Dies ist der dritte Artikel in einer Reihe zum CPU-Design. Im ersten Artikel haben wir die Architektur eines Computers untersucht und seine Funktionsweise auf hoher Ebene erklärt. Der zweite Artikel befasste sich mit dem Design und der Implementierung einiger Komponenten des Chips. Im dritten Teil lernen wir, wie Architekturentwürfe und elektrische Schaltkreise zu physikalischen Chips werden.
Wie verwandelt man einen Sandhaufen in einen modernen Prozessor? Lass es uns herausfinden.
Teil 1: Grundlagen der Computerarchitektur (Befehlssatzarchitekturen, Caching, Pipelines, Hyperthreading)
Teil 2: CPU-Entwurfsprozess (elektrische Schaltungen, Transistoren, Logikelemente, Synchronisation)
Teil 3: Aufbau und physikalische Herstellung des Chips (VLSI- und Siliziumherstellung)
Teil 4: Aktuelle Trends und wichtige zukünftige Richtungen in der Computerarchitektur (Meer von Beschleunigern, dreidimensionale Integration, FPGA, Near Memory Computing)
Wie bereits erwähnt, bestehen Prozessoren und alle anderen digitalen Logikfunktionen aus Transistoren. Ein Transistor ist ein elektrisch gesteuerter Schalter, der durch Anlegen oder Trennen einer Gate-Spannung ein- und ausgeschaltet werden kann. Wir haben gesagt, dass es zwei Arten von Transistoren gibt: nMOS-Geräte leiten Strom, wenn der Verschluss eingeschaltet ist, und pMOS-Geräte leiten Strom, wenn der Verschluss ausgeschaltet ist. Die Grundstruktur des Prozessors sind Transistoren aus Silizium. Silizium ist ein
Halbleiter , weil es eine Zwischenposition einnimmt - es leitet den Strom nicht vollständig, aber es ist kein Isolator.
Um einen Siliziumwafer durch Hinzufügen von Transistoren in einen praktischen Stromkreis zu verwandeln, verwenden Produktionsingenieure ein Verfahren, das als
Dotierung bezeichnet wird . Beim Dotieren werden dem Basissiliciumsubstrat sorgfältig ausgewählte Verunreinigungen zugesetzt, um seine Leitfähigkeit zu ändern. Ziel ist es, das Verhalten von Elektronen so zu ändern, dass wir sie kontrollieren können. Es gibt zwei Arten von Transistoren und daher zwei Haupttypen der Dotierung.
Der Prozess der Herstellung einer Platte vor dem Einlegen der Chips in das Gehäuse.Wenn wir eine genau kontrollierte Anzahl von Elektronendonorelementen wie Arsen, Antimon oder Phosphor hinzufügen, können wir eine Region vom n-Typ erzeugen. Da der Bereich der Platte, auf dem diese Elemente abgeschieden sind, jetzt einen Elektronenüberschuss aufweist, wird er negativ geladen. Von hier kamen der Name des Typs (n - negativ) und der Buchstabe "n" in nMOS. Durch Hinzufügen von Elektronenakzeptorelementen wie Bor, Indium oder Gallium zu Silizium können wir eine Region vom p-Typ erzeugen, die positiv geladen ist. Von hier kam der Buchstabe "p" im p-Typ und pMOS (p - positiv). Die spezifischen Prozesse zum Hinzufügen dieser Verunreinigungen zu Silizium werden als
Ionenimplantation und
-diffusion bezeichnet . Wir werden sie im Artikel nicht berücksichtigen.
Nachdem wir nun die elektrische Leitfähigkeit der einzelnen Teile des Siliziumwafers steuern können, können wir die Eigenschaften mehrerer Bereiche kombinieren, um Transistoren zu erzeugen. Die in integrierten Schaltkreisen verwendeten und als MOSFETs bezeichneten Transistoren (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, MOS-Strukturen, Metalloxid-Leiterstrukturen) haben vier Verbindungen. Der Strom, den wir steuern, fließt zwischen Source und Drain. In einem n-Kanal-Gerät tritt Strom normalerweise in den Drain ein und verlässt ihn, während er in einem p-Kanal-Gerät normalerweise von der Source fließt und den Drain verlässt. Ein Gate ist ein Schalter zum Ein- und Ausschalten eines Transistors. Schließlich hat das Gerät einen Transistorkörper (Body), der nicht für den Prozessor gilt, sodass wir ihn nicht berücksichtigen werden.
