Revija Joker - Nedrja strojnih možganov

ČLANKI
stranka » članki » vedež » Nedrja strojnih možganov

Izdelava
Proizvodnja se začne pri snovi, ki tvori največji del pretikal: kovini siliciju. Ta na našo srečo predstavlja četrtino mase zemljine skorje in je za kisikom drugi najpogostejši kemijski element v njej. Danes ga pridobivajo kar iz navadnega kvarčnega peska, v katerem ga je obilo. Toda za čipe je primeren le karseda čist silicij brez drugih kemijskih elementov in povrhu iz enega samega velikega kristala, česar v naravi ni. Le tako namreč zagotovimo po vsem procesorju enake polprevodniške lastnosti. Zahtevano čistočo dobijo s taljenjem peska, v katerega potopijo predpripravljen čisti kristal silicija. Ko le-tega zelo počasi, z nekaj milimetri na uro, vlečejo iz taline, se ob ohlajanju atomi iz peska vežejo na kristal v pravilni legi.
Tako nastane velik valjast monokristalen kos čistega silicija, ki ga imenujejo ingot. Razrežejo ga na okrogle rezine premera od 200 pa tja do 300 milimet­rov in z debelino milimetra. Pakete takih rezin kupijo proizvajalci čipov od zunanjih ponudnikov. Gre prav za tiste okrogle plošče, s katerimi vidimo pozirati inženirje v 'vesoljskih' oblačilih. Iz ene nastane po sto in več prihodnjih procesorskih jeder, proizvodnja pa se odvija kar na vsej rezini naenkrat. Tako lahko hkrati napravijo stotino milijard pretikal.
Preden gredo plošče na tekoči trak, jih je treba še spolirati. Biti morajo tako ravne, da bi lahko na površini velikosti nogometnega igrišča višinska razlika znašala kvečjemu delček milimetra!
Iz vrhnjega mikrometra (tisočinka milimetra) rezine nastane ena plast tranzistorjev, na katero nato vdelajo povezave. Pri vsem tem uporabljajo tri pos­top­ke, s katerimi na površino izmenično dodajajo in ji odvzemajo sloje snovi: nanos, jedkanje ter fotolitografijo. Princip je enostaven. Kjer hočejo dodatni material, ga nanašajo, kjer je odveč, ga z jedkanjem odstranijo. Oboje določijo z vzorcem, ki ga vtisnejo s fotolitografijo. To omogoči, da nanose in jedkanja izvajajo na vsej površini rezine naenkrat. Fotolitografija deluje po podobnem kopitu kot fotografiranje. Ko s svetlobo posvetijo na fotoobčutljiv premaz, mu spremenijo kemične lastnosti. Kamor pade svetloba, postane snov topna, preostanek ostane netopen. Ko s topilom odstranijo topni del, na površini ostane odtisnjen vzorec, s katerim nadzorujejo na primer omenjeno jedkanje. Kjer je luknja, izjedkajo snov pod njo, kjer pa je ostal netopni del fotoobčutljive plasti, ostane nedotaknjen tudi material pod njo.
Obliko na rezini dobijo s kromovo šablono – 'masko', skozi katero sije ultravijolična svetloba, ki ima edina dovolj kratko valovno dolžino za odtis nanoskopskih potk. Zahteva je podobna kot pri optičnih ploščkih, ki hočejo zase dobre laserje. Izdelavo sodobnega procesorja določa skupek od dvajset do trideset mask, ki stanejo več milijonov evrov. Ti modelčki so zapis, po katerem deluje vsa tovarna, zato izdelava mask določa konec načrtovalnega obdobja nekega izdelka in začetek proizvodnje.
Na prvi sličici so že nanešena vrata tranzistorja (svetlo modro) z izolatorjem (ru­meno), ki jih ločuje od kanala (zeleno). Nanos izvedejo s kemičnimi reakcijami, kjer rezino potopijo v zmes snovi. Te se spojijo in sprimejo z ploščo, nakar jih na odvečnih mestih izjedkajo. Temno modra plast je fotosnov, ki nadzoruje naslednji pomemben korak: tako imenovano ionsko implantacijo. Z njo v silicij vnesejo tuje atome in mu s tem tako spremenijo lastnosti, da na mestu vnosa nastaneta izvir in ponor. Gre za podoben princip kot streljanje z mitraljezom v zid, le da tu pospeševalnik delcev strelja ione v silicijevo rezino. To je treba potem v peči segreti na približno 1000 stopinj, da se na novo dodani atomi pravilno razporedijo v kristalno mrežo.
