Dette er den tredje delen av vår CPU-designserie. I den første delen dekket vi dataarkitektur og hvordan en prosessor fungerer fra toppnivå. Den andre delen undersøkte hvordan noen komponenter av en brikke er designet og implementert. Det tredje kapittelet går et skritt videre for å se hvordan arkitektoniske og skjematiske design forvandles til fysiske sjetonger.

Hvordan gjør du en sandbunke til en avansert prosessor? La oss finne det ut.

Som vi diskuterte tidligere, er prosessorer og all annen digital logikk laget av transistorer. En transistor er en elektronisk styrt bryter som vi kan slå på og av ved å påføre eller fjerne spenning fra porten. Vi diskuterte hvordan de to hovedtransistorene er: nMOS-enheter som tillater strøm når døren er åpen, og pMOS-enheter som tillater strøm når døren er lukket. Den grunnleggende strukturen til en prosessor der transistorer er plassert er silisium. Silisium, Halvleder fordi den ikke overfører eller isolerer helt; et sted i midten.

Produserende ingeniører for å gjøre en silisiumskive til en nyttig krets ved å legge til transistorer doping. Dopingprosessen innebærer tilsetning av nøye utvalgte urenheter til basissilisiumsubstratet for å endre dets ledningsevne. Målet her er å endre måten elektroner oppfører seg slik at vi kan kontrollere dem. Siden det er to typer transistorer, er det to tilsvarende hovedtyper doping.




Produksjonsprosessen til en wafer før flisen pakkes. Fotokreditt: Evan Lissoos




Hvis vi legger til nøyaktig kontrollerte mengder elektrondonasjonselementer som arsen, antimon eller fosfor, kan vi skape en n-type region. Siden det er flere elektroner i silisiumområdet der disse elementene påføres, vil det bli negativt ladet. Her kommer navnet n-type og "n" i nMOS. Ved å tilsette elektronakseptorelementer som bor, indium eller gallium til silisium, kan vi skape en positivt ladet p-type region. Det er her "p" i p-typen og pMOS kommer fra. Spesifikke prosedyrer for tilsetning av disse urenhetene til silisium, Ionimplantasjon ve spredt og de er utenfor omfanget av denne artikkelen.

Nå som vi kan kontrollere den elektriske ledningsevnen til visse deler av silisiumet vårt, kan vi kombinere egenskapene til flere regioner for å danne transistorer. Transistorer som brukes i integrerte kretser kjent som MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) har fire tilkoblinger. Strømmen vi kontrollerer strømmer gjennom kilden og avløpet. I en n-kanal enhet går den vanligvis inn i en dreneringskanal, og mens den er i en p-kanal enhet, flyter den til og ut av avløpet. Porten er bryteren som brukes til å slå transistoren av og på. Til slutt er ikke enhetens kropp relatert til prosessoren, så vi vil ikke diskutere det her.







Fysisk struktur av en inverter i silisium. Hver farget region har forskjellige ledningsegenskaper. Legg merke til hvordan de forskjellige silikonkomponentene tilsvarer diagrammet til høyre.

De tekniske detaljene om hvordan transistorer fungerer og hvordan forskjellige regioner samhandler, er nok til å fylle et universitetskurs på høyere nivå, så vi går gjennom det grunnleggende. En god analogi for hvordan de fungerer er en hengebro over en elv. Biler med elektroner i transistoren vår vil strømme fra den ene siden av elven til den andre, kilden og utladningen av transistoren din. Ved å bruke en nMOS-enhet som et eksempel, når porten ikke er ladet, er hengebroen oppe, elektroner kan ikke strømme gjennom kanalen. Når vi senker hengebruen, lager vi en vei på elven, og bilene kan bevege seg fritt. Det samme skjer med en transistor. Lading av døren skaper en kanal som lar strømmen strømme mellom kilde og avløp.




Produsenter som Intel og TSMC for nøyaktig å kontrollere hvor de forskjellige p- og n-områdene av silisium er fotolitografi. Dette er en ekstremt kompleks flertrinnsprosess, og selskaper bruker milliarder av dollar, noe som gjør den perfekt for å skape mindre, raskere og mer energieffektive transistorer. Vurder en supernøyaktig skriver som kan brukes til å tegne mønstre i hver sone på silikon.