Die physikalische Struktur des Wechselrichters in Silizium. Bereiche unterschiedlicher Farben haben unterschiedliche Leitfähigkeitseigenschaften. Beachten Sie, wie die verschiedenen Siliziumkomponenten dem Diagramm auf der rechten Seite entsprechen.Die technischen Details des Betriebs von Transistoren und das Zusammenspiel einzelner Bereiche sind Inhalt des gesamten College-Kurses, daher werden wir nur auf die Grundlagen eingehen. Eine gute Analogie zu ihrer Arbeit ist eine Zugbrücke über einen Fluss. Autos - die Elektronen im Transistor - wollen von einer Seite des Flusses zur anderen fließen, dies ist die Source und Drain des Transistors. Nehmen Sie als Beispiel das nMOS-Gerät: Wenn der Verschluss nicht aufgeladen ist, wird die Zugbrücke angehoben und es können keine Elektronen durch den Kanal fließen. Wenn wir die Brücke absenken, bilden wir eine Straße über den Fluss und Autos können sich frei bewegen. Das gleiche passiert im Transistor. Das Laden des Gates bildet einen Kanal zwischen Source und Drain, so dass Strom fließen kann.
Zur präzisen Kontrolle der Position verschiedener p- und n-Regionen auf Silizium verwenden Hersteller wie Intel und TSMC ein Verfahren, das als
Fotolithografie bezeichnet wird . Dies ist ein äußerst komplexer mehrstufiger Prozess, und Unternehmen geben Milliarden von Dollar aus, um ihn zu verbessern, um kleinere, schnellere und energieeffizientere Transistoren herzustellen. Stellen Sie sich einen ultrapräzisen Drucker vor, mit dem Sie Siliziummuster für jeden Bereich zeichnen können.
Der Prozess der Herstellung von Transistoren auf einem Chip beginnt mit einem sauberen Siliziumwafer (Substrat). Es wird in einem Ofen erhitzt, um eine dünne Schicht Siliziumdioxid auf der Oberfläche der Platte zu erzeugen. Dann wird ein lichtempfindliches photoresistives Polymer auf Siliziumdioxid aufgebracht. Indem wir das Polymer mit Licht bestimmter Frequenzen beleuchten, können wir das Polymer in den Bereichen belichten, in denen wir Legierungen durchführen möchten. Dies ist der Lithografieschritt und ähnelt dem Auftragen von Tinte auf bestimmte Bereiche der Seite durch Drucker, nur in kleinerem Maßstab.
Die Platte wird mit Flusssäure geätzt, um die Kieselsäure an den Stellen zu lösen, an denen das Polymer entfernt wurde. Dann wird der Fotolack entfernt, wobei nur die Oxidschicht darunter verbleibt. Jetzt können Dotierungsionen auf die Platte aufgebracht werden, die nur an Stellen implantiert werden, an denen kein Oxid vorhanden ist.
Dieser Prozess des Maskierens, Formens und Dotierens wird Dutzende Male wiederholt, um langsam jede Ebene von Elementen in einem Halbleiter aufzubauen. Nach Abschluss des Basissiliziumniveaus können Sie oben Metallverbindungen erstellen, die verschiedene Transistoren verbinden. Wenig später werden wir mehr über diese Verbindungen und Metallisierungsschichten sprechen.
Natürlich führen Chiphersteller den Prozess der Erzeugung von Transistoren nicht unter einem durch. Beim Entwerfen eines neuen Chips generieren sie Masken für jede Phase des Herstellungsprozesses. Diese Masken enthalten die Positionen jedes Elements der Milliarden Transistoren des Chips. Mehrere Chips werden zusammengefasst und auf demselben Chip hergestellt.
Nach der Herstellung der Platte wird sie in einzelne Kristalle geschnitten, die platziert werden
in dem Fall. Jede Platte kann Hunderte oder sogar mehr Chips enthalten. Je leistungsfähiger der Chip ist, desto größer ist normalerweise der Kristall und desto weniger Chips kann der Hersteller von jeder Platte erhalten.
