?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

ГДЕ производят процессоры Intel

Как я уже писал в предыдущем посту, на данный момент у компании Intel есть 4 завода, способных массово производить процессоры по технологии 32нм: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико.
Посмотрим как они устроены

Высота каждой фабрики Intel по производству процес-
соров на 300-мм кремниевых пластинах составляет 21
метр, а площадь достигает 100 тысяч квадратных мет-
ров. В здании завода можно выделить 4 основных уро
вня:
Уровень системы вентиляции
Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов
– самая маленькая пылинка, оказавшаяся на кремние-
вой пластине, способна уничтожить тысячи транзисто-
ров. Поэтому важнейшим условием производства мик-
ропроцессоров является стерильная чистота помеще-
ний. Уровень системы вентиляции расположен на вер-
хнем этаже — здесь находятся специальные системы,
которые осуществляют 100% очистку воздуха , контро-
лируют температуру и влажность в производственных
помещениях. Так называемые «Чистые комнаты» де-
лятся на классы (в зависимости от количества пылинок
на единицу объема) и самая-самая (класс 1) примерно
в 1000 раз чище хирургической операционной. Для
устранения вибраций чистые комнаты располагаются
на собственном виброзащитном фундаменте.
Уровень «чистых комнат»
Этаж занимает площадь нескольких футбольных полей
– именно здесь изготавливают микропроцессоры. Спе-
циальная автоматизированная система осуществляет
перемещение  пластин  от  одной  производственной
станции к другой. Очищенный воздух  подается через
систему вентиляции, расположенную в потолке, и уда-
ляется через специальные отверстия, расположенные
в полу.
Помимо повышенных требований к стерильности поме-
щений, «чистым» должен быть и работающий там пер-
сонал — только на этом уровне специалисты работают
в стерильных костюмах, которые защищают (благодаря
встроенной системе фильтрации, работающей от ба-
тареи) кремниевые пластины от микрочастиц текстиль-
ной пыли, волос и частиц кожи.
Нижний уровень
Предназначен для систем поддерживающих работу фа-
брики (насосы, трансформаторы, силовые шкафы и т.п.)
Большие  трубы (каналы) передают различные техни-
ческие газы, жидкости и отработанный воздух. Спец-
одежда сотрудников данного уровня включает каску, за-
щитные очки, перчатки и специальную обувь.
Инженерный уровень
По назначению является продолжением нижнего уровня.
Здесь находятся электрические щиты для энергоснаб-
жения производства, система трубопроводов и воздухо-
водов, а так же кондиционеры и компрессоры.

Для постройки фабрики такого уровня требуется около 3 лет и порядка  5 миллиардов – именно эту сумму должен будет «отбить» завод в последующие 4 года (к тому времени как появятся новые технологический процесс и архитектура, необходимая для этого производительность – порядка 100 рабочих кремниевых пластин в час). Для постройки завода потребуется:
— более 19 000 тонн стали
— более 112 000 кубических метров бетона
— более 900 километров кабеля
КАК производят микропроцессоры

Технически современный микропроцессор выполнен в виде одной сверхбольшой интегральной схемы, состоящей из нескольких миллиардов элементов — это одна из самых сложных конструкций, созданных человеком. Ключевыми элементами любого микропроцессора являются дискретные переключатели – транзисторы. Блокируя и пропуская электрический ток (включение-выключение), они дают возможность логическим схемам компьютера работать в двух состояниях, то есть в двоичной системе. Размеры транзисторов измеряются в нанометрах. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра.

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно.

Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO2) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:
SiO2 + 2C = Si + 2CO

Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl4), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая буля весит порядка 100 кг.

Слиток шкурят «нулёвкой» :) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate).

Теперь самое интересное -- в отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать?

Проблема решается с помощью технологии фотолитографии — процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:
— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.
Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

4

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.
5

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация…

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов».

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

6

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

7

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия…

promo torin_kr december 5, 2015 19:43 25
Buy for 200 tokens
Этот пост -- заказной. Меня его попросила написать одна моя хорошая знакомая, с которой мы знакомы такое количество лет. что аж страшно становится. Как говорит в таких случаях мой младший брат -- "Да ну нафиг. Столько и не живут". Живут... к сожалению. Ладно, это было лирическое…

Comments

( 9 comments — Leave a comment )
web_andyay
Nov. 30th, 2014 11:28 am (UTC)
Где фото цехов?
torin_kr
Nov. 30th, 2014 12:41 pm (UTC)
Меня туда не пустили...
web_andyay
Nov. 30th, 2014 02:37 pm (UTC)
Жаль
torin_kr
Nov. 30th, 2014 03:15 pm (UTC)
:(((
val_oper
Nov. 30th, 2014 02:24 pm (UTC)
А вот, кстати за импортозамещение: http://www.rusf.ru/loginov/books/story17.htm

Первая история, как раз о процессорном производстве в славном городе Ленинград:

Всё остальное мне известно со слов третьих лиц, поэтому я всего лишь вкратце сообщу, что таилось в подпольной гальванике и чем закончилась вся эта история.

Полупроводниковое производство не зря предъявляет жёсткие требования к чистоте. Сядет пылинка на кремниевый диск, подготовленный к фотолитографии, и будет испорчена не только та схема, на которую попала зловредная грязь, но и десяток соседних схем будут иметь искажённые характеристики. Так что даже у проклятых буржуинов 95% готовых БИС'ов уходит в брак. И вот в чью-то светлую голову пришла мысль: если почти вся продукция идёт под пресс, то нельзя ли на этом погреть руки? Среди десятков технологических операций есть и процесс золочения. Выделить следовые количество золота из бракованных БИС'ов не смогли даже экономные японцы, но отечественные умельцы решили эту проблему гораздо проще. Раз золото не выделить из схемы, то его просто не нужно пихать туда. И вот, в доброй половине заготовок операцию золочения стали пропускать, а "готовое" изделие отправлять под пресс, минуя ОТК. Зато те схемы, на долю которых золочение досталось, считались исправными, если показывали результат хотя бы отдалённо напоминающий рабочий.

Вот вам и ответ, почему отечественная "Искра" была хуже зарубежного аналога.

torin_kr
Nov. 30th, 2014 03:16 pm (UTC)
"Что там в России? - Воруют..."
nietzsche_brot
Nov. 30th, 2014 05:44 pm (UTC)
Да, почитал. Впечатляет.
torin_kr
Nov. 30th, 2014 07:44 pm (UTC)
меня тоже впечатлило
(Deleted comment)
torin_kr
Nov. 30th, 2014 04:58 pm (UTC)
Вот-вот...
( 9 comments — Leave a comment )