Este es el tercer artículo de una serie sobre diseño de CPU. En el primer artículo, examinamos la arquitectura de una computadora y explicamos su funcionamiento a un alto nivel. El segundo artículo habló sobre el diseño y la implementación de algunos componentes del chip. En la tercera parte, aprenderemos cómo los diseños arquitectónicos y los circuitos eléctricos se convierten en chips físicos.
¿Cómo convertir un montón de arena en un procesador moderno? Vamos a resolverlo.
Parte 1: Conceptos básicos de arquitectura informática (arquitecturas de conjuntos de instrucciones, almacenamiento en caché, canalizaciones, hyperthreading)
Parte 2: proceso de diseño de la CPU (circuitos eléctricos, transistores, elementos lógicos, sincronización)
Parte 3: Diseño y fabricación física del chip (VLSI y fabricación de silicio)
Parte 4: Tendencias actuales e importantes direcciones futuras en la arquitectura de computadoras (mar de aceleradores, integración tridimensional, FPGA, Near Memory Computing)
Como se mencionó anteriormente, los procesadores y todas las demás lógicas digitales están compuestas por transistores. Un transistor es un interruptor controlado eléctricamente que se puede encender y apagar aplicando o desconectando un voltaje de puerta. Dijimos que hay dos tipos de transistores: los dispositivos nMOS pasan corriente cuando el obturador está encendido y los dispositivos pMOS pasan corriente cuando el obturador está apagado. La estructura básica del procesador son los transistores hechos de silicio. El silicio es un
semiconductor , porque ocupa una posición intermedia: no conduce la corriente por completo, pero no es un aislante.
Para convertir una oblea de silicio en un circuito eléctrico práctico agregando transistores, los ingenieros de producción utilizan un proceso llamado
dopaje . El dopaje es el proceso de agregar impurezas cuidadosamente seleccionadas al sustrato de silicio base para cambiar su conductividad. El objetivo es cambiar el comportamiento de los electrones para que podamos controlarlos. Hay dos tipos de transistores y, por lo tanto, dos tipos principales de dopaje.
El proceso de fabricación de una placa antes de colocar las astillas en el estuche.Si agregamos un número controlado con precisión de elementos donantes de electrones, como arsénico, antimonio o fósforo, podemos crear una región de tipo n. Dado que la región de la placa en la que se depositan estos elementos ahora tiene un exceso de electrones, se carga negativamente. De aquí vino el nombre del tipo (n - negativo) y la letra "n" en nMOS. Al agregar elementos aceptores de electrones como boro, indio o galio al silicio, podemos crear una región de tipo p con carga positiva. De aquí vino la letra "p" en el tipo p y pMOS (p - positivo). Los procesos específicos para agregar estas impurezas al silicio se llaman
implantación iónica y
difusión ; No los consideraremos en el artículo.
Ahora que podemos controlar la conductividad eléctrica de las partes individuales de la oblea de silicio, podemos combinar las propiedades de varias áreas para crear transistores. Los transistores utilizados en circuitos integrados y llamados MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal, estructuras de MOS, estructuras de conductores de óxido de metal) tienen cuatro conexiones. La corriente que controlamos fluye entre la fuente y el drenaje. En un dispositivo de canal n, la corriente generalmente ingresa al drenaje y sale de la fuente, mientras que en un dispositivo de canal p generalmente fluye desde la fuente y sale del drenaje. Una puerta es un interruptor que se usa para encender y apagar un transistor. Finalmente, el dispositivo tiene un cuerpo de transistor (Cuerpo), que no se aplica al procesador, por lo que no lo consideraremos.
La estructura física del inversor en silicio. Las áreas de diferentes colores tienen diferentes propiedades de conductividad. Observe cómo los diferentes componentes de silicio corresponden al diagrama de la derecha.Los detalles técnicos del funcionamiento de los transistores y la interacción de áreas individuales son los contenidos de todo el curso universitario, por lo que solo tocaremos los conceptos básicos. Una buena analogía con su trabajo es un puente levadizo sobre un río. Los automóviles, los electrones en el transistor, quieren fluir de un lado del río al otro, esta es la fuente y el drenaje del transistor. Tome el dispositivo nMOS como ejemplo: cuando el obturador no está cargado, el puente levadizo se eleva y los electrones no pueden fluir a través del canal. Cuando bajamos el puente, formamos un camino sobre el río y los automóviles pueden moverse libremente. Lo mismo sucede en el transistor. La carga de la puerta forma un canal entre la fuente y el drenaje, permitiendo que la corriente fluya.
Para un control preciso sobre la ubicación de diferentes regiones p y n en silicio, los fabricantes como Intel y TSMC utilizan un proceso llamado
fotolitografía . Este es un proceso de varias etapas extremadamente complejo y las empresas gastan miles de millones de dólares para mejorarlo y crear transistores más pequeños, más rápidos y más eficientes en energía. Imagine una impresora ultra precisa que puede usar para dibujar patrones de silicio para cada área.
El proceso de fabricación de transistores en un chip comienza con una oblea de silicio limpia (sustrato). Se calienta en un horno para crear una capa delgada de dióxido de silicio en la superficie de la placa. Luego, se aplica un polímero fotosensible fotosensible al dióxido de silicio. Al iluminar el polímero con luz de ciertas frecuencias, podemos exponer el polímero en aquellas áreas donde queremos realizar la aleación. Este es el paso de la litografía, y es similar a cómo las impresoras aplican tinta a áreas específicas de la página, solo en una escala más pequeña.
La placa se graba con ácido fluorhídrico para disolver la sílice en los lugares donde se retiró el polímero. Luego se elimina la fotorresistencia, dejando solo la capa de óxido debajo de ella. Ahora, los iones de dopaje se pueden aplicar a la placa, que se implantan solo en lugares donde no hay óxido.
Este proceso de enmascaramiento, formación y dopaje se repite docenas de veces para construir lentamente cada nivel de elementos en un semiconductor. Después de completar el nivel base de silicio, puede crear compuestos metálicos en la parte superior que conectan diferentes transistores. Un poco más adelante hablaremos más sobre estos compuestos y capas de metalización.
Por supuesto, los fabricantes de chips no llevan a cabo el proceso de creación de transistores bajo uno. Al diseñar un nuevo chip, generan máscaras para cada etapa del proceso de fabricación. Estas máscaras contienen las ubicaciones de cada elemento de los mil millones de transistores del chip. Varios chips se agrupan y se hacen juntos en el mismo chip.
Después de fabricar la placa, se corta en cristales individuales, que se colocan
en el caso Cada plato puede contener cientos o incluso más chips. Por lo general, cuanto más potente sea el chip, más grande será el cristal y menos chips podrá obtener el fabricante de cada placa.
Puede pensar que solo necesitamos producir enormes chips súper potentes con cientos de núcleos, pero esto es imposible. Actualmente, el factor más grave que dificulta la creación de chips cada vez más grandes son los defectos en el proceso de fabricación. Los chips modernos contienen miles de millones de transistores y si al menos una parte de un transistor está roto, se puede lanzar todo el chip. A medida que aumenta el tamaño de los procesadores, aumenta la probabilidad de un mal funcionamiento del chip.
Las empresas ocultan cuidadosamente la productividad de los procesos de fabricación de sus chips, pero se puede estimar aproximadamente en un 70-90%. Las empresas suelen hacer chips con un margen porque saben que algunas partes no funcionarán. Por ejemplo, Intel puede diseñar un chip de 8 núcleos, pero venderlo solo como un núcleo de 6 núcleos, porque espera que uno o dos núcleos se rompan. Los chips con defectos inusualmente bajos generalmente se reservan para la venta a un precio más alto. Este proceso se llama
binning .
Uno de los parámetros de comercialización más serios asociados con la fabricación de chips es el tamaño de los elementos. Por ejemplo, Intel está dominando un proceso de 10 nanómetros, AMD está utilizando un proceso de 7 nanómetros para algunas GPU y TSMC ha comenzado a trabajar en un proceso de 5 nanómetros. Pero, ¿qué significan todos estos números? Tradicionalmente, el tamaño de un elemento se denomina distancia mínima entre el drenaje y la fuente del transistor. En el proceso de desarrollo tecnológico, aprendimos a reducir los transistores para que cada vez más quepan en un solo chip. A medida que disminuyen los transistores, también se vuelven cada vez más rápidos.
Al observar estos números, es importante recordar que algunas empresas pueden no basar el tamaño del proceso de fabricación en una distancia estándar, sino en otros valores. Esto significa que los procesos con diferentes tamaños en diferentes compañías pueden conducir a la creación de transistores del mismo tamaño. Por otro lado, no todos los transistores en un proceso de fabricación separado tienen el mismo tamaño. Los diseñadores pueden decidir, en aras del compromiso, hacer que algunos transistores sean más grandes que otros. Un pequeño transistor será más rápido, ya que toma menos tiempo cargar y descargar su obturador. Sin embargo, los transistores pequeños solo pueden controlar un número muy pequeño de salidas. Si una lógica maneja algo que requiere mucha potencia, por ejemplo, un pin de salida, entonces tendrá que hacerse mucho más. Tales transistores de salida pueden ser órdenes de magnitud más grandes que los transistores lógicos internos.
Sin embargo, el diseño y la fabricación de transistores es solo la mitad del chip. Necesitamos conductores para conectar todo de acuerdo con el esquema. Estos compuestos se crean utilizando capas de recubrimiento en la parte superior de los transistores. Imagine un cruce de carreteras de varios niveles con entradas, salidas y un montón de caminos que se cruzan. Esto es exactamente lo que sucede dentro del chip, solo en una escala mucho más pequeña. Los diferentes procesadores tienen diferentes cantidades de capas de unión metálicas sobre los transistores. Los transistores se reducen, y se requieren más y más capas de metalización para enrutar todas las señales. Se informa que en el futuro la tecnología de proceso TMSC de 5 nanómetros utilizará 15 capas. Imagine un cruce de carreteras vertical de 15 niveles: esto le dará una idea de lo complicado que es el enrutamiento dentro del chip.
La imagen del microscopio a continuación muestra una cuadrícula formada por siete capas de metalización. Cada capa es plana y cuando sube, las capas se hacen más grandes para ayudar a reducir la resistencia. Entre las capas hay pequeños cilindros de metal llamados puentes, que se utilizan para pasar a un nivel superior. Típicamente, cada capa cambia de dirección con respecto a la capa debajo de ella para reducir la capacitancia no deseada. Se pueden usar capas de metalización extrañas para crear juntas horizontales, e incluso unas para juntas verticales.
Puede comprender que administrar todas estas señales y capas de metalización muy rápidamente se vuelve increíblemente complejo. Para ayudar a resolver este problema, se utilizan programas informáticos que posicionan y conectan automáticamente los transistores. Dependiendo de la complejidad del diseño, los programas pueden incluso traducir las funciones de un código C de alto nivel a las ubicaciones físicas de cada conductor y transistor. Por lo general, los diseñadores de chips permiten que las computadoras generen la mayor parte de un diseño automáticamente y luego estudien y optimicen las partes críticas individuales de forma manual.
Cuando las empresas desean crear un nuevo chip, comienzan el proceso de diseño con las celdas estándar proporcionadas por el fabricante del chip. Por ejemplo, Intel o TSMC proporciona a los diseñadores partes tan básicas como elementos lógicos o celdas de memoria. Los diseñadores pueden combinar estas celdas estándar en cualquier chip que quieran producir. Luego se envían a la fábrica, un lugar donde el silicio crudo se convierte en chips de trabajo, circuitos eléctricos de los transistores de chip y capas de metalización. Estos circuitos se convierten en máscaras, que se utilizan en el proceso de fabricación descrito anteriormente. A continuación, veremos cómo podría ser el proceso de diseño de un chip extremadamente simple.
Primero vemos el circuito inversor, que es una celda estándar. El rectángulo verde sombreado en la parte superior es el transistor pMOS, y el rectángulo verde transparente en la parte inferior es el transistor nMOS. El conductor rojo vertical es una puerta de polisilicio, las áreas azules son metalización 1 y las áreas púrpuras son metalización 2. La entrada A entra a la izquierda y la salida Y sale a la derecha. Las conexiones de alimentación y tierra se realizan en la parte superior e inferior en la metalización 2.
Combinando varios elementos lógicos, obtuvimos un módulo aritmético simple de 1 bit. Este diseño puede sumar, restar y realizar operaciones lógicas con dos entradas de 1 bit. Los conductores azules sombreados que suben son las capas de metalización 3. Los cuadrados ligeramente más grandes en los extremos de los conductores son puentes que conectan las dos capas.
Finalmente, combinando muchas celdas y aproximadamente 2,000 transistores, obtuvimos un procesador simple de 4 bits con 8 bytes de RAM en cuatro capas de metalización. Al ver lo complicado que es, solo puede imaginar lo difícil que es diseñar un procesador de 64 bits con megabytes de caché, varios núcleos y más de 20 etapas de canalización. Dado que las CPU modernas de alto rendimiento tienen hasta 5-10 mil millones de transistores y una docena de capas de metalización, no sería una exageración decir que son literalmente millones de veces más complejas que nuestro ejemplo.
Esto nos hace comprender por qué el nuevo procesador es una pieza de tecnología tan costosa y por qué AMD e Intel han lanzado nuevos productos durante tanto tiempo. Para que un nuevo chip pase de una mesa de dibujo al mercado, generalmente demora de 3 a 5 años. Esto significa que los chips modernos más rápidos se basan en tecnologías que ya tienen varios años y que durante muchos años no veremos chips con un nivel moderno de tecnología de fabricación.
En el cuarto y último artículo de la serie, volveremos a la esfera física y consideraremos las tendencias actuales en la industria. ¿Qué están desarrollando los investigadores para hacer que la próxima generación de computadoras sea aún más rápida?