Sie könnten denken, wir müssen nur riesige, superstarke Chips mit Hunderten von Kernen produzieren, aber das ist unmöglich. Derzeit ist der schwerwiegendste Faktor, der die Herstellung immer größerer Chips behindert, ein Defekt im Herstellungsprozess. Moderne Chips enthalten Milliarden von Transistoren, und wenn mindestens ein Teil eines Transistors defekt ist, kann der gesamte Chip geworfen werden. Mit zunehmender Größe der Prozessoren steigt die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion des Chips.
Unternehmen verbergen sorgfältig die Produktivität der Herstellungsprozesse ihrer Chips, aber sie kann grob auf 70-90% geschätzt werden. Unternehmen stellen normalerweise Chips mit einer Marge her, weil sie wissen, dass einige Teile nicht funktionieren. Beispielsweise kann Intel einen 8-Kern-Chip entwerfen, ihn jedoch nur als 6-Kern verkaufen, da erwartet wird, dass ein oder zwei Kerne beschädigt werden. Ungewöhnlich niedrige Defektchips werden normalerweise zu einem höheren Preis zum Verkauf angeboten. Dieser Vorgang wird als
Binning bezeichnet .
Einer der schwerwiegendsten Marketingparameter bei der Herstellung von Chips ist die Größe der Elemente. Zum Beispiel beherrscht Intel einen 10-Nanometer-Prozess, AMD verwendet für einige GPUs einen 7-Nanometer-Prozess und TSMC hat mit der Arbeit an einem 5-Nanometer-Prozess begonnen. Aber was bedeuten all diese Zahlen? Traditionell ist die Größe eines Elements der Mindestabstand zwischen Drain und Source des Transistors. Während der Technologieentwicklung haben wir gelernt, Transistoren so zu reduzieren, dass immer mehr von ihnen auf einen einzelnen Chip passen. Wenn die Transistoren abnehmen, werden sie auch immer schneller.
Bei diesen Zahlen ist zu beachten, dass einige Unternehmen die Größe des Herstellungsprozesses möglicherweise nicht auf einen Standardabstand stützen, sondern auf andere Werte. Dies bedeutet, dass Prozesse mit unterschiedlichen Größen in unterschiedlichen Unternehmen tatsächlich zur Schaffung von Transistoren derselben Größe führen können. Andererseits haben nicht alle Transistoren in einem separaten Herstellungsprozess die gleiche Größe. Designer können aus Kompromissgründen entscheiden, einige Transistoren größer als andere zu machen. Ein kleiner Transistor ist schneller, da das Laden und Entladen seines Verschlusses weniger Zeit in Anspruch nimmt. Kleine Transistoren können jedoch nur eine sehr kleine Anzahl von Ausgängen steuern. Wenn eine Logik etwas verwaltet, das viel Strom benötigt, z. B. einen Ausgangsstift, muss viel mehr getan werden. Solche Ausgangstransistoren können um Größenordnungen größer sein als interne Logiktransistoren.
Das Design und die Herstellung von Transistoren sind jedoch nur die Hälfte des Chips. Wir brauchen Leiter, um alles nach dem Schema zu verbinden. Diese Verbindungen werden unter Verwendung von Beschichtungsschichten auf Transistoren erzeugt. Stellen Sie sich eine mehrstöckige Straßenkreuzung mit Ein- und Ausgängen und einer Reihe sich kreuzender Straßen vor. Genau das passiert im Chip, nur in viel kleinerem Maßstab. Unterschiedliche Prozessoren haben unterschiedliche Mengen an Metallbindungsschichten über Transistoren. Transistoren werden reduziert und es werden immer mehr Metallisierungsschichten benötigt, um alle Signale zu leiten. Es wird berichtet, dass die 5-Nanometer-TMSC-Prozesstechnologie in Zukunft 15 Schichten verwenden wird. Stellen Sie sich eine vertikale Straßenkreuzung mit 15 Ebenen vor - dies gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie kompliziert das Routing innerhalb des Chips ist.
Das Mikroskopbild unten zeigt ein Gitter, das aus sieben Metallisierungsschichten besteht. Jede Ebene ist flach und wenn sie nach oben geht, werden die Ebenen größer, um den Luftwiderstand zu verringern. Zwischen den Schichten befinden sich winzige Metallzylinder, sogenannte Jumper, mit denen man sich auf eine höhere Ebene bewegt. Typischerweise ändert jede Schicht ihre Richtung relativ zu der darunter liegenden Schicht, um unerwünschte Kapazitäten zu reduzieren. Ungerade Metallisierungsschichten können verwendet werden, um horizontale Fugen zu erzeugen, und sogar solche für vertikale Fugen.
