Prihajajo superčipi!

Objavljeno: 26.2.2013 | Avtor: Simon Peter Vavpotič | Kategorija: Nove tehnologije | Revija: Marec 2013 | Teme: procesor

Računalniška industrija je doslej še vedno našla rešitve, kako vsaki dve leti dvakrat zmanjšati velikost tranzistorjev v čipih. Čeprav nekateri Moorovemu zakonu vseeno napovedujejo konec, je bolj verjetno, da bo zanj poskrbela kar gospodarska kriza, v katero ciklično toneta EU in ZDA, in ne fizikalne omejitve.

Leta 1971, ko so v Intelu procesor 8008 izdelovali z 10-mikrometrsko tehnologijo (10 µm = 10000 nm), čistoča zraka v proizvodnih halah še ni bila odločilna za kakovost izdelkov. Danes, ko uporabljajo skoraj 500-krat bolj natančno tehnologijo, so vse tovarne čipov napolnjene s prečiščenim zrakom, brez najmanjših prašnih delcev, ki bi lahko poškodovali silicijeve rezine, delavci pa morajo nositi posebne zaščitne obleke, sicer bi lahko že z izdihanim zrakom povzročili kontaminacijo.

Intelova tovarna čipov s 14 nm fotolitografijo, FAB 42, v Arizoni

Intelova tovarna čipov s 14 nm fotolitografijo, FAB 42, v Arizoni

Tipična rezina za izdelavo integriranih vezij je iz izjemno čistega silicija, ki »zraste« v obliki monokristalnih cilindričnih ingotov (valjev) s pomočjo procesa, ki ga je Jan Czochralski izumil že leta 1916. Najprej v kvarčnem valju pri temperaturi okoli 1500° C stalijo izjemno čist silicij in mu nato dodajo nečistoče (atomi bora ali fosforja), s katerimi dobi tip »p« ali »n«. Nato robot v staljeni silicij namoči semenski kristal, pritrjen na palico, in jo počasi vleče navzgor in hkrati vrti. Z natančnim uravnavanjem temperatur ter hitrosti izvlečenja in vrtenja palice nastane do 2 metra visok ingot iz monokristalnega silicija. Premer ingotov za serijsko proizvodnjo je danes med 20 cm ali 30 cm. Ingot z več 100 kg na koncu razrežejo na rezine, debele od 0,2 mm do 0,75 mm, in jih še zloščijo, da dosežejo zahtevano ravnost. Nekateri izdelovalci v kratkem načrtujejo prehod na 45 cm ingote, s čimer bi močno povečali število čipov, ki jih je mogoče izdelati iz ene silicijeve rezine.

Od rezin do čipov

Proizvodni proces čipov lahko razdelimo na dva dela. Med »procesiranjem« na prednjem koncu proizvodne linije (angl. FEOL, front-end-of-line processing) izdelajo integrirana vezja na silicijevi rezini, med »procesiranjem« na zadnjem koncu proizvodne linije (angl. BEOL, back-end-of-line processing) pa rezino razrežejo na ploščice s posameznimi vezji, jih preizkusijo, razvrstijo in zapakirajo v ohišja oziroma čipe ter jih ustrezno označijo. Neuporabna vezja pri tem zavržejo.

Nekoliko podrobnejši seznam korakov FEOL obsega: suho čiščenje silicijeve rezine, fotolitografijo, implantacijo ionov (s katero dodajo nečistoče in ustvarijo področja z večjo ali manjšo prevodnostjo), mokro čiščenje rezine, odstranjevanje fotorezista po jedkanju, termično obdelavo, odlaganje atomov in molekul, s katerimi spremenijo električne lastnosti posameznih plasti rezine (s kemično paro, s fizično paro, z epitaksijo z molekularnim žarkom in elektromehanskim odlaganjem), kemično-mehansko glajenje rezine (kombinacija jedkanja in poliranja), testiranje rezine, brušenje z zadnje strani za zmanjšanje debeline integriranega vezja (samo pri posebnih aplikacijah, npr. za čipe za kreditne kartice) ter razrez rezine na posamezna integrirana vezja.

