Znajomość Rzeczy #01 – Odrobina piasku w twoim sprzęcie

Witajcie w nowym cyklu, w którym dowiecie się o wielu technologicznych rzeczach i sprawach. Teksty pisze dla nas Dejw, który sam o sobie mówi: Trzydziestokilkulatek z Gdyni. Geek, który poza giereczkami uwielbia wszystko, co związane z technologią. Nagrywa czasem podcasty. Polecam – Prez.

W dzisiejszym świecie jesteśmy otoczeni elektroniką z każdej strony. W naszych domach znajdują się niezliczone ilości układów scalonych. Telewizory, dekodery, systemy audio, nie wspominając o komputerach, laptopach, telefonach, czy konsolach! Proste układy możemy znaleźć w pralkach, pilotach zdalnego sterowania, a nawet zabawkach naszych dzieci.

Wszystko zaczęło się 1947 roku, kiedy to w Laboratoriach Bell Telephone powstał pierwszy tranzystor. Było to remedium na wszystkie wady lamp próżniowych i zastąpił je szybko w większości zastosowań. Tranzystory były łączone pojedynczo, równolegle bądź szeregowo, ale nie stanowiły żadnego układu. Dopiero w lipcu 1958 roku, młody pracownik Texas Instruments, Jack Kilby, zaprojektował zintegrowany układ, który stał się pierwowzorem dzisiejszych układów scalonych.

Od tego momentu zaczął się rozwój elektroniki. Na początku wytwarzano proste układy półprzewodnikowe. Firmy takie jak Texas Instruments, Fairchild Semiconductor czy IBM wytwarzały takie układy, prowadząc również badania nad rozwojem tej techniki. Układy stawały się coraz mniejsze i coraz bardziej skomplikowane. Nie można jednak nazwać ich jeszcze procesorami. Są to proste układy zawierające dwa punkty wejścia i jeden punkt wyjścia. Składają się z kilku bramek, a każda z nich może przyjmować jeden z dwóch stanów: 0 lub 1.

W roku 1966 została opracowana pamięć półprzewodnikowa, która pozwalała trwale zapisywać i przechowywać w sobie informacje. Dwa lata później, Gordon Moore oraz Robert Noyce założyli firmę Intel. Ich celem była produkcja pamięci półprzewodnikowych. Pierwsze układy scalone były wytwarzane z Germanu, jednak German jest pierwiastkiem bardzo rzadko występującym w naturze. Przeglądając układ okresowy pierwiastków, można zauważyć, że nad Germanem znajduje się Krzem, a krzem jest jednym z najpospolitszych pierwiastków na naszej planecie. Jednak nie występuje on w czystej postaci. Najczęściej występuje pod postacią krzemionki (SiO2).

Źródło: Public domain via Wikimedia Commons

Do produkcji układów scalonych, potrzebny jest czysty krzem. Dzisiaj najczęściej stosuje się metodę Siemensa do oczyszczania krzemu. Jest prosta, ale też kosztowna energetycznie. Krzemionka musi zostać rozgrzana w piecu indukcyjnym do temperatury 1300 stopni. Tak oczyszczony krzem zostaje poddany obróbce metodą Czochralskiego, polskiego chemika, który jest wynalazcą metody otrzymywania monokryształów krzemu. Czysty krzem poddaje się obróbce, polegającej na podgrzaniu do odpowiedniej temperatury i wirowaniu go w odpowiednim tempie. Atomy krzemu układają się w krystaliczną formę i łączą się, tworząc wzór diamentu. Nie będę wdawać się w szczegóły chemiczne, ale takie połączenie atomów, pozwala na uzyskanie pierwiastka szlachetnego, poprzez dzielenie elektronów między sąsiadującymi atomami. Rezultatem takiej obróbki jest walec monokryształu krzemu o średnicy 200 lub 300 mm i wadze potrafiącej przekroczyć 100 kg a jego czystość szacuje się na 99,9999%.

