Ini adalah artikel ketiga dari seri desain CPU. Pada artikel pertama, kami memeriksa arsitektur komputer dan menjelaskan operasinya pada tingkat tinggi. Artikel kedua berbicara tentang desain dan implementasi beberapa komponen chip. Pada bagian ketiga, kita akan belajar bagaimana desain arsitektur dan sirkuit listrik menjadi chip fisik.
Bagaimana mengubah tumpukan pasir menjadi prosesor modern? Mari kita cari tahu.
Bagian 1: Dasar-dasar arsitektur komputer (arsitektur set instruksi, caching, saluran pipa, hyperthreading)
Bagian 2: Proses desain CPU (sirkuit listrik, transistor, elemen logika, sinkronisasi)
Bagian 3: Tata letak dan pembuatan fisik chip (VLSI dan fabrikasi silikon)
Bagian 4: Tren saat ini dan arah masa depan yang penting dalam arsitektur komputer (laut akselerator, integrasi tiga dimensi, FPGA, Near Memory Computing)
Seperti disebutkan sebelumnya, prosesor dan semua logika digital lainnya terdiri dari transistor. Transistor adalah saklar yang dikendalikan secara listrik yang dapat dinyalakan dan dimatikan dengan menerapkan atau memutuskan tegangan gerbang. Kami mengatakan bahwa ada dua jenis transistor: perangkat nMOS melewatkan arus saat rana aktif, dan perangkat pMOS melewatkan arus saat rana dimatikan. Struktur dasar prosesor adalah transistor yang terbuat dari silikon. Silikon adalah
semikonduktor , karena ia menempati posisi perantara - ia tidak melakukan arus sepenuhnya, tetapi ia bukan isolator.
Untuk mengubah wafer silikon menjadi rangkaian listrik yang praktis dengan menambahkan transistor, insinyur produksi menggunakan proses yang disebut
doping . Doping adalah proses penambahan kotoran yang dipilih dengan hati-hati ke substrat silikon dasar untuk mengubah konduktivitasnya. Tujuannya adalah untuk mengubah perilaku elektron sehingga kita dapat mengendalikannya. Ada dua jenis transistor, dan karenanya, dua jenis utama doping.
Proses pembuatan piring sebelum menempatkan chip dalam kasing.Jika kita menambahkan jumlah elemen donor elektron yang terkontrol secara tepat, seperti arsenik, antimon atau fosfor, kita dapat membuat daerah tipe-n. Karena wilayah lempeng tempat unsur-unsur ini diendapkan sekarang memiliki kelebihan elektron, ia menjadi bermuatan negatif. Dari sini muncul nama jenis (n - negatif) dan huruf "n" di nMOS. Dengan menambahkan elemen akseptor elektron seperti boron, indium, atau gallium ke silikon, kita dapat membuat daerah tipe-p yang bermuatan positif. Dari sini muncul huruf "p" dalam tipe-p dan pMOS (p - positif). Proses spesifik untuk menambahkan kotoran ini ke silikon disebut
implantasi ion dan
difusi ; kami tidak akan mempertimbangkannya di artikel.
Sekarang kita dapat mengontrol konduktivitas listrik dari masing-masing bagian wafer silikon, kita dapat menggabungkan sifat-sifat beberapa daerah untuk membuat transistor. Transistor yang digunakan dalam sirkuit terintegrasi dan disebut MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, struktur MOS, struktur konduktor oksida logam) memiliki empat koneksi. Arus yang kami kontrol mengalir antara sumber dan saluran. Dalam perangkat n-channel, arus biasanya masuk ke drain dan meninggalkan sumber, sedangkan di perangkat p-channel biasanya mengalir dari sumber dan meninggalkan drain. Gerbang adalah saklar yang digunakan untuk menghidupkan dan mematikan transistor. Akhirnya, perangkat memiliki tubuh transistor (Tubuh), yang tidak berlaku untuk prosesor, jadi kami tidak akan mempertimbangkannya.
