09.07.2018, Пн, 13:52, Мск , Текст: Дмитрий Степанов

Китайская компания Hygon начала производство x86-совместимых серверных процессоров Dhyana на базе архитектуры AMD Zen, за лицензирование технологии производства которых заплатила $293 миллиона. Развертывание производства собственных чипов призвано составить конкуренцию решениям триумвирата Intel, VIA и AMD на внутреннем рынке Китая, а также помочь в повышении уровня независимости от импорта, что особенно важно в условиях разгоревшейся торговой войны с США.

Новый процессор для внутреннего рынка

Hygon, китайский производитель полупроводниковых изделий, начал серийное производство серверных x86-совместимых процессоров на микроархитектуре AMD Zen под брендом Dhyana. Таким образом, Hygon стал четвертым в мире игроком на рынке x86-микросхем, в перспективе способным составить конкуренцию Intel, VIA и AMD. Микросхемы разработаны компанией Chendgdu Haiguang IC Design Co., совместным предприятием Hygon и AMD.

О создании совместной компании было объявлено в мае 2018 г. По оценке Forbes, стоимость сделки по приобретению прав на использование технологий AMD составила $293 млн. Также в соответствии с условиями сделки AMD будет получать регулярные денежные отчисления, так называемые роялти, по истечении срока действия лицензии на использование интеллектуальной собственности компании. Кроме того, соглашение не запрещает AMD продвигать собственные x86-совместимые процессоры на территории Китая.

Как утверждает AMD, компания не предоставляет китайским партнерам окончательного дизайна микросхем. Вместо этого она позволяет им использовать собственные наработки для проектирования чипов, нацеленных исключительно на внутренний китайский рынок. Тем не менее, новые процессоры, судя по всему, обладают минимальными отличиями от линейки серверных микросхем AMD Epyc первого поколения – для обеспечения поддержки Dhyana ядром Linux разработчикам пришлось добавить лишь новые идентификаторы вендоров и номера серий. Размер патча для Linux, отправленного Hygon, не превышает 200 строк.

x86-процессор Dhyana практически ничем не отличается от оригинального AMD Epyc

Также стоит отметить, что новые микросхемы, в отличие от оригинальных AMD Epyc, поставляющихся в виде отдельной микросхемы для установки в разъем на материнской плате, принадлежат к классу SoC-решений (System on Chip – система на кристалле), то есть распаиваются непосредственно на материнской плате.

Китай продолжает инвестировать в x86-совместимые чипы

Информация о новых чипах возникла на фоне набирающей в последнее время обороты торговой войны между США и Китаем. Подобное развитие событий, вероятно, способствует укреплению в головах руководителей КНР давней уверенности в том, что налаживание собственного производства x86-совместимых микропроцессоров является стратегически важной задачей для государства.

Напомним, что в 2015 г. администрация Барака Обамы (Barack Obama), действующего на тот момент президента США, запретила экспорт серверных процессоров Intel Xeon из-за опасений по поводу того, что поставка чипов может существенно упростить реализацию китайской ядерной программы.

В данной ситуации достижение договоренностей с AMD пришлось как нельзя кстати. Сделка, по-видимому, выгодна и безопасна для обеих сторон. Сложная структура совместной компании позволяет AMD лицензировать собственные технологии, не нарушая законов и запретов, при этом гарантируя себе прибыль как в краткосрочной, так и в среднесрочной перспективе, без осуществления каких-либо существенных капиталовложений. Китайская же сторона получает возможность усилить собственную независимость от импорта и дать бой конкурентам в лице Intel и VIA, занимающим доминирующее положение на рынке x86-микросхем.

Hygon не единственный китайский производитель микроэлектроники, инвестирующий в импортозамещение в области x86-совместимых микросхем. Например, компания Zhaoxin Semiconductor в партнерстве с VIA также занимается производством продукции данного вида.

В начале 2018 г. Zhaoxin Semiconductor анонсировала линейку новых x86-совместимых микропроцессоров Kaixian KX-5000 на архитектуре WuDaoKou, выполненных в соответствии с 28-нанометровым технологическим процессом. Производительность восьмиядерной новинки позволила продемонстрировать достойный результат на уровне Intel Atom C2750 в синтетических тестах.

Ни для кого не секрет, что производственные фабрики компании Intel на данный момент являются одними из ведущих фабрик в мире по уровню технической оснащенности. Чем они отличаются от суровых Челябинских труболитейных заводов? А давайте посмотрим.

3 x Easter eggs

Эта статья может быть в первую очередь полезна тем, кто хочет построить свою фабрику для производства процессоров – если подобная мысль у вас хоть раз возникала, то смело заносите статью в закладки;) Для того, чтобы понять, о каких масштабах идет речь, я советую ознакомиться с предыдущей статьей под названием «Трудности производства процессоров ». Важны понимать масштабы не столько самой фабрики (хотя и их тоже), сколько самого производства – некоторые «детальки» современных процессоров делаются буквально на атомарном уровне. Соответственно и подход здесь особый.