Taki walec jest potem cięty piłą diamentową (producenci wafli krzemowych eksperymentują już z cięciem laserowym i wodnym, aby ograniczyć straty w materiale) na wafle o grubości 0,775 mm (775 μm).

No dobrze, mamy więc wafel krzemowy, czyli dysk o średnicy 300 mm. Ale co dalej Najpierw taki układ trzeba zaprojektować. Pierwszy procesor, czyli układ stworzony przez Intela o oznaczeniu 4004, składał się 2300 tranzystorów, pracował z częstotliwością 740 kHz (kiloherców) i był wytworzony w procesie 10 μm. Inżynierzy pracujący nad takim procesorem, dosłownie, rysują tranzystory, połączenia między nim, grupują je w bloki odpowiedzialne za pamięć, obliczenia i obsługę urządzeń wejścia/wyjścia. Dawniej rysowano takie układy na papierze. Dzisiaj, kiedy procesory składają się z ponad 2 mld tranzystorów, rozrysowanie tego na kartce jest po prostu niemożliwe. Takie układy tworzy się w specjalnych programach do projektowania, ich działanie testowane jest na superkomputerach, a potem tworzone są próbki inżynieryjne.

Mając wafel krzemowy oraz projekt układu, który chcemy wytworzyć, tworzona jest tak zwana maska, obraz układu, przez który zostaje przepuszczone światło lasera. Światło to trafia na wafel krzemowy, uprzednio pokryty emulsją światłoczułą. Taki proces nazywa się fotolitografią. Mamy też określenie klasy procesu, czyli te sławetne nanometry. O ile podczas produkcji procesora 4004, określenie 10 μm odpowiadało wymiarowi tranzystora, o tyle w obecnych procesach, oznaczenie klasy procesu, nie ma już nic wspólnego z faktycznymi wymiarami tranzystorów, czy jakichkolwiek elementów nanoszonych na wafel krzemowy. Jest to umowne oznaczenie, mówiące, że jeden proces jest lepszy niż inny.

Źródło: By ArticCynda [CC0], from Wikimedia Commons

Światło lasera ma długość 193 nm, za pomocą soczewek, możemy zmniejszyć je do długości 103 nm. Używając zwierciadeł, można jeszcze bardziej skrócić długość fali. Ale to powoduje, że naświetlanie jest niedokładne. Dlatego stosuje się kilkukrotne naświetlanie.

Po każdym etapie naświetlania, krzem wywołuje się roztworem trawiącym warstwy (na przykład fluorowodorem), potem pokrywa się go materiałem światłoczułym i ponownie naświetla. Takich cykli może być kilkanaście. Po tym procesie tranzystory mają już swój kształt, ale jeszcze nie są funkcjonalne. Krzem ma wysoki opór elektryczny, ale dzięki domieszkowaniu chemicznemu, można zmniejszyć oporność krzemu (a co za tym idzie, zwiększyć jego przewodnictwo). Do tego celu używa się fosforu lub galu (można też użyć arsenu albo galu), tworzy się wtedy przewodnictwo elektronowe, bądź dziurowe.

Mamy więc gotowy do pracy tranzystor. Z ostatecznej warstwy izolacyjnej wystawione są punkty połączeń każdego tranzystora, teraz należy wykonać te połączenia. Takie połączenia nazywa się interkonetorami. Cały proces wygląda bliźniaczo podobnie do naświetlania krzemu. Każda mikroarchitektura tworzonego układu, określa też siatkę połączeń, mamy więc i do tego wzór, jak to zrobić. Na wafel krzemowy nakłada się warstwę folii aluminiowej bądź miedzianej, pokrywa się to materiałem światłoczułym, naświetla przez maskę i wytrawia, pozostawiając pierwszą warstwę połączeń. Następnie pokrywa się to warstwą substancji izolującej (najczęściej dwutlenkiem krzemu) i ponawia proces, tworząc kolejną warstwę. Takich warstw ścieżek połączeń, może być nawet 30.