Prosessen med å konvertere transistorer til en chip begynner med en ren silisiumplate. Deretter varmes den opp i en ovn for å dyrke et tynt lag med silisiumdioksid på toppen av skiven. En lysfølsom fotoresistpolymer påføres silisiumdioksid. Ved å skinne lys på fotoresisten ved bestemte frekvenser, kan vi skrelle fotoresisten i områdene vi vil dope. Dette er litografitrinnet og ligner på hvordan skrivere arbeider med å påføre blekk i mye mindre skala til bestemte områder på siden.

Waferen blir etset med flussyre for å oppløse silisiumdioksidet som fotoresisten ble fjernet fra. Fotoresisten fjernes deretter, og bare oksidlaget under blir igjen. Dopingioner kan deretter påføres waferen og bare implantere dem der det er hulrom i oksidet.




Denne prosessen med maskering, bildebehandling og doping gjentas flere titalls ganger for langsomt å skape hvert nivå av eiendom i halvlederen. Etter at basissilikonnivået er laget, vil det bli laget metallforbindelser øverst for å koble forskjellige transistorer sammen. Vi vil fortelle litt mer om disse forbindelsene og metallagene.

Selvfølgelig gjør chipprodusenter ikke bare prosessen med å lage transistorer en etter en. Når en ny brikke er designet, vil de produsere masker for hvert trinn i produksjonsprosessen. Disse maskene vil inneholde plasseringene til hvert element av milliarder transistorer på en brikke. Flere sjetonger er gruppert sammen og produsert på en enkelt dyse om gangen.

Når en wafer er produsert, blir individuelle former skåret og pakket. Avhengig av størrelsen på en brikke, kan hver skive passe hundrevis eller flere sjetonger. Jo sterkere flisen er, desto større er formen, noe som gjør det mulig for produsenten å få færre chips fra hver oblat.

Det er lett å tenke at vi trenger å lage enorme sjetonger med superkraftige hundrevis av kjerner, men det er ikke mulig. For tiden er den største faktoren som hindrer oss i å lage større og større sjetonger, mangler i produksjonsprosessen. Moderne sjetonger har milliarder transistorer, og hvis en enkelt del av en går i stykker, kan det hende at hele brikken må kastes. Når vi øker størrelsen på prosessorene, øker sjansen for at en chip mislykkes.

Den faktiske avkastningen selskapene får fra produksjonsprosessene holdes hemmelig, men hvor som helst mellom 70% og 90% er et godt estimat. Det er vanlig at selskaper overkonstruerer sjetongene sine med ekstra funksjonalitet, ettersom de vet at noen deler ikke vil fungere. For eksempel kunne Intel designe en 8-kjerners chip, men bare selge den som en 6-core chip fordi de gjettet at en eller to kjerner kunne gå i stykker. Chips med uvanlig få feil er ofte satt av til å bli solgt til en høyere pris i en kjent prosess. gruppering.

En av de største markedsføringsbetingelsene knyttet til brikkeproduksjon er funksjonsstørrelse. For eksempel jobber Intel med en 10nm prosess, AMD bruker en 7nm prosess for noen GPUer, og TSMC har begynt å jobbe med en 5nm prosess. Hva betyr alle disse tallene? Tradisjonelt representerer funksjonsstørrelsen minimumsbredden mellom en transistors avløp og dens kilde. Etter hvert som teknologien utviklet seg, krympet vi transistorer for å passe mer i en enkelt brikke. Jo mindre transistorer, jo raskere og raskere blir de.

Når du ser på disse tallene, er det viktig å merke seg at noen selskaper kan basere prosessdimensjonene sine på andre dimensjoner enn standardbredden. Dette betyr at prosesser med forskjellige størrelser fra separate selskaper faktisk kan resultere i samme størrelse transistor. På den annen side er ikke alle transistorer i en gitt prosess like store. Designere kan velge å gjøre noen transistorer større enn andre basert på visse variasjoner. For en gitt designprosess vil en mindre transistor være raskere fordi det tar kortere tid å lade og tømme porten. Imidlertid kan mindre transistorer bare kjøre svært få utganger. Hvis logikken skal bruke noe som krever mye strøm, for eksempel en utgangsstift, må den bestemte delen gjøres større. Disse utgangstransistorene kan være størrelsesordener større enn interne logiske transistorer.

Døden til en ny AMD Zen-prosessor. Flere milliarder transistorer utgjør denne designen.