S tem tranzistorji dobijo končno obliko. Dandanes so v računalniških procesorjih še vedno le v eni plasti, saj se je proizvodnja pretikal v nadstropja izkazala za premalo zanesljivo. Drugače je v manjših čipih za domače naprave, kjer ponekod že najdemo tridimenzionalno arhitekturo. Po stikalih se začne izdelava bakrenih povezav nad njimi. Na površino s kemično reakcijo najprej nanesejo plast izolacijskega silicijevega dioksida (vijolično), nakar vanjo z jedkanjem napravijo kanalčke. Te rove morajo napolniti z bak­rom, za kar uporabijo tako imenovano elektrodepozicijo, ki je ponazorjena na predzadnji sliki. Rezino potopijo v zmes z bakrom, elektroda pa ustvari električno polje, ki baker prepriča, da odpotuje proti površini in se nanjo odloži.
S poliranjem natančnosti desetih nanometrov odstranijo odvečni nanos. Ostane lična plast izolatorja s kanali, v katerih je baker. To so povezave – žičke, po katerih potujejo vsi signali. Nekoč so bile aluminijaste, pred sedmimi leti pa je vsa industrija prešla na bakrene, ki imajo manjši upor. V prihodnosti jih bodo bržda zamenjale nanocevke ali kaka optična snov, po kateri bo potovala svetloba.
Žičke gredo lahko v posameznem čipu v deset in več nadstropij nad plastjo pretikal, zato je treba opisani postopek mnogokrat ponoviti za višje ravni. Šele ko je končana zadnja plast povezav, si lahko rezina oddahne. Če seštejemo vse procese, se pri modernih procesorjih ustavimo pri številki dvesto petdeset! Zdaj laže razumete, od kod visoka poraba kemikalij in vode v proizvodnji procesorjev.
Jedra še na skupni rezini preizkusijo, da najdejo očitne okvare. V ta namen ima vsak čip v sebi množico stikal, ki so namenjena samo testiranju in ne končnemu mletju številk ter poligonov. Nato ploščo razrežejo na posamezna jedra in odberejo tista, ki so prestala test. V prvi seriji je takih ponavadi od 70 do 90 odstotkov vseh na rezini, nakar se z izboljšavami proizvodnje delež zvišuje. Ta izkoristek procesa je zelo pomemben, ker kaže na njegovo zanes­ljivost in je neposredno odgovoren za morebitne rdeče finančne številke. TSMC je imel nedavno težave s 40 nm tehnologijo in izkoristkom pod 60%.
Na končanih sredicah čepi več sto milijonov pretikal. Delujoča jedra gredo v pakiranje v ohišje, ki ga mi potem držimo v rokah kot končni izdelek. Tudi izdelava ohišij ni od muh in njihova cena lahko predstavlja četrtino celotne cene procesorja. Napravijo jih s podobnim postopkom kot procesorje same, le da se procesi ne odvijajo na tako majhnih ravneh, zaradi česar so enostavnejši. Mimogrede, število nožic čipa je sorazmerno s količino tranzistorjev. Ob podvojitvi mnoštva pretikal se število nožic poveča približno za polovico.
Jedro posedejo na vezje ohišja in čezenj poveznejo kovinski hladilni vmesnik. Ta mora zagotoviti, da se do jedra ne prikrade prah, in dovolj hitro odvajati toploto do hladilnika, ki ga kasneje namestimo na procesor. Ko je pakiranje izdelka končano, sledi končno testiranje. Vsak kos preizkušajo okoli pet minut, delovanje preizkusne naprave pa stane več sto evrov na uro, kar pomeni, da je v ceni procesorja vselej všteto njegovo testiranje. S slednjim morajo namreč dodobra določiti končno zmogljivost čipa, kajti od tega je odvisno, pod katero označbo ga bodo prodajali. Najbolje izdelane srčike gredo v najbolj elitno serijo in nanje prežijo navijalci, medtem ko slabše delujočim znižajo frekvenco tiktakanja in jih prodajo kot izvedenke za srednji razred in podobno. Tako dva do tri mesece po nastanku ingota v škatlo zapakirajo novo CPE – centralno procesno enoto oziroma CPU – central processing unit.
Z zgornjim opisom smo se dotaknili samo golih osnov proizvodnje, ki je še mnogo bolj zapletena. Na povezave je na primer nanešena plast snovi, ki zmanjšuje parazitsko kapacitivnost omrežja žic, in še in še. Tovrstni dodatki so postali nujnost, kajti z zmanjševanjem pretikal se elektronika zaradi kvantnih pojavov začenja obnašati vedno bolj čudno. IBM je pred leti uvedel tehnologijo silicija na izolatorju (SOI), kjer tanjša rezina čepi na plasti izolatorja, s čimer preprečijo bežanje elektronov iz kanala. AMD je imel z njo izjemne probleme. Intel v nehalemih po drugi plati pozira s tehnologijo high-K metal gate, kjer izolator med vrati in kanalom ni več silicijev dioksid, temveč posebna snov, ki preprečuje uhajanje elektronov iz kanala v vrata. Eto, pa bodo čitavci od tega članka spet pobrali samo 'Intel vlada, AMD strada'.

Nedrja strojnih možganov objavljeno: Joker 200
marec 2010


sorodni članki