Struktur fisik inverter dalam silikon. Area warna yang berbeda memiliki sifat konduktivitas yang berbeda. Perhatikan bagaimana komponen silikon yang berbeda sesuai dengan diagram di sebelah kanan.Rincian teknis pengoperasian transistor dan interaksi masing-masing area adalah isi dari keseluruhan mata kuliah, jadi kami hanya akan menyentuh dasar-dasarnya. Analogi yang baik untuk pekerjaan mereka adalah jembatan gantung di atas sungai. Mobil - elektron dalam transistor - ingin mengalir dari satu sisi sungai ke yang lain, ini adalah sumber dan tiriskan dari transistor. Ambil perangkat nMOS sebagai contoh: ketika rana tidak diisi, jembatan tarik dinaikkan dan elektron tidak dapat mengalir melalui saluran. Ketika kita menurunkan jembatan, kita membentuk jalan di atas sungai dan mobil dapat bergerak dengan bebas. Hal yang sama terjadi pada transistor. Mengisi gerbang membentuk saluran antara sumber dan saluran pembuangan, memungkinkan arus mengalir.
Untuk kontrol yang tepat atas lokasi berbagai daerah p dan n pada silikon, pabrikan seperti Intel dan TSMC menggunakan proses yang disebut
photolithography . Ini adalah proses multi-tahap yang sangat kompleks dan perusahaan menghabiskan miliaran dolar untuk memperbaikinya untuk membuat transistor yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat energi. Bayangkan sebuah printer ultra-presisi yang dapat Anda gunakan untuk menggambar pola silikon untuk setiap area.
Proses pembuatan transistor pada sebuah chip dimulai dengan wafer silikon bersih (substrat). Dipanaskan dalam oven untuk membuat lapisan tipis silikon dioksida pada permukaan piring. Kemudian, polimer fotoresistif fotosensitif diterapkan pada silikon dioksida. Dengan menerangi polimer dengan cahaya frekuensi tertentu, kita dapat mengekspos polimer di area-area di mana kita ingin melakukan paduan. Ini adalah langkah litografi, dan ini mirip dengan bagaimana printer menerapkan tinta ke area halaman tertentu, hanya pada skala yang lebih kecil.
Pelat dietsa dengan asam hidrofluorat untuk melarutkan silika di tempat-tempat di mana polimer dipindahkan. Kemudian photoresist dihapus, hanya menyisakan lapisan oksida di bawahnya. Sekarang, ion doping dapat diterapkan pada pelat, yang ditanamkan hanya di tempat-tempat di mana oksida tidak ada.
Proses ini menutupi, membentuk dan doping diulang puluhan kali untuk secara perlahan membangun setiap tingkat elemen dalam semikonduktor. Setelah menyelesaikan level dasar silikon, Anda dapat membuat senyawa logam di atasnya yang menghubungkan berbagai transistor. Sebentar lagi kita akan berbicara lebih banyak tentang senyawa ini dan lapisan metalisasi.
Tentu saja, produsen chip tidak melakukan proses pembuatan transistor di bawah satu. Saat merancang chip baru, mereka menghasilkan masker untuk setiap tahap proses pembuatan. Topeng ini berisi lokasi masing-masing elemen dari miliar transistor chip. Beberapa chip dikelompokkan bersama dan dibuat bersama pada chip yang sama.
Setelah membuat plat, itu dipotong menjadi kristal individu, yang ditempatkan
dalam kasus ini. Setiap piring dapat berisi ratusan atau bahkan lebih banyak chip. Biasanya, semakin kuat chip yang dibuat, semakin besar kristalnya, dan semakin sedikit chip yang bisa didapatkan pabrikan dari setiap plat.
Anda mungkin berpikir bahwa kita hanya perlu menghasilkan chip super kuat dengan ratusan core, tetapi ini tidak mungkin. Saat ini, faktor paling serius yang menghambat pembuatan chip yang semakin besar adalah cacat dalam proses pembuatannya. Chip modern mengandung milyaran transistor dan jika setidaknya satu bagian dari satu transistor rusak, maka seluruh chip dapat dibuang. Saat ukuran prosesor meningkat, kemungkinan kerusakan chip meningkat.