BEOL obsega nekoliko manj korakov, a niso nič manj pomembni. Najprej ploščice z integriranimi vezji prilepijo na spodnji del ohišja čipa. Naslednji korak je povezovanje s kontakti ohišja čipa, pri katerem uporabljajo različne metode: kompresijsko žično povezovanje, termo-ultrazvočno žično povezovanje, neposredno povezovanje s kovinskimi kroglicami, ki se pri segrevanju delno stalijo in ustvarijo povezavo s kontakti čipa (termično spajkanje), lepljenje na ravni rezine, ob pomoči katerega izdelujejo nanoelektromehanske sisteme (NEMS), ter povezovanje s pomočjo plastičnega traku s kovinskimi povezavami. Slednji zelo poenostavi serijsko proizvodnjo, saj vsi kovinski kontakti na traku hkrati prekrijejo kontakte na integriranem vezju. Vse skupaj je treba še termično spajkati ali zlepiti.

Predzadnji korak je zapiranje ohišja čipa. Spodnji del čipa s povezanim integriranim vezjem prekrijejo s pokrovom in čip nepredušno zaprejo. To je pomembno, saj bi izpostavljenost prašnim in drugim delcem zunaj proizvodnega okolja z visoko prečiščenim zrakom povzročila uničenje integriranega vezja. Postopek zapiranja čipa se razlikuje glede na tip ohišja. Čipi z majhno porabo energije, ki ne potrebujejo izdatnega hlajenja, so v plastičnih ohišjih, najbolj požrešni čipi (na primer mikroprocesorji) pa potrebujejo keramično ohišje z veliko toplotno prevodnostjo, katerega zgornji del je navadno kovinski, da bolje odvaja toploto na hladilnik.

Proizvodna hala v tovarni čipov na Irskem

Proizvodna hala v tovarni čipov na Irskem

Zapakirane čipe je treba še dokončno preizkusiti in ustrezno označiti. Bolj zapleteni čipi, kot so mikroprocesorji, imajo vgrajene posebne funkcije za testiranje, ki jih izdelovalci večinoma javno ne objavijo. Z njimi ugotavljajo ne samo to, ali integrirano vezje sploh deluje, temveč tudi kakovost delovanja. Glede na slednjo uporabne čipe razvrstijo v kakovostne razrede in tudi ustrezno označijo. Pri digitalnih vezjih boljša kakovost izdelave pomeni sposobnost delovanja pri nekoliko višjih delovnih frekvencah. To znajo izdelovalci čipov tudi dobro zaračunati, saj lahko najboljši čip z okoli 10 % višjo dovoljeno delovno frekvenco na trgu strojne opreme dosežejo tudi dvakratnik cene povprečno kakovostnega funkcionalno enakega čipa.

Intelova pot do 10 nm mikroprocesorjev

Intelova pot do 10 nm mikroprocesorjev

Skrivnosti velikih mojstrov

Izboljšave postopka fotolitografije so že dolgo odločilne pri izdelavi čipov, saj omogočajo, da z istim materialom naredimo integrirano vezje z nekajkrat več tranzistorji. Čeprav je bilo v preteklosti precej izboljšav tudi pri drugih korakih izdelave čipov, so te manj pomembne in jih večinoma uporabljajo vsi izdelovalci.

Osnovno načelo delovanja fotolitografije izhaja iz fotografije oziroma iz postopka razvijanja klasičnih fotografij. Po tem, ko na silicijevo rezino nanesejo snov, občutljivo za svetlobo (fotorezist), površino na določenih mestih izpostavijo svetlobi z uporabo optične maske. Slednjo si lahko predstavljamo tako, kot če z računalniškim projektorjem projiciramo črno-bel geometrični vzorec (sliko) na steno, pri čemer bodo na steni osvetljeni isti deli kot na sliki v računalniku. Pri izdelavi čipov na osvetljenih mestih fotorezist spremeni kemično sestavo tako, da je mogoče osvetljena področja izjedkati ali pa nanje namesti nov material. Pri izdelavi modernih vezij CMOS (angl. complementary metal-oxide-semiconductor) je treba omenjeni fotolitografski postopek ponoviti tudi do 50-krat.

