प्रोसेसर कैसे डिजाइन और निर्मित होते हैं: चिप निर्माण

सीपीयू डिजाइन पर एक श्रृंखला में यह तीसरा लेख है। पहले लेख में, हमने एक कंप्यूटर की वास्तुकला की जांच की और उच्च स्तर पर इसके संचालन की व्याख्या की। दूसरे लेख में चिप के कुछ घटकों के डिजाइन और कार्यान्वयन के बारे में बात की गई थी। तीसरे भाग में, हम सीखेंगे कि वास्तुशिल्प डिजाइन और विद्युत सर्किट भौतिक चिप्स कैसे बनते हैं।

आधुनिक प्रोसेसर में रेत के ढेर को कैसे चालू करें? चलिए इसका पता लगाते हैं।

भाग 1: कंप्यूटर वास्तुकला की मूल बातें (निर्देश सेट आर्किटेक्चर, कैशिंग, पाइपलाइन, हाइपरथ्रेडिंग)
भाग 2: सीपीयू डिज़ाइन प्रक्रिया (इलेक्ट्रिकल सर्किट, ट्रांजिस्टर, लॉजिक एलिमेंट्स, सिंक्रोनाइज़ेशन)
भाग 3: चिप का लेआउट और भौतिक निर्माण (वीएलएसआई और सिलिकॉन निर्माण)
भाग 4: कंप्यूटर आर्किटेक्चर में वर्तमान रुझान और महत्वपूर्ण भविष्य की दिशाएं (त्वरक का समुद्र, तीन आयामी एकीकरण, FPGA, मेमोरी कंप्लायंस के पास)

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, प्रोसेसर और अन्य सभी डिजिटल तर्क ट्रांजिस्टर से बने हैं। एक ट्रांजिस्टर एक विद्युतीय रूप से नियंत्रित स्विच है जिसे गेट वोल्टेज को लागू या डिस्कनेक्ट करके चालू और बंद किया जा सकता है। हमने कहा कि दो प्रकार के ट्रांजिस्टर होते हैं: शटर चालू होने पर nMOS डिवाइस करंट पास करते हैं और जब शटर बंद होता है तो pMOS डिवाइस करंट पास करते हैं। प्रोसेसर की मूल संरचना सिलिकॉन से बने ट्रांजिस्टर हैं। सिलिकॉन एक अर्धचालक है , क्योंकि यह एक मध्यवर्ती स्थिति पर कब्जा कर लेता है - यह पूरी तरह से वर्तमान का संचालन नहीं करता है, लेकिन यह एक इन्सुलेटर नहीं है।

ट्रांजिस्टर को जोड़कर एक सिलिकॉन वफ़र को एक व्यावहारिक विद्युत परिपथ में बदलने के लिए, उत्पादन इंजीनियर डोपिंग नामक एक प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। डोपिंग अपनी चालकता को बदलने के लिए बेस सिलिकॉन सब्सट्रेट में सावधानीपूर्वक चयनित अशुद्धियों को जोड़ने की प्रक्रिया है। लक्ष्य इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को बदलना है ताकि हम उन्हें नियंत्रित कर सकें। दो प्रकार के ट्रांजिस्टर हैं, और इसलिए, दो मुख्य प्रकार के डोपिंग हैं।


चिप्स को मामले में रखने से पहले एक प्लेट बनाने की प्रक्रिया।

यदि हम आर्सेनिक, एंटीमनी या फॉस्फोरस जैसे इलेक्ट्रॉन दाता तत्वों की एक ठीक नियंत्रित संख्या जोड़ते हैं, तो हम एक एन-टाइप क्षेत्र बना सकते हैं। चूंकि जिस प्लेट पर इन तत्वों को जमा किया जाता है उसके क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है, यह नकारात्मक रूप से चार्ज हो जाता है। यहाँ से nMOS में टाइप (n - नेगेटिव) और अक्षर "n" का नाम आया। बोरान, इंडियम या गैलियम जैसे इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता तत्वों को सिलिकॉन में जोड़कर, हम एक पी-टाइप क्षेत्र बना सकते हैं जो सकारात्मक रूप से चार्ज होता है। यहाँ से पत्र "p" आया पी-टाइप और pMOS (p - पॉज़िटिव) में। सिलिकॉन में इन अशुद्धियों को जोड़ने के लिए विशिष्ट प्रक्रियाओं को आयन आरोपण और प्रसार कहा जाता है; हम उन्हें लेख में नहीं मानेंगे।

अब जब हम सिलिकॉन वेफर के अलग-अलग हिस्सों की विद्युत चालकता को नियंत्रित कर सकते हैं, तो हम ट्रांजिस्टर बनाने के लिए कई क्षेत्रों के गुणों को जोड़ सकते हैं। इंटीग्रेटेड सर्किट में इस्तेमाल किए जाने वाले ट्रांजिस्टर और जिन्हें MOSFETs (मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर, एमओएस स्ट्रक्चर, मेटल ऑक्साइड कंडक्टर स्ट्रक्चर) कहा जाता है, के चार कनेक्शन हैं। हम जिस स्रोत को नियंत्रित करते हैं, वह स्रोत और नाली के बीच बहता है। एक एन-चैनल डिवाइस में, धारा आमतौर पर नाली में प्रवेश करती है और स्रोत को छोड़ देती है, जबकि पी-चैनल डिवाइस में यह आमतौर पर स्रोत से बहती है और नाली को छोड़ देती है। एक गेट एक स्विच है जिसका उपयोग ट्रांजिस्टर को चालू और बंद करने के लिए किया जाता है। अंत में, डिवाइस में एक ट्रांजिस्टर बॉडी (बॉडी) होती है, जो प्रोसेसर पर लागू नहीं होती है, इसलिए हम इस पर विचार नहीं करेंगे।


सिलिकॉन में इन्वर्टर की भौतिक संरचना। विभिन्न रंगों के क्षेत्रों में अलग-अलग चालकता के गुण होते हैं। ध्यान दें कि विभिन्न सिलिकॉन घटक दाईं ओर आरेख के अनुरूप कैसे हैं।

ट्रांजिस्टर के संचालन और व्यक्तिगत क्षेत्रों के संपर्क के तकनीकी विवरण पूरे कॉलेज पाठ्यक्रम की सामग्री हैं, इसलिए हम केवल मूल बातें पर स्पर्श करेंगे। उनके काम का एक अच्छा सादृश्य एक नदी के ऊपर एक ड्रॉब्रिज है। कार - ट्रांजिस्टर में इलेक्ट्रॉनों - नदी के एक किनारे से दूसरे तक प्रवाह करना चाहते हैं, यह ट्रांजिस्टर का स्रोत और नाली है। एक उदाहरण के रूप में nMOS डिवाइस लें: जब शटर चार्ज नहीं होता है, तो ड्रॉब्रिज को उठाया जाता है और इलेक्ट्रॉन चैनल के माध्यम से प्रवाह नहीं कर सकते हैं। जब हम पुल को कम करते हैं, तो हम नदी के ऊपर एक सड़क बनाते हैं और कारें स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ सकती हैं। यही बात ट्रांजिस्टर में भी होती है। गेट को चार्ज करने से स्रोत और नाली के बीच एक चैनल बनता है, जिससे करंट प्रवाहित हो सकता है।

सिलिकॉन पर विभिन्न पी और एन क्षेत्रों के स्थान पर सटीक नियंत्रण के लिए, इंटेल और टीएसएमसी जैसे निर्माता फोटोलिथोग्राफी नामक एक प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। यह एक अत्यंत जटिल बहु-स्तरीय प्रक्रिया है और कंपनियां अरबों डॉलर खर्च कर इसे छोटे, तेज और अधिक ऊर्जा-कुशल ट्रांजिस्टर बनाने में सुधार करती हैं। एक अल्ट्रा-सटीक प्रिंटर की कल्पना करें जिसका उपयोग आप प्रत्येक क्षेत्र के लिए सिलिकॉन पैटर्न बनाने के लिए कर सकते हैं।

एक चिप पर ट्रांजिस्टर के निर्माण की प्रक्रिया एक साफ सिलिकॉन वेफर (सब्सट्रेट) से शुरू होती है। प्लेट की सतह पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक पतली परत बनाने के लिए इसे ओवन में गरम किया जाता है। फिर, एक प्रकाश संश्लेषक बहुलक बहुलक सिलिकॉन डाइऑक्साइड पर लागू होता है। कुछ आवृत्तियों के प्रकाश के साथ बहुलक को रोशन करके, हम उन क्षेत्रों में बहुलक को उजागर कर सकते हैं जहां हम मिश्र धातु प्रदर्शन करना चाहते हैं। यह लिथोग्राफी कदम है, और यह उसी तरह है जैसे प्रिंटर पृष्ठ के विशिष्ट क्षेत्रों में स्याही को केवल छोटे पैमाने पर लागू करते हैं।

प्लेट को हाइड्रोफ्लोरोइक एसिड के साथ उतारा जाता है, जहां बहुलक को हटा दिया गया था। फिर फोटोरसिस्ट को हटा दिया जाता है, इसके नीचे केवल ऑक्साइड परत होती है। अब, डोपिंग आयनों को प्लेट पर लागू किया जा सकता है, जो केवल उन जगहों पर प्रत्यारोपित होते हैं जहां ऑक्साइड अनुपस्थित है।


अर्धचालक में तत्वों के प्रत्येक स्तर को धीरे-धीरे बनाने के लिए मास्किंग, बनाने और डोपिंग की यह प्रक्रिया दर्जनों बार दोहराई जाती है। आधार सिलिकॉन स्तर को पूरा करने के बाद, आप शीर्ष पर धातु यौगिक बना सकते हैं जो विभिन्न ट्रांजिस्टर को जोड़ते हैं। थोड़ी देर बाद हम इन यौगिकों और धातुकरण परतों के बारे में अधिक बात करेंगे।

बेशक, चिप निर्माता एक के तहत ट्रांजिस्टर बनाने की प्रक्रिया को पूरा नहीं करते हैं। नई चिप डिजाइन करते समय, वे निर्माण प्रक्रिया के प्रत्येक चरण के लिए मास्क उत्पन्न करते हैं। इन मास्क में चिप के बिलियन ट्रांजिस्टर के प्रत्येक तत्व के स्थान होते हैं। कई चिप्स को एक साथ समूहीकृत किया जाता है और एक ही चिप पर एक साथ बनाया जाता है।

प्लेट के निर्माण के बाद, इसे व्यक्तिगत क्रिस्टल में काट दिया जाता है, जिसे रखा जाता है
मामले में। प्रत्येक प्लेट में सैकड़ों या अधिक चिप्स हो सकते हैं। आमतौर पर, चिप जितनी अधिक शक्तिशाली होती है, क्रिस्टल उतना ही बड़ा होगा, और जितनी कम चिप्स निर्माता प्रत्येक प्लेट से प्राप्त कर सकते हैं।


आप सोच सकते हैं कि हमें सिर्फ सैकड़ों कोर के साथ विशाल सुपर-शक्तिशाली चिप्स का उत्पादन करने की आवश्यकता है, लेकिन यह असंभव है। वर्तमान में, कभी भी बड़े चिप्स के निर्माण में बाधा डालने वाला सबसे गंभीर कारक विनिर्माण प्रक्रिया में दोष है। आधुनिक चिप्स में अरबों ट्रांजिस्टर होते हैं और यदि एक ट्रांजिस्टर का कम से कम एक हिस्सा टूट जाता है, तो पूरी चिप को फेंक दिया जा सकता है। जैसे-जैसे प्रोसेसर का आकार बढ़ता है, चिप की खराबी की संभावना बढ़ जाती है।

कंपनियां अपने चिप्स की निर्माण प्रक्रियाओं की उत्पादकता को ध्यान से छिपाती हैं, लेकिन मोटे तौर पर इसका अनुमान 70-90% लगाया जा सकता है। कंपनियां आमतौर पर एक मार्जिन के साथ चिप्स बनाती हैं क्योंकि वे जानते हैं कि कुछ हिस्से काम नहीं करेंगे। उदाहरण के लिए, इंटेल एक 8-कोर चिप डिजाइन कर सकता है, लेकिन इसे केवल 6-कोर के रूप में बेच सकता है, क्योंकि यह एक या दो कोर को तोड़ने की उम्मीद करता है। असामान्य रूप से कम दोष वाले चिप्स को आमतौर पर उच्च कीमत पर बिक्री के लिए अलग रखा जाता है। इस प्रक्रिया को बिनिंग कहा जाता है।

चिप्स के निर्माण से जुड़े सबसे गंभीर विपणन मापदंडों में से एक तत्वों का आकार है। उदाहरण के लिए, इंटेल 10-नैनोमीटर प्रक्रिया में महारत हासिल कर रहा है, एएमडी कुछ GPU के लिए 7-नैनोमीटर प्रक्रिया का उपयोग कर रहा है, और TSMC ने 5-नैनोमीटर प्रक्रिया पर काम शुरू कर दिया है। लेकिन इन सभी नंबरों का क्या मतलब है? परंपरागत रूप से, किसी तत्व के आकार को नाली और ट्रांजिस्टर के स्रोत के बीच की न्यूनतम दूरी कहा जाता है। प्रौद्योगिकी विकास की प्रक्रिया में, हमने ट्रांजिस्टर को कम करना सीख लिया ताकि अधिक से अधिक एक ही चिप पर फिट हो सकें। जैसे-जैसे ट्रांजिस्टर कम होते जाते हैं, वे भी तेज़ और तेज़ होते जाते हैं।

इन नंबरों को देखते हुए, यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि कुछ कंपनियां मानक दूरी पर विनिर्माण प्रक्रिया के आकार को आधार नहीं बना सकती हैं, लेकिन अन्य मूल्यों पर। इसका मतलब है कि विभिन्न कंपनियों में विभिन्न आकारों के साथ प्रक्रिया वास्तव में एक ही आकार के ट्रांजिस्टर के निर्माण की ओर ले जा सकती है। दूसरी ओर, एक अलग विनिर्माण प्रक्रिया में सभी ट्रांजिस्टर का आकार समान नहीं होता है। डिजाइनर कुछ ट्रांजिस्टर को दूसरों की तुलना में बड़ा बनाने के लिए समझौता करने का फैसला कर सकते हैं। एक छोटा ट्रांजिस्टर तेजी से होगा, क्योंकि इसके शटर को चार्ज और डिस्चार्ज करने में कम समय लगता है। हालांकि, छोटे ट्रांजिस्टर केवल बहुत कम संख्या में आउटपुट को नियंत्रित कर सकते हैं। यदि तर्क का एक टुकड़ा किसी ऐसी चीज का प्रबंधन करता है जिसके लिए बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, एक आउटपुट पिन, तो इसे बहुत अधिक करना होगा। इस तरह के आउटपुट ट्रांजिस्टर आंतरिक तर्क ट्रांजिस्टर की तुलना में बड़े परिमाण के आदेश हो सकते हैं।


आधुनिक एएमडी ज़ेन प्रोसेसर का क्रिस्टल शॉट। इस डिज़ाइन में कई बिलियन ट्रांजिस्टर शामिल हैं।

हालांकि, ट्रांजिस्टर का डिज़ाइन और निर्माण केवल आधा चिप है। हमें योजना के अनुसार सब कुछ जोड़ने के लिए कंडक्टरों की आवश्यकता है। ये यौगिक ट्रांजिस्टर के ऊपर चढ़ाना परतों का उपयोग करके बनाए गए हैं। प्रवेश द्वार, निकास मार्ग और चौराहे वाली सड़कों के झुंड के साथ एक बहु-स्तरीय सड़क जंक्शन की कल्पना करें। यह वास्तव में चिप के अंदर होता है, केवल बहुत छोटे पैमाने पर। अलग-अलग प्रोसेसर में ट्रांजिस्टर के ऊपर अलग-अलग धातु की बंध परतें होती हैं। ट्रांजिस्टर कम हो जाते हैं, और सभी संकेतों को मार्ग देने के लिए अधिक से अधिक धातुकरण परतों की आवश्यकता होती है। यह सूचना दी है कि भविष्य में 5-नैनोमीटर टीएमएससी प्रक्रिया प्रौद्योगिकी 15 परतों का उपयोग करेगी। 15-स्तरीय वर्टिकल रोड जंक्शन की कल्पना करें - इससे आपको अंदाजा हो जाएगा कि चिप के अंदर कितना जटिल मार्ग है।

नीचे माइक्रोस्कोप की छवि धातुकरण की सात परतों द्वारा गठित एक ग्रिड को दिखाती है। प्रत्येक परत सपाट होती है और जब यह ऊपर जाती है, तो परतें खींचें को कम करने में मदद के लिए बड़ी हो जाती हैं। परतों के बीच में जंपर्स नामक छोटे धातु के सिलेंडर होते हैं, जिनका उपयोग उच्च स्तर पर जाने के लिए किया जाता है। आमतौर पर, प्रत्येक परत अवांछित समाई को कम करने के लिए इसके नीचे की परत के सापेक्ष दिशा बदलती है। विषम धातुकरण परतों का उपयोग क्षैतिज जोड़ों को बनाने के लिए किया जा सकता है, और ऊर्ध्वाधर जोड़ों के लिए भी।


आप समझ सकते हैं कि इन सभी संकेतों और धातुकरण परतों का प्रबंधन बहुत जल्दी अविश्वसनीय रूप से जटिल हो जाता है। इस समस्या को हल करने में मदद करने के लिए, कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग किया जाता है जो स्वचालित रूप से स्थिति और ट्रांजिस्टर कनेक्ट करते हैं। डिजाइन की जटिलता के आधार पर, प्रोग्राम प्रत्येक कंडक्टर और ट्रांजिस्टर के भौतिक स्थानों के लिए एक उच्च-स्तरीय सी कोड के कार्यों का अनुवाद भी कर सकते हैं। आमतौर पर, चिप डिजाइनर कंप्यूटर को एक डिज़ाइन के थोक को स्वचालित रूप से उत्पन्न करने की अनुमति देते हैं, और फिर मैन्युअल रूप से व्यक्तिगत महत्वपूर्ण भागों का अध्ययन और अनुकूलन करते हैं।

जब कंपनियां एक नई चिप बनाना चाहती हैं, तो वे चिप निर्माता द्वारा प्रदान की गई मानक कोशिकाओं के साथ डिजाइन प्रक्रिया शुरू करती हैं। उदाहरण के लिए, इंटेल या TSMC ऐसे बुनियादी भागों के साथ तर्क तत्व या मेमोरी सेल के रूप में डिजाइनर प्रदान करता है। डिजाइनर इन मानक कोशिकाओं को किसी भी चिप में जोड़ सकते हैं जिसे वे उत्पादन करना चाहते हैं। फिर उन्हें कारखाने में भेजा जाता है - एक जगह जहां कच्चे सिलिकॉन को काम करने वाले चिप्स में बदल दिया जाता है - चिप ट्रांजिस्टर और धातुकरण परतों के विद्युत सर्किट। ये सर्किट मुखौटे में बदल जाते हैं, जो ऊपर वर्णित निर्माण प्रक्रिया में उपयोग किए जाते हैं। अगला, हम देखेंगे कि एक अत्यंत साधारण चिप की डिजाइन प्रक्रिया कैसी दिख सकती है।


पहले हम इन्वर्टर सर्किट देखते हैं, जो एक मानक सेल है। शीर्ष पर छायांकित हरे रंग की आयत pMOS ट्रांजिस्टर है, और नीचे स्थित पारदर्शी हरे रंग की आयत nMOS ट्रांजिस्टर है। ऊर्ध्वाधर लाल कंडक्टर एक पॉलीसिलिकॉन गेट है, नीले क्षेत्र धातुकरण 1 हैं, और बैंगनी क्षेत्र धातुकरण हैं 2. इनपुट ए बाईं ओर प्रवेश करती है और आउटपुट वाई दाईं ओर निकलता है। धातुकरण 2 पर ऊपर और नीचे की तरफ पावर और ग्राउंड कनेक्शन बनाए गए हैं।


कई तार्किक तत्वों को मिलाकर, हमें एक सरल 1-बिट अंकगणितीय मॉड्यूल मिला। यह डिज़ाइन दो 1-बिट इनपुट के साथ तार्किक संचालन को जोड़, घटा और निष्पादित कर सकता है। ऊपर जाने वाले छायांकित नीले कंडक्टर धातुकरण की परतें हैं। 3. कंडक्टरों के सिरों पर थोड़ा बड़ा वर्ग दो परतों को जोड़ने वाले जम्पर्स होते हैं।


अंत में, कई कोशिकाओं और लगभग 2,000 ट्रांजिस्टर को एक साथ मिलाकर, हमें धातुकरण की चार परतों पर 8 बाइट रैम के साथ एक साधारण 4-बिट प्रोसेसर मिला। यह देखना कितना जटिल है, आप केवल कल्पना कर सकते हैं कि मेगाबाइट्स कैश, कई कोर और 20 से अधिक पाइपलाइन चरणों के साथ 64-बिट प्रोसेसर को डिजाइन करना कितना मुश्किल है। यह देखते हुए कि आधुनिक उच्च-प्रदर्शन वाले सीपीयू में 5-10 बिलियन ट्रांजिस्टर और एक दर्जन धातुकरण की परतें हैं, यह कहना अतिशयोक्ति नहीं होगी कि वे हमारे उदाहरण की तुलना में सचमुच लाखों गुना अधिक जटिल हैं।

इससे हमें समझ में आता है कि नया प्रोसेसर इतनी महंगी तकनीक क्यों है और एएमडी और इंटेल इतने लंबे समय से नए उत्पाद क्यों जारी कर रहे हैं। एक नई चिप के लिए एक ड्राइंग बोर्ड से बाजार में जाने के लिए, आमतौर पर 3-5 साल लगते हैं। इसका मतलब यह है कि सबसे तेज़ आधुनिक चिप्स उन तकनीकों पर आधारित हैं जो पहले से ही कई साल पुरानी हैं, और यह कि कई सालों तक हम आधुनिक स्तर की निर्माण तकनीक वाले चिप्स नहीं देखेंगे।

श्रृंखला के चौथे और अंतिम लेख में, हम भौतिक क्षेत्र में लौटेंगे और उद्योग में वर्तमान रुझानों पर विचार करेंगे। कंप्यूटर की अगली पीढ़ी को और भी तेज बनाने के लिए शोधकर्ता क्या विकसित कर रहे हैं?