Perusahaan dengan hati-hati menyembunyikan produktivitas proses pembuatan chip mereka, tetapi dapat diperkirakan sekitar 70-90%. Perusahaan biasanya membuat keripik dengan margin karena mereka tahu bahwa beberapa bagian tidak akan berfungsi. Sebagai contoh, Intel dapat merancang chip 8-core, tetapi menjualnya hanya sebagai 6-core, karena mengharapkan satu atau dua core rusak. Chip cacat yang sangat rendah biasanya disisihkan untuk dijual dengan harga lebih tinggi. Proses ini disebut
binning .
Salah satu parameter pemasaran paling serius yang terkait dengan pembuatan chip adalah ukuran elemen. Sebagai contoh, Intel menguasai proses 10-nanometer, AMD menggunakan proses 7-nanometer untuk beberapa GPU, dan TSMC telah mulai bekerja pada proses 5-nanometer. Tapi apa arti semua angka-angka ini? Secara tradisional, ukuran elemen disebut jarak minimum antara tiriskan dan sumber transistor. Dalam proses pengembangan teknologi, kami belajar untuk mengurangi transistor sehingga semakin banyak dari mereka yang sesuai pada satu chip. Ketika transistor berkurang, mereka juga menjadi lebih cepat dan lebih cepat.
Melihat angka-angka ini, penting untuk diingat bahwa beberapa perusahaan mungkin tidak mendasarkan ukuran proses manufaktur pada jarak standar, tetapi pada nilai-nilai lain. Ini berarti bahwa proses dengan ukuran yang berbeda di perusahaan yang berbeda sebenarnya dapat mengarah pada pembuatan transistor dengan ukuran yang sama. Di sisi lain, tidak semua transistor dalam proses pembuatan terpisah memiliki ukuran yang sama. Desainer dapat memutuskan demi kompromi untuk membuat beberapa transistor lebih besar dari yang lain. Transistor kecil akan lebih cepat, karena membutuhkan waktu lebih sedikit untuk mengisi dan melepaskan rana. Namun, transistor kecil hanya dapat mengendalikan sejumlah kecil output. Jika sepotong logika mengelola sesuatu yang membutuhkan banyak daya, misalnya, pin keluaran, maka itu harus dilakukan lebih banyak lagi. Transistor keluaran semacam itu dapat berupa urutan yang lebih besar dari transistor logika internal.
Bidikan kristal prosesor AMD Zen modern. Desain ini terdiri dari beberapa miliar transistor.Namun, desain dan pembuatan transistor hanya setengah dari chip. Kami membutuhkan konduktor untuk menghubungkan semuanya sesuai dengan skema. Senyawa ini dibuat menggunakan lapisan pelapis di atas transistor. Bayangkan sebuah persimpangan jalan multi-level dengan pintu masuk, keluar dan banyak jalan yang bersilangan. Inilah yang terjadi di dalam chip, hanya pada skala yang jauh lebih kecil. Prosesor yang berbeda memiliki jumlah lapisan ikatan logam yang berbeda di atas transistor. Transistor berkurang, dan semakin banyak lapisan metalisasi diperlukan untuk merutekan semua sinyal. Dilaporkan bahwa di masa depan teknologi proses 5-nanometer TMSC akan menggunakan 15 lapisan. Bayangkan persimpangan jalan vertikal 15 tingkat - ini akan memberi Anda gambaran tentang rumitnya rute di dalam chip.
Gambar mikroskop di bawah ini menunjukkan grid yang dibentuk oleh tujuh lapisan metalisasi. Setiap lapisan rata dan ketika naik, lapisan menjadi lebih besar untuk membantu mengurangi hambatan. Di antara lapisan ada silinder logam kecil yang disebut jumper, yang digunakan untuk pindah ke tingkat yang lebih tinggi. Biasanya, setiap lapisan berubah arah relatif terhadap lapisan di bawahnya untuk mengurangi kapasitansi yang tidak diinginkan. Lapisan metalisasi ganjil dapat digunakan untuk membuat sambungan horisontal, dan bahkan sambungan vertikal.