Potopitvena litografija

Ko so iskalci novih tehnoloških postopkov izdelave čipov pri zmanjševanju ločljivosti fotolitografije pod 45 nm pred leti skoraj ostali brez pravih idej, so na pomoč priskočili fiziki. Zrak med lečo projektorja in silicijevo rezino so nadomestili s tekočino, ki ima indeks refrakcije večji od 1. Proporcionalno s tem faktorjem je mogoče povečati tudi ločljivost fotolitografije za od 30 do 40 odstotkov. Kot tekočino danes uporabljajo visoko prečiščeno vodo.

Kljub temu je bilo treba pred komercialno rabo nove tehnologije rešiti številne praktične probleme. Izdelane so bile mnoge študije o tem, kako iz tekočine odstraniti morebitne zračne mehurčke in kako uravnavati temperaturo, pritisk tekočine na silicijevo rezino in absorpcijo tekočine v fotorezist. Vrhnjo plast fotorezista je bilo treba posebej kemično obdelati, tako da je nad njim nastala še ena zaščitna plast, odporna proti vodi. Obenem so morali zaščititi tudi lečo, da so preprečili korozijo. Zanimivo, da se je na koncu potopitvena litografija izkazala kot odpornejša na morebitne ostanke kontaminantov od klasične, saj je difuzija kontaminantov v fotorezist v vodi bistveno počasnejša kot v zraku.

Prvi velikoserijski izdelovalci čipov po tem postopku so bili ASML, Canon in Nikon. Največji, med katerimi so Intel, AMD, UMC, IBM in Toshiba, pa so ga začeli uporabljati do leta 2009. V Intelu so bili med zadnjimi, saj so si prej veliko obetali od ekstremne ultravijolične litografije, katere razvoj žal poteka veliko počasneje od prvotnih pričakovanj.

Hitrost izvajanja potopitvene fotolitografije pri velikoserijski proizvodnji tipično zanaša kar do pol metra na sekundo. Zato je čas izpostavitve fotorezista svetlobi minimalen. Glavna vzroka napak pri proizvodnji sta morebitna voda, ki ostane na silicijevi rezini po izvedenem postopku, ali pa slab nanos zaščitne plasti na plast fotorezista, pri katerem zaradi premajhne lepljivosti nastanejo zračni mehurčki.

Izdelava silicijevega ingota

Izdelava silicijevega ingota

Za dosego nekajkrat večje natančnosti morajo postopek fotolitografije tudi večkrat ponoviti. Najpogosteje uporabljajo »dvojno vzorčenje« (angl. double pattering), pri katerem najprej fotorezist osvetlijo s prvo optično masko, nato pa še z drugo in z vsako obdelajo del površine. Na ta način je mogoče dvakrat povečati natančnost fotolitografije. V Intelu razmišljajo tudi o trojnem vzorčenju, ki naj bi omogočilo okoli 15 nm natančnost, vendar mnogi menijo, da je trenutno edina ekonomsko upravičena možnost dvojno vzorčenje.

Ekstremna ultravijolična litografija

S fotolitografijo naslednje generacije, ki uporablja ultravijolično svetlobo z ekstremno majhno valovno dolžino, naj bi bili strokovnjaki že danes sposobni izdelati integrirana vezja s tranzistorji reda velikosti vsega 13,5 nm. Vendar naj bi ekstremna ultravijolična litografija (EUVL, angl. extreme immersion lithography) za velikoserijsko proizvodnjo zahtevala uporabo močnega, 20 kW laserja, ki za svoje delovanje ob 10 % izkoristku zahteva okoli 200 kW električne moči. Taki laserji so nekoherentni. Zato se optika EUVL, ki mora zagotoviti vsaj delno koherenco svetlobe, bistveno razlikuje od tiste, ki ju uporabljajo pri potopitveni ultravijolični fotolitografiji. Velika poraba energije ne preseneča, saj optika absorbira kar 96 % laserske svetlobe. Sicer vsaka snov, tudi zrak, delno absorbira ekstremno ultravijolično (EUV) svetlobo. Zato je treba EUVL izvajati v vakuumu. Leče, fotomaska, pa tudi silicijeva rezina morajo imeti poseben premaz (plast) iz molibdena in silicija, ki odpravi tudi manjše optične napake, ki bi bile lahko pri tolikšnih energijah svetlobnih žarkov pogubne za nastajajoče integrirano vezje. Žal tak premaz absorbira še okoli 30 % EUV svetlobe.