Sie können verstehen, dass die Verwaltung all dieser Signale und Metallisierungsschichten sehr schnell unglaublich komplex wird. Um dieses Problem zu lösen, werden Computerprogramme verwendet, die Transistoren automatisch positionieren und verbinden. Abhängig von der Komplexität des Entwurfs können Programme sogar die Funktionen eines C-Codes auf hoher Ebene auf die physischen Positionen jedes Leiters und Transistors übertragen. In der Regel ermöglichen Chipdesigner Computern, den Großteil eines Designs automatisch zu generieren und dann einzelne kritische Teile manuell zu untersuchen und zu optimieren.
Wenn Unternehmen einen neuen Chip erstellen möchten, beginnen sie den Entwurfsprozess mit den vom Chiphersteller bereitgestellten Standardzellen. Beispielsweise stellt Intel oder TSMC Designern grundlegende Teile wie Logikelemente oder Speicherzellen zur Verfügung. Designer können diese Standardzellen zu jedem Chip kombinieren, den sie produzieren möchten. Dann werden sie in die Fabrik geschickt - ein Ort, an dem Rohsilizium in Arbeitschips umgewandelt wird - elektrische Schaltkreise der Chiptransistoren und Metallisierungsschichten. Diese Schaltungen werden zu Masken, die in dem oben beschriebenen Herstellungsprozess verwendet werden. Als nächstes werden wir sehen, wie der Designprozess eines extrem einfachen Chips aussehen könnte.
Zuerst sehen wir die Wechselrichterschaltung, die eine Standardzelle ist. Das schattierte grüne Rechteck oben ist der pMOS-Transistor, und das transparente grüne Rechteck unten ist der nMOS-Transistor. Der vertikale rote Leiter ist ein Polysilicium-Gate, die blauen Bereiche sind Metallisierung 1 und die violetten Bereiche sind Metallisierung 2. Eingang A tritt links ein und Ausgang Y tritt rechts aus. Strom- und Erdungsanschlüsse werden bei der Metallisierung 2 oben und unten hergestellt.
Durch die Kombination mehrerer logischer Elemente haben wir ein einfaches 1-Bit-Arithmetikmodul erhalten. Dieser Entwurf kann logische Operationen mit zwei 1-Bit-Eingängen addieren, subtrahieren und ausführen. Die nach oben schattierten blauen Leiter sind die Metallisierungsschichten 3. Die etwas größeren Quadrate an den Enden der Leiter sind Jumper, die die beiden Schichten verbinden.
Durch die Kombination vieler Zellen und ungefähr 2.000 Transistoren haben wir schließlich einen einfachen 4-Bit-Prozessor mit 8 Byte RAM auf vier Metallisierungsschichten erhalten. Angesichts der Kompliziertheit können Sie sich nur vorstellen, wie schwierig es ist, einen 64-Bit-Prozessor mit Megabyte Cache, mehreren Kernen und mehr als 20 Pipeline-Stufen zu entwerfen. Angesichts der Tatsache, dass moderne Hochleistungs-CPUs bis zu 5-10 Milliarden Transistoren und ein Dutzend Metallisierungsschichten aufweisen, wäre es keine Übertreibung zu sagen, dass sie buchstäblich millionenfach komplexer sind als unser Beispiel.
Dies macht uns verständlich, warum der neue Prozessor eine so teure Technologie ist und warum AMD und Intel seit so langer Zeit neue Produkte auf den Markt bringen. Es dauert normalerweise 3-5 Jahre, bis ein neuer Chip von einem Zeichenbrett auf den Markt kommt. Dies bedeutet, dass die schnellsten modernen Chips auf Technologien basieren, die bereits mehrere Jahre alt sind, und dass wir viele Jahre lang keine Chips mit einem modernen Stand der Fertigungstechnologie sehen werden.
Im vierten und letzten Artikel der Reihe werden wir zur physischen Sphäre zurückkehren und aktuelle Trends in der Branche betrachten. Was entwickeln Forscher, um die nächste Computergeneration noch schneller zu machen?