Anda dapat memahami bahwa mengelola semua sinyal dan lapisan metalisasi dengan sangat cepat menjadi sangat kompleks. Untuk membantu mengatasi masalah ini, program komputer digunakan yang secara otomatis memposisikan dan menghubungkan transistor. Bergantung pada kompleksitas desain, program bahkan dapat menerjemahkan fungsi kode C tingkat tinggi ke lokasi fisik masing-masing konduktor dan transistor. Biasanya, perancang chip memungkinkan komputer untuk menghasilkan sebagian besar desain secara otomatis, dan kemudian mempelajari dan mengoptimalkan setiap bagian penting secara manual.
Ketika perusahaan ingin membuat chip baru, mereka memulai proses desain dengan sel standar yang disediakan oleh produsen chip. Misalnya, Intel atau TSMC memberi perancang bagian-bagian dasar seperti elemen logika atau sel memori. Desainer dapat menggabungkan sel-sel standar ini ke dalam chip apa pun yang ingin mereka hasilkan. Kemudian mereka dikirim ke pabrik - tempat silikon mentah diubah menjadi chip yang berfungsi - sirkuit listrik dari transistor chip dan lapisan metalisasi. Sirkuit ini berubah menjadi masker, yang digunakan dalam proses pembuatan yang dijelaskan di atas. Selanjutnya, kita akan melihat bagaimana proses desain chip yang sangat sederhana mungkin terlihat.
Pertama kita melihat rangkaian inverter, yang merupakan sel standar. Kotak hijau yang diarsir di bagian atas adalah transistor pMOS, dan kotak hijau transparan di bagian bawah adalah transistor nMOS. Konduktor merah vertikal adalah gerbang polisilikon, area biru adalah metalisasi 1, dan area ungu adalah metalisasi 2. Input A masuk di sebelah kiri dan output Y keluar di kanan. Sambungan daya dan arde dibuat di bagian atas dan bawah pada metalisasi 2.
Menggabungkan beberapa elemen logis, kami mendapat modul aritmatika 1-bit yang sederhana. Desain ini dapat menambah, mengurangi dan melakukan operasi logis dengan dua input 1-bit. Konduktor biru yang diarsir naik adalah lapisan metalisasi 3. Kotak yang sedikit lebih besar di ujung konduktor adalah jumper yang menghubungkan dua lapisan.
Akhirnya, menggabungkan banyak sel dan sekitar 2.000 transistor bersama, kami mendapat prosesor 4-bit sederhana dengan 8 byte RAM pada empat lapisan metalisasi. Melihat betapa rumitnya itu, Anda hanya bisa membayangkan betapa sulitnya mendesain prosesor 64-bit dengan cache megabyte, beberapa core, dan lebih dari 20 tahapan pipa. Mengingat bahwa CPU berkinerja tinggi modern memiliki hingga 5-10 miliar transistor dan selusin lapisan metalisasi, tidaklah berlebihan untuk mengatakan bahwa mereka benar-benar jutaan kali lebih kompleks daripada contoh kita.
Ini membuat kami mengerti mengapa prosesor baru ini merupakan teknologi yang sangat mahal dan mengapa AMD dan Intel telah merilis produk baru begitu lama. Agar chip baru beralih dari papan gambar ke pasar, biasanya membutuhkan waktu 3-5 tahun. Ini berarti bahwa chip modern tercepat didasarkan pada teknologi yang sudah berumur beberapa tahun, dan bahwa selama bertahun-tahun kita tidak akan melihat chip dengan tingkat teknologi manufaktur modern.
Pada artikel keempat dan terakhir dari seri, kita akan kembali ke bidang fisik dan mempertimbangkan tren saat ini di industri. Apa yang peneliti kembangkan untuk membuat generasi komputer lebih cepat?