Понятное дело, что без заводов в производстве не обойтись. На данный момент у компании Intel есть 4 завода, способных массово производить процессоры по технологии 32нм: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико.

Устройство завода

Высота каждой фабрики Intel по производству процессоров на 300-мм кремниевых пластинах составляет 21 метр, а площадь достигает 100 тысяч квадратных метров. В здании завода можно выделить 4 основных уровня:

Уровень системы вентиляции
Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов – самая маленькая пылинка, оказавшаяся на кремниевой пластине, способна уничтожить тысячи транзисторов. Поэтому важнейшим условием производства микропроцессоров является стерильная чистота помещений. Уровень системы вентиляции расположен на верхнем этаже - здесь находятся специальные системы, которые осуществляют 100% очистку воздуха, контролируют температуру и влажность в производственных помещениях. Так называемые «Чистые комнаты» делятся на классы (в зависимости от количества пылинок на единицу объема) и самая-самая (класс 1) примерно в 1000 раз чище хирургической операционной. Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.

Уровень «чистых комнат»
Этаж занимает площадь нескольких футбольных полей – именно здесь изготавливают микропроцессоры. Специальная автоматизированная система осуществляет перемещение пластин от одной производственной станции к другой. Очищенный воздух подается через систему вентиляции, расположенную в потолке, и удаляется через специальные отверстия, расположенные в полу.
Помимо повышенных требований к стерильности помещений, «чистым» должен быть и работающий там персонал - только на этом уровне специалисты работают в стерильных костюмах, которые защищают (благодаря встроенной системе фильтрации, работающей от батареи) кремниевые пластины от микрочастиц текстильной пыли, волос и частиц кожи. Такой костюм называется «Bunny suit» - чтобы надеть его в первый раз, может потребоваться от 30 до 40 минут. Специалистам компании для этого требуется порядка 5 минут.

Нижний уровень
Предназначен для систем поддерживающих работу фабрики (насосы, трансформаторы, силовые шкафы и т.п.). Большие трубы (каналы) передают различные технические газы, жидкости и отработанный воздух. Спецодежда сотрудников данного уровня включает каску, защитные очки, перчатки и специальную обувь.

Инженерный уровень
По назначению является продолжением нижнего уровня. Здесь находятся электрические щиты для энергоснабжения производства, система трубопроводов и воздуховодов, а так же кондиционеры и компрессоры.

Пыль - мелкие твёрдые тела органического или минерального происхождения. Пыль - это частички среднего диаметра 0,005 мм и максимального - 0,1 мм. Более крупные частицы переводят материал в разряд песка, который имеет размеры от 0,1 до 1 мм. Под действием влаги пыль обычно превращается в грязь.

Интересные факты
В плотно запертой с закрытыми окнами квартире за две недели оседает порядка 12 тысяч пылевых частиц на 1 квадратный сантиметр пола и горизонтальной поверхности мебели. В этой пыли содержится 35 % минеральных частиц, 12 % текстильных и бумажных волокон, 19 % чешуек кожи, 7 % цветочной пыльцы, 3 % частиц сажи и дыма. Оставшиеся 24 % неустановленного происхождения.
Подсчитано, что один гектар газона связывает 60 тонн пыли.

Для постройки фабрики такого уровня требуется около 3 лет и порядка $5млрд – именно эту сумму должен будет «отбить» завод в последующие 4 года (к тому времени как появятся новые технологический процесс и архитектура; необходимая для этого производительность – порядка 100 рабочих кремниевых пластин в час). Если после этих цифр ни одна мышца на вашем лице не дрогнула, то вот вам (уже для внесения в смету) еще немного приблизительной статистики. Для постройки завода требуется:
- более 19 000 тонн стали
- более 112 000 кубических метров бетона
- более 900 километров кабеля

Наглядный процесс строительства одной из фабрик компании (заливал в HD):

Intel Copy Exactly

У большинства производителей полупроводниковой электроники оборудование и процессы, используемые в лабораториях для исследований и разработок, отличаются от того, что применяется на заводах по производству самой продукции. В связи с этим возникает проблема – при переходе с опытного производства на серийное, часто возникают непредвиденные ситуации и прочие задержки, возникающие из-за необходимости дорабатывать и адаптировать технологические процессы – в общем, делать всё для достижения наивысшего процента выхода годной продукции. Помимо задержки серийного производства это может привести и к другим осложнениям – да хотя бы к изменениям в значениях параметров техпроцесса. Соответственно, результат может получиться непредсказуемым.
У компании Intel в такой ситуации свой подход, который называется Copy