади), так еще и чудовищно дешевое (этот пункт не сразу стал очевиден). Тем не менее, даже простейшие работающие микросхемы, изготовленные в домашних условиях будут иметь как минимум образовательную и конечно декоративную ценность.