Keramična posoda za topljenje silicija za laboratorijske namene

Keramična posoda za topljenje silicija za laboratorijske namene

Za raziskovalne namene so že leta 2008 razvili stroje v kombinaciji z bistveno manj zmogljivim, 120 W laserjem z električno močjo okoli 4 kW, ki pa zmore na uro obdelati le 4 silicijeve rezine. Tehnologija kljub temu še danes ni zrela za velikoserijsko proizvodnjo. EUVL doslej tudi ni izpolnil pričakovanj glede povečanja ločljivosti fotolitografije. Strokovnjaki so ugotovili, da je slednja dodatno pogojena interakcija svetlobe s fotorezistom. Pojavlja se tudi naključni šum, še posebej pri osvetlitvi področij, manjših od 1500 kvadratnih nanometrov. Celo najboljši fotorezist ima mejno ločljivost med 15 nm in 20 nm. Zato imajo manjši elementi grobe robove. Težavo predstavlja tudi segrevanje optičnih komponent in silicijeve rezine med izvajanjem postopka v vakuumu. Ta problem je pri potopitveni litografiji lažje rešljiv, saj lahko visoko prečiščeno vodo, v kateri poteka postopek, učinkovito hladijo.

Izdelovalci strojev za raziskave in razvoj integriranih vezij z EUVL so njihovo prodajo načrtovali že za konec lanskega in začetek letošnjega leta. Zdaj kaže, da bo na orodja, ki bodo zmogla ločljivost, manjšo od 20 nm, treba počakati še vsaj kako leto. Zato naj velikoserijske proizvodnje integriranih vezij z uporabo EUVL ne bi bilo pričakovati pred letom 2015.

Od 22 nm do 5 nm tehnologije

Smele napovedi vodilnih izdelovalcev čipov o zmanjševanju velikosti tranzistorjev segajo vse do leta 2020, ko naj bili ti izdelani že po 5 nm tehnologiji. V številnih raziskovalnih laboratorijih velikih izdelovalcev čipov po vsem svetu se strokovnjaki trudijo izboljšati ločljivost fotolitografije. Vendar vedo, da je razmik med silicijevimi atomi v normalnih atmosferskih razmerah 0,58 nm (580 pm), kar pomeni, da vrata tranzistorja že pri 22 nm tehnologiji sestavlja le okoli 37 silicijevih atomov; pri 14 nm jih bo okoli 24, pri 5 nm tehnologiji pa zgolj 8. Vse manjše število atomov v praksi pomeni tudi slabše polprevodniške lastnosti in večje »puščanje« tranzistorjev, oziroma večjo porabo toka, s tem pa tudi večje segrevanje. Prav slednje je tisto, ki veliki meri otežuje gradnjo zmogljivejših mikroprocesorjev in hitrih dinamičnih pomnilnikov.

Že leta 2006 so korejski raziskovalci sporočili, da jim je uspelo narediti 5 nm, leta 2010 pa so avstralski strokovnjaki rekord za en atom izboljšali, saj jim je uspelo izdelati 4 nm tranzistor iz zgolj sedmih atomov silicija. Kljub temu bo treba pred velikoserijsko proizvodnjo rešiti še številne zapletene probleme.

Model večplastnega integriranega vezja

Model večplastnega integriranega vezja

Trenutno je na tem področju med vodilnimi tudi Samsing Electronics, ki je 15. novembra lani predstavil večpredstavno pomnilniško kartico s 64 GB pomnilnika, izdelano po 10 nm tehnologiji. Vendar to še ne pomeni, da je po tej tehnologiji že danes mogoče izdelati vsak čip. Velike bliskovne pomnilnike je zaradi enostavnejše zgradbe veliko lažje narediti kot procesorje z zelo raznolikimi funkcionalnimi enotami.

