كيف يتم تصميم وتصنيع المعالجات: تصنيع الرقاقات

هذه هي المقالة الثالثة في سلسلة حول تصميم وحدة المعالجة المركزية. في المقالة الأولى ، درسنا بنية الكمبيوتر وشرحنا تشغيله على مستوى عالٍ. تحدث المقال الثاني عن تصميم وتنفيذ بعض مكونات الرقاقة. في الجزء الثالث ، سوف نتعلم كيف تصبح التصميمات المعمارية والدوائر الكهربائية رقائقًا مادية.

كيف يمكن تحويل كومة من الرمل إلى معالج حديث؟ دعونا معرفة ذلك.

الجزء 1: أساسيات هندسة الكمبيوتر (هندسة مجموعة التعليمات ، التخزين المؤقت ، خطوط الأنابيب ، التشعب)
الجزء 2: عملية تصميم وحدة المعالجة المركزية (الدوائر الكهربائية ، الترانزستورات ، عناصر المنطق ، التزامن)
الجزء 3: تخطيط والتصنيع المادي للرقاقة (VLSI وتصنيع السيليكون)
الجزء 4: الاتجاهات الحالية والاتجاهات المستقبلية الهامة في هندسة الكمبيوتر (بحر من المعجلات ، والتكامل ثلاثي الأبعاد ، FPGA ، بالقرب من حوسبة الذاكرة)

كما ذكرنا سابقًا ، تتألف المعالجات وكل المنطق الرقمي الآخر من الترانزستورات. الترانزستور هو مفتاح متحكم كهربائياً يمكن تشغيله وإيقاف تشغيله عن طريق تطبيق أو فصل جهد البوابة. قلنا أن هناك نوعان من الترانزستورات: تمر أجهزة nMOS الحالية عند تشغيل المصراع ، وأجهزة تمرير pMOS الحالية عند إيقاف تشغيل المصراع. الهيكل الأساسي للمعالج هو الترانزستورات المصنوعة من السيليكون. السيليكون هو أشباه الموصلات ، لأنه يشغل وضعا وسيطا - لا يدير التيار تماما ، لكنه ليس عازل.

لتحويل رقاقة السيليكون إلى دارة كهربائية عملية عن طريق إضافة الترانزستورات ، يستخدم مهندسو الإنتاج عملية تسمى المنشطات . المنشطات هي عملية إضافة الشوائب المختارة بعناية إلى ركيزة السيليكون الأساسية لتغيير الموصلية. الهدف هو تغيير سلوك الإلكترونات حتى نتمكن من التحكم فيها. هناك نوعان من الترانزستورات ، وبالتالي ، هناك نوعان رئيسيان من المنشطات.


عملية تصنيع طبق قبل وضع الرقائق في العلبة.

إذا أضفنا عددًا يتم التحكم فيه بدقة من العناصر المانحة للإلكترون ، مثل الزرنيخ أو الأنتيمون أو الفسفور ، فيمكننا إنشاء منطقة من النوع n. نظرًا لوجود فائض من الإلكترونات في منطقة اللوحة التي ترسب عليها هذه العناصر ، فإنها تصبح سالبة الشحنة. من هنا جاء اسم النوع (n - سالب) والحرف "n" في nMOS. بإضافة عناصر متقبلة للإلكترون مثل البورون أو الإنديوم أو الغاليوم إلى السيليكون ، يمكننا إنشاء منطقة من النوع p يتم شحنها بشكل إيجابي. من هنا جاء الحرف "p" في نوع p و pMOS (p - موجب). وتسمى العمليات المحددة لإضافة هذه الشوائب إلى السيليكون زرع الأيونات ونشرها ؛ لن نراهم في المقال.

والآن بعد أن أصبح بمقدورنا التحكم في التوصيل الكهربائي للأجزاء الفردية من رقاقة السيليكون ، يمكننا دمج خصائص عدة مناطق لإنشاء الترانزستورات. تحتوي الترانزستورات المستخدمة في الدوائر المتكاملة وتسمى MOSFETs (ترانزستورات التأثير الميداني لأشباه الموصلات بأكسيد المعادن ، وهياكل MOS ، وهياكل موصل أكسيد المعادن) على أربعة اتصالات. التيار الذي نتحكم فيه يتدفق بين المصدر والصرف. في جهاز n-channel ، عادةً ما يدخل التيار إلى التصريف ويترك المصدر ، بينما في جهاز p-channel يتدفق عادةً من المصدر ويترك التصريف. البوابة هي مفتاح يستخدم لتشغيل الترانزستور وإيقافه. أخيرًا ، يحتوي الجهاز على جسم الترانزستور (Body) ، والذي لا ينطبق على المعالج ، لذلك لن نفكر فيه.


الهيكل المادي للعاكس في السيليكون. مناطق بألوان مختلفة لها خصائص الموصلية المختلفة. لاحظ كيف تتوافق مكونات السيليكون المختلفة مع المخطط على اليمين.

التفاصيل الفنية لتشغيل الترانزستورات وتفاعل المناطق الفردية هي محتويات دورة الكلية بأكملها ، لذلك سوف نتطرق فقط إلى الأساسيات. تشبيه جيد لعملهم هو جسر على النهر. تريد السيارات - الإلكترونات في الترانزستور - أن تتدفق من جانب واحد من النهر إلى الجانب الآخر ، وهذا هو مصدر واستنزاف الترانزستور. خذ جهاز nMOS كمثال: عندما لا يتم شحن مصراع الكاميرا ، يتم رفع جسر الجسر ولا يمكن أن تتدفق الإلكترونات عبر القناة. عندما نخفض الجسر ، نشكل طريقًا على النهر ويمكن للسيارات أن تتحرك بحرية. يحدث الشيء نفسه في الترانزستور. يشكل شحن البوابة قناة بين المصدر والصرف ، مما يسمح بتدفق التيار.

للتحكم الدقيق في موقع مناطق p و n المختلفة على السيليكون ، يستخدم المصنّعون مثل Intel و TSMC عملية تسمى الطباعة الضوئية . هذه عملية متعددة المراحل معقدة للغاية وتنفق الشركات مليارات الدولارات على تحسينها لإنشاء ترانزستورات أصغر وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. تخيل طابعة فائقة الدقة التي يمكنك استخدامها لرسم أنماط السيليكون لكل منطقة.

تبدأ عملية تصنيع الترانزستورات على رقاقة مع رقاقة سيليكون نظيفة (الركيزة). يتم تسخينه في الفرن لإنشاء طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون على سطح اللوحة. ثم ، يتم تطبيق البوليمر حساس للضوء على ثاني أكسيد السيليكون. عن طريق إلقاء الضوء على البوليمر مع ضوء ترددات معينة ، يمكننا الكشف عن البوليمر في تلك المناطق التي نريد أن نؤدي عملية صناعة السبائك. هذه هي خطوة الطباعة الحجرية ، وهي تشبه الطريقة التي تطبق بها الطابعات الحبر على مناطق معينة من الصفحة ، على نطاق أصغر فقط.

يتم حفر اللوحة بحمض الهيدروفلوريك لإذابة السليكا في الأماكن التي تمت فيها إزالة البوليمر. ثم تتم إزالة مقاوم الضوء ، تاركًا طبقة الأكسيد فقط تحته. الآن ، يمكن تطبيق أيونات المنشطات على اللوحة ، والتي يتم غرسها فقط في الأماكن التي لا يوجد فيها أكسيد.


تتكرر عملية التقنيع والتشكيل والتخدير هذه عشرات المرات لبناء ببطء كل ​​مستوى من العناصر في أشباه الموصلات. بعد الانتهاء من مستوى السيليكون الأساسي ، يمكنك إنشاء مركبات معدنية في الأعلى تربط الترانزستورات المختلفة. بعد ذلك بقليل سنتحدث أكثر عن هذه المركبات وطبقات المعدن.

بطبيعة الحال ، لا تنفذ الشركات المصنعة للرقاقة عملية إنشاء الترانزستورات في إطار واحد. عند تصميم شريحة جديدة ، فإنها تنشئ أقنعة لكل مرحلة من مراحل عملية التصنيع. تحتوي هذه الأقنعة على مواقع كل عنصر من عناصر مليار الترانزستورات الخاصة بالشريحة. يتم تجميع العديد من الرقائق معًا وتصنع معًا على نفس الشريحة.

بعد تصنيع اللوحة ، يتم تقطيعها إلى بلورات فردية ، يتم وضعها
في القضية. قد تحتوي كل لوحة على مئات أو أكثر من الرقائق. عادة ، كلما كانت الرقاقة أقوى ، كانت البلورة أكبر ، وعدد رقائق أقل الذي يمكن أن تحصل عليه الشركة المصنعة من كل لوحة.


قد تعتقد أننا نحتاج فقط إلى إنتاج رقائق ضخمة فائقة القوة بمئات النوى ، لكن هذا مستحيل. حاليا ، فإن العامل الأكثر خطورة الذي يعوق إنشاء رقائق أكبر من أي وقت مضى هو العيوب في عملية التصنيع. تحتوي الرقائق الحديثة على مليارات الترانزستورات وإذا تم كسر جزء واحد على الأقل من الترانزستور ، فيمكن إلقاء الشريحة بأكملها. كلما زاد حجم المعالجات ، يزداد احتمال حدوث عطل في الشريحة.

تخفي الشركات بعناية إنتاجية عمليات تصنيع رقائقها ، ولكن يمكن تقديرها بنسبة تتراوح بين 70 و 90٪ تقريبًا. عادة ما تصنع الشركات رقائق ذات هامش لأنهم يعلمون أن بعض الأجزاء لن تعمل. على سبيل المثال ، قد تقوم Intel بتصميم شريحة ذات 8 نواة ، لكن لا تبيعها إلا كورزمة 6-نواة ، لأنها تتوقع كسر واحد أو اثنين من النوى. عادة ما يتم تعيين رقائق عيب منخفضة بشكل غير عادي للبيع بسعر أعلى. وتسمى هذه العملية binning .

واحدة من أخطر معلمات التسويق المرتبطة بتصنيع الرقائق هي حجم العناصر. على سبيل المثال ، تتقن Intel عملية من 10 نانومتر ، وتستخدم AMD عملية من 7 نانومتر لبعض وحدات معالجة الرسومات ، وبدأت TSMC العمل على عملية من 5 نانومتر. لكن ماذا تعني كل هذه الأرقام؟ تقليديًا ، يُسمى حجم عنصر الحد الأدنى للمسافة بين الصرف ومصدر الترانزستور. في عملية تطوير التكنولوجيا ، تعلمنا تقليل الترانزستورات بحيث يتناسب الكثير منها مع شريحة واحدة. كما تقل الترانزستورات ، فإنها تصبح أيضا أسرع وأسرع.

بالنظر إلى هذه الأرقام ، من المهم أن تتذكر أن بعض الشركات قد لا تبني حجم عملية التصنيع على مسافة قياسية ، ولكن على قيم أخرى. هذا يعني أن العمليات بأحجام مختلفة في شركات مختلفة يمكن أن تؤدي فعليًا إلى إنشاء ترانزستورات من نفس الحجم. من ناحية أخرى ، ليس كل الترانزستورات في عملية تصنيع منفصلة لها نفس الحجم. يمكن للمصممين أن يقرروا من أجل التوصل إلى حل وسط لجعل بعض الترانزستورات أكبر من غيرها. سيكون الترانزستور الصغير أسرع ، لأنه يستغرق وقتًا أقل لشحن مصراعه وتفريغه. ومع ذلك ، يمكن الترانزستورات الصغيرة فقط السيطرة على عدد صغير جدا من المخرجات. إذا كان هناك جزء من المنطق يدير شيئًا يتطلب الكثير من الطاقة ، على سبيل المثال ، دبوس الإخراج ، فسوف يتعين القيام به أكثر من ذلك بكثير. يمكن أن تكون ترانزستورات الخرج هذه أوامر بحجم أكبر من الترانزستورات المنطقية الداخلية.


لقطة بلورية لمعالج AMD Zen الحديث. يتكون هذا التصميم من عدة مليارات من الترانزستورات.

ومع ذلك ، فإن تصميم وتصنيع الترانزستورات هو نصف الشريحة فقط. نحن بحاجة إلى الموصلات لربط كل شيء وفقا للمخطط. يتم إنشاء هذه المركبات باستخدام طبقات الطلاء فوق الترانزستورات. تخيل تقاطع طريق متعدد المستويات مع مداخل ومخارج ومجموعة من الطرق المتقاطعة. هذا هو بالضبط ما يحدث داخل الشريحة ، فقط على نطاق أصغر بكثير. تحتوي المعالجات المختلفة على كميات مختلفة من طبقات الترابط المعدني فوق الترانزستورات. يتم تقليل الترانزستورات ، ويلزم المزيد والمزيد من طبقات المعدن لتوجيه جميع الإشارات. وأفيد أنه في المستقبل 5 نانومتر تكنولوجيا عملية TMSC سوف تستخدم 15 طبقة. تخيل وجود مفترق طرق عمودي من 15 مستوى - سيمنحك هذا فكرة عن مدى تعقيد التوجيه داخل الشريحة.

تُظهر صورة المجهر أدناه شبكة مكونة من سبع طبقات من المعدن. كل طبقة مسطحة وعندما ترتفع ، تصبح الطبقات أكبر للمساعدة في تقليل السحب. بين الطبقات هناك اسطوانات معدنية صغيرة تسمى وصلات القفز ، والتي تستخدم للانتقال إلى مستوى أعلى. عادةً ما تغير كل طبقة الاتجاه بالنسبة للطبقة تحتها لتقليل السعة غير المرغوب فيها. يمكن استخدام طبقات التعدين الفردية لإنشاء الوصلات الأفقية وحتى الوصلات الرأسية.


يمكنك أن تفهم أن إدارة كل هذه الإشارات وطبقات المعدن بسرعة كبيرة تصبح معقدة بشكل لا يصدق. للمساعدة في حل هذه المشكلة ، يتم استخدام برامج الكمبيوتر التي تقوم تلقائيًا بوضع الترانزستورات وتوصيلها. بناءً على تعقيد التصميم ، يمكن للبرامج حتى ترجمة وظائف الكود C عالي المستوى وصولاً إلى المواقع المادية لكل موصل وترانزستور. عادةً ما يسمح مصممو الشرائح لأجهزة الكمبيوتر بإنشاء الجزء الأكبر من التصميم تلقائيًا ، ثم دراسة الأجزاء الهامة الفردية يدويًا وتحسينها.

عندما ترغب الشركات في إنشاء شريحة جديدة ، تبدأ عملية التصميم بالخلايا القياسية التي توفرها الشركة المصنعة للرقاقة. على سبيل المثال ، توفر Intel أو TSMC للمصممين الأجزاء الأساسية مثل العناصر المنطقية أو خلايا الذاكرة. يمكن للمصممين الجمع بين هذه الخلايا القياسية في أي شريحة يريدون إنتاجها. بعد ذلك يتم إرسالهم إلى المصنع - وهو المكان الذي يتم فيه تحويل السيليكون الخام إلى رقائق عاملة - دوائر كهربائية لرقائق الترانزستورات وطبقات التعدين. تتحول هذه الدوائر إلى أقنعة تستخدم في عملية التصنيع الموضحة أعلاه. بعد ذلك ، سنرى كيف قد تبدو عملية تصميم شريحة بسيطة للغاية.


أولاً نرى دائرة العاكس ، وهي خلية قياسية. المستطيل الأخضر المظلل في الجزء العلوي هو الترانزستور pMOS ، والمستطيل الأخضر الشفاف في الجزء السفلي هو الترانزستور nMOS. الموصل الأحمر العمودي عبارة عن بوابة بولي سيليكون ، والمساحات الزرقاء هي المعدن 1 ، والمناطق الأرجواني هي المعدنة 2. يدخل الإدخال A على اليسار ويخرج المخرج Y على اليمين. يتم إجراء اتصالات الطاقة والأرض في أعلى وأسفل على المعدنة 2.


الجمع بين العديد من العناصر المنطقية ، حصلنا على وحدة حسابية بسيطة 1 بت. يمكن لهذا التصميم إضافة وطرح وتنفيذ عمليات منطقية مع اثنين من المدخلات 1 بت. الموصلات الزرقاء المظللة التي ترتفع للأعلى هي طبقات التعدين 3. المربعات الأكبر قليلاً في نهايات الموصلات عبارة عن وصلات ربط للطبقتين.


أخيرًا ، بدمج العديد من الخلايا وحوالي 2000 الترانزستورات معًا ، حصلنا على معالج 4 بت بسيط مع 8 بايت من ذاكرة الوصول العشوائي على أربع طبقات معدنية. عند إدراك مدى تعقيدها ، يمكنك فقط أن تتخيل مدى صعوبة تصميم معالج 64 بت مع ذاكرة تخزين مؤقت بحجم كبير ، والعديد من المراكز ، وأكثر من 20 مرحلة من مراحل خطوط الأنابيب. بالنظر إلى أن وحدات المعالجة المركزية الحديثة عالية الأداء بها ما يصل إلى 5 إلى 10 مليارات الترانزستورات وعشرات طبقات التعدين ، فلن يكون من المبالغة القول بأنها أكثر تعقيدًا بملايين المرات من مثالنا.

هذا يجعلنا نفهم سبب كون المعالج الجديد قطعة من التكنولوجيا باهظة الثمن ولماذا أطلقت AMD و Intel منتجات جديدة لفترة طويلة. لكي تنتقل شريحة جديدة من لوحة رسم إلى السوق ، عادة ما يستغرق الأمر من 3-5 سنوات. هذا يعني أن أسرع الرقائق الحديثة تعتمد على تقنيات عمرها بالفعل عدة سنوات ، ولن نرى لسنوات عديدة رقائقًا بمستوى حديث من تكنولوجيا التصنيع.

في المقالة الرابعة والأخيرة من السلسلة ، سنعود إلى المجال المادي وننظر في الاتجاهات الحالية في هذه الصناعة. ما الذي يطوّره الباحثون لجعل الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر أسرع؟