Praca litograficzna została skończona. Układy są gotowe do pracy, należy je teraz wyciąć z wafla krzemowego. Nim to się jednak stanie, specjalna maszyna sprawdza poprawność działania takich układów. Przez każdy układ zostaje przepuszczony odpowiedni ciąg impulsów, określony ciąg musi dać określoną wartość na wyjściu, wszystko to jest zapisane w mikroarchitekturze układu. Dochodzimy teraz do pojęcia “Uzysk”. Każdy wafel krzemowy może dać stałą liczbę układów. Im mniejszy proces, tym większa ilość układów. Zarazem, im nowszy i mniej dopracowany i opanowany proces, tym większe prawdopodobieństwo powstania uszkodzonych układów. Uzysk jest stosunkiem sprawnych układów, do w pełni niesprawnych. Jeżeli nie przekracza odpowiedniej liczby, określonej umowami, taki wafel nie jest nawet cięty.

Wycięte układy są ponownie weryfikowane. Tym razem dokładniej. Jeżeli chodzi o układy tworzone z myślą o procesorach, kartach graficznych, czy pamięciach, są one testowane przy użyciu różnych napięć i taktowań. Sprawdzane są parametry pracy i określany jest model procesora czy pamięci. Taki Core i7 oraz Core i3 mogły powstać na tym samym waflu krzemowym. Core i7 jest w pełni sprawnym układem bez żadnego defektu, Core i3 jest układem, w którym jakiś rdzeń nie działał i został po prostu wyłączony. Analogiczna sytuacja jest z procesorami AMD, czy kartami graficznymi (chociaż tu już w mniejszym stopniu). Niesprawne elementy układu są wyłączane, a układ sprzedawany jest jako niższy w hierarchii. Zapewne starsi czytelnicy pamiętają czasy, kiedy można było w prosty sposób (programowo, bądź prostą metodą sprzętową) odblokować pełny potencjał procesora. Trafiały się takie sztuki, gdzie cały procesor był sprawny, ale musiał zostać zablokowany programowo, aby zapewnić odpowiednie dostawy tańszych układów.

Tak oto powstają procesory. Te wysokowydajne, jak właśnie procesory w naszych komputerach czy konsolach, powstają w najnowocześniejszych typach litografii. Liderami na rynku są cztery firmy tym się zajmujące. Intel, który sam tworzy projekty i je produkuje. Samsung, który podobnie jak intel, projektuje i produkuje, ale też udostępnia część swoich mocy produkcyjnych innym firmom, jak na przykład Apple, dla którego tworzy procesory do iPhonów i iPadów. Oraz dwie firmy, które zajmują się tylko fabrykacją: GlobalFoundrys, oraz TSMC. Te cztery firmy, odpowiadają za 90% produkcji układów scalonych na świecie. Tworzą wysoko wydajne układy w najnowocześniejszych procesach litograficznych, jak i również układy, które nie muszą być wykonane w najnowszym procesie. Takimi układami mogą być sterowniki w pralkach, układy komunikacyjne w pilotach. Nawet żarówki LED potrzebują prostego układu sterującego. Stare procesy produkcyjne są tak opanowane, że uzysk przekracza 95%, a ich produkcja jest stosunkowo tania. Jeśli się rozejrzycie dookoła siebie, zauważycie kilkadziesiąt przedmiotów i urządzeń, w których jest jakiś układ krzemowy. A wszystko to powstaje z piasku.

Autor: Dawid “Dejw” Rynkowski

  • Szymon Szypulski

    Czekam na ciąg dalszy 😉

    • Dawid “Dejw” R.

      Cos na pewno sie pojawi 😉

  • Sniku

    Fajne, lekkie i krótkie. Jednak przydałby się jakiś edytor, który bo co nieco popoprawiał.

    • Prez

      Ja co nieco już popoprawiałem.

      • Sniku

        To elegancko 😉