Design og konstruksjon av transistorer er bare halvparten av brikken. Vi må lage ledninger for å koble alt i henhold til ordningen. Disse forbindelsene er laget ved hjelp av metallag på transistorene. Se for deg et veiskryss på flere nivåer med ramper, ramper og forskjellige veier som krysser hverandre. Det er nøyaktig hva som skjer inne i en chip, om enn i mye mindre skala. Ulike prosesser vil ha forskjellige antall metallkoblingslag på transistorene. Jo mindre transistorene er, jo flere metallag trengs for å lede alle signaler. Det er 15 metallag rapportert i TMSCs kommende 5 nm prosess. Tenk på et vertikalt veikryss på 15 nivåer, og det hjelper deg å forstå hvor kompleks ruten inne i en chip er.

Mikroskopbildet nedenfor viser buret som består av syv metallag. Hvert lag er flatt, og når det stiger, blir lagene større for å redusere motstanden. Mellom hvert lag er det små metallsylindere kalt vias som brukes til å hoppe til et høyere lag. Hvert lag avbøyes vanligvis fra gull for å redusere uønskede kapasitanser. Enkelt metallag kan brukes til å lage horisontale forbindelser og doble lag for å lage vertikale forbindelser.

Som du kan forestille deg, blir alle disse signalene og lagene av metall vanskelig å håndtere veldig raskt. For å løse dette problemet brukes dataprogrammer til å automatisk lokalisere og dirigere transistorer. Avhengig av hvor avansert designet er, kan programmer til og med oversette funksjoner i C-koden på høyt nivå til de fysiske plasseringene til hver kabel og transistor. Vanligvis vil chipprodusenter tillate datamaskiner å generere mesteparten av designet automatisk og deretter optimalisere visse kritiske seksjoner manuelt.

Når bedrifter ønsker å lage en ny brikke, vil de starte designene sine med standardceller levert av produksjonsfirmaet. For eksempel vil Intel eller TSMC gi designerne viktige deler som logiske porter eller minneceller. Designere kan deretter montere disse standardcellene i brikken de vil bygge. De vil da sende sjetongene, utformingene til sjetongens transistorer og metallagene, der det rå silisiumet blir forvandlet til arbeidsflis. Disse utformingene blir omgjort til masker som brukes i produksjonsprosessen vi diskuterte ovenfor. Deretter får vi se hvordan denne designprosessen kan se ut for en ekstremt enkel brikke.

Først ser vi utformingen av en inverter, en standardcelle. Toppen er den kuttede grønne rektangel pMOS-transistoren, og bunnen er den gjennomsiktige grønne rektangelnMOS-transistoren. Vertikal rød ledning er polysilisiumport, blå felt er metall 1 og lilla områder er metall 2. Inngang A kommer fra venstre og utgang Y kommer fra høyre. Kraft- og jordforbindelser er laget over og under metall 2.

 

Når flere porter kombineres, har vi en grunnleggende 1-bit aritmetisk enhet her. Denne designen kan legge til, trekke fra og utføre logiske operasjoner på to 1-biters innganger. Skråblå ledninger som går vertikalt er 3 lag metall. De litt større rutene i endene av strengene er stier som forbinder de to lagene.

Til slutt har vi en grunnleggende 4-biters prosessor med 8 byte RAM i fire metallag, som kombinerer mange celler og rundt 2000 transistorer sammen. Gitt hvor komplisert dette er, kan vi bare forestille oss utfordringen med å designe en 64-biters CPU med megabyte hurtigbuffer, flere kjerner og 20+ rørledningsnivåer. Gitt at dagens høytytende CPU-er kan ha 5-10 milliarder transistorer og et dusin lag metall, er det ikke overdrevet å si at disse bokstavelig talt er en million ganger mer komplekse.

Dette bør gi deg en forståelse for hvorfor den nye CPU-en din er dyr teknologi, eller hvorfor det tar så lang tid mellom AMD og Intels produktversjoner. Det tar vanligvis 3 til 5 år før en ny brikke går fra tegnebrettet til markedet. Dette betyr at dagens raskeste chips er laget med noen få års teknologi, og vi vil ikke se chips med dagens moderne produksjonsteknologi på mange år.

Med det er vi alle ferdige med vårt dype dykk i hvordan prosessorer er bygget.

I neste fjerde og siste episode av serien kommer vi tilbake fra det fysiske rommet og ser på dagens trender i bransjen. Hva gjør forskere nå for å gjøre neste generasjon datamaskiner enda raskere?

I tredje del av serien utforsket vi fysikken i hvordan transistorer fungerer, hvordan deres individuelle komponenter er dannet i silisium, og hvordan de kobles til for å lage nyttige kretser og chips.

Masthead-kreditt: Halvleders produksjonsbilde med makro