Letos naj bi v novi Intelovi tovarni, FAB 42, v Chandlerju v Arizoni v ZDA začeli kot prvi na svetu velikoserijsko proizvajati integrirana vezja po postopku s 14 nm (nanometrsko) potopitveno fotolitografijo. Če vemo, da je danes najbolj natančna litografija 22 nm, preprost izračun pokaže, da bo najmanjši tranzistor na novih vezjih velik vsega 2/3 današnjega. Gostota tranzistorjev na 1 mm2 se bo s tem povečala kar za 2,46-krat, prav toliko pa tudi število tranzistorjev v enako velikem integriranem vezju.

Večji procesorji in pomnilniki

Intel med marcem in junijem letos že načrtuje začetek prodaje novih procesorjev in osnovnih plošč s čipovnimi nabori z arhitekturo Haswell. V začetku bo proizvodnja tekla z 22 nm fotolitografijo, že kmalu pa tudi s 14 nm. Njena bistvena prednost je manjša poraba energije, kar omogočajo izboljšani tranzistorji MOSFET (tranzistor s poljskim učinkom na podlagi polprevodnika s kovinskim oksidom, angl. metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) s po dvoje vrati, ki so jih prvič uporabili že pri današnji arhitekturi Ivy Bridge. Intelovi strokovnjaki trdijo, da so z njimi dosegli dvakratno zmanjšanje porabe energije procesorjev pri enaki frekvenci delovanja, pri visoki porabi energije pa je mogoče 37 % hitrejše delovanje procesorja.

Ingot iz monokristalnega silicija

Ingot iz monokristalnega silicija

Večanje ločljivosti, vedno krajše valovne dolžine svetlobe in novi postopki izdelave čipov bodo še nekaj časa omogočali zmanjševanje velikosti tranzistorjev v njih, s tem pa tudi povečevanje zmogljivosti. Čeprav se bo frekvenca delovanja le počasi povečevala, se bo število tranzistorjev vsaj do leta 2020 še naprej večalo v skladu z Moorovim zakonov. Zato bosta paralelizacija in z njo število procesorskih jeder vse večja. Obenem bodo naraščale tudi velikosti vseh pomnilnikov v računalniku, od procesorskih predpomnilnikov do glavnega pomnilnika, pomnilnika grafične kartice in bliskovnega pomnilnika, ki bo prevzel vlogo današnjega diska. Vsi veliki svetovni izdelovalci zato tak pomnilnik tržijo pod oznako SSD (disk brez gibljivih delov, angl. solid state disk), čeprav to ni nikakršen disk, je le zelo zmogljiv trajni bliskovni pomnilnik iz enega ali več integriranih vezij.

Glede na večanje števila tranzistorjev v pomnilniških čipih lahko do leta 2020 pričakujemo približno (22 nm)2/(5 nm)2, oziroma približno 19-krat večjo zmogljivost že samo zaradi večjega števila tranzistorjev na isti površini. Če pa upoštevamo še, da bodo verjetno že kmalu začeli izdelovati tudi trirazsežne čipe s po več integriranimi vezji, naloženimi drugo na drugo, ali veliko plastmi v enem integriranem vezju, bo povečanje lahko tudi 100-kratno. Povprečen PC bi leta 2020 lahko imel okoli 1 GB tretjenivojskega predpomnilnika v procesorju in od 400 GB do 1 TB glavnega pomnilnika ter okoli 500 TB bliskovnega pomnilnika (angl. flash memory).

Vsi podatki v eni roki

Na dolgi rok bodo nove tehnologije izdelave čipov še bolj pomanjšale vse vrste osebnih računalnikov in strežnikov, od notesnikov, tablic, dlančnikov, mobilnih telefonov do minijev, namiznikov, stolpov in računalniških omar. Slednje bodo verjetno postale bolj podobne majhnim 100-litrskim hladilnikom.

Vendar ostaja odprto vprašanje o dejanskih potrebah po večji zmogljivosti. Razvoj na področju umetne inteligence še ni dosegel točke, ko bi si lahko z raznimi robotskimi pomočniki učinkovito olajšali razna domača opravila, kot sta pospravljanje in sesanje prahu. Če kdo meni, da so robotski sesalniki zadnji krik tehnike na tem področju, naj preveri, ali je mogoče vakuumsko ali vodno sesanje. Prav tako si ne moremo predstavljati, da bi nam hišni robot pripravil in v posteljo prinesel zajtrk, kot so si predstavljali pisci znanstvenofantastičnih zgodb v šestdesetih in sedemdesetih letih preteklega stoletja. Zato večina domači računalnik uporablja predvsem za dostop do interneta ter gledanje in poslušanje večpredstavnih vsebin iz tega omrežja. Precejšen del uporabnikov osebnih računalnikov sicer svoje stroje uporablja tudi za igranje računalniških igric; vendar ne nujno grafično in procesorsko najbolj požrešnih.

Številni manj zahtevni uporabniki bodo zato domači namiznik ali prenosnik že čez pet let zamenjali za računalnik »vse v enem« (vgrajen PC v tipkovnici, monitorju ali televizorju), dlančnik, tablico ali pa kar zmogljiv mobilni telefon s prednaloženo programsko opremo za pisarniško delo in dostop do interneta. Za udobno namizno delo bodo morali dokupiti le še monitor, tipkovnico, miško in bazno postajo. Slednja bo le preprost vmesnik z več vtičnicami USB in vtičnico HDMI za monitor. Tako bodo imeli vse svoje podatke vedno s seboj v bliskovnih pomnilnikih. Klasični diski bodo večinoma izumrli, redki bodo še nekaj časa »preživeli« v strežniških rešitvah.

Naraščanje števila tranzistorjev v mikroprocesorjih v skladu z Moorovim zakonom

Naraščanje števila tranzistorjev v mikroprocesorjih v skladu z Moorovim zakonom

Oblačna prihodnost

Obeta se tudi dokaj »oblačna« prihodnost računalništva. Z uvajanjem novih tehnologij se izdelovalci programske opreme trudijo, da bi si zagotovili stalne dohodke, pri čemer bi uporabnike svojih rešitev prisilili k rednemu plačevanju za njihove storitve, namesto enkratnega nakupa licence za programsko opremo. Strojna oprema sicer ponuja vse več možnosti za hitro obdelavo podatkov, vendar bo vse manj osebnih računalnikov, ki bodo omogočali učinkovito shranjevanje podatkov na zunanje enote. Medtem ko imajo notesniki vsaj zapisovalnik plošč DVD, zahtevajo tablice, prenosni telefoni in nekateri mini PCji dokup zunanje enote. Mnogi se bodo namesto tega raje odločili za sodelovanje v katerem od računalniških oblakov, ki omogočajo hrambo podatkov in druge storitve za sorazmerno majhno mesečno naročnino, a tej se ne moremo izogniti, če podatkov ne želimo izgubiti. Številni uporabniki bodo oblake prisiljeni uporabljati, saj veliko aplikacij ne bo omogočalo drugih oblik shranjevanja podatkov. Na to namiguje že Windows 8, v katerega je Microsoft vgradil podporo namestitvi aplikacij za vmesnik metro le na način, da jih kupimo in namestimo neposredno iz njihove spletne trgovine. Namestitev iz drugih virov brez ustrezne strežniške programske opreme ni mogoča.

Že res, da je danes »oblačno« računalništvo poceni, a ko bodo ponudniki »oblačnih« storitev shranili dovolj podatkov številnih uporabnikov, bodo iz njih odstranili osebne podatke in jih drago prodali zainteresiranim podjetjem za trženjske raziskave, ali pa bodo uporabo oblakov začeli mastno zaračunavati. Prehod nazaj na krajevno hrambo podatkov bo zelo težak, če že ne nemogoč, zaradi nezdružljivih načinov zapisa podatkov, ki jih bodo uporabljale »oblačne« aplikacije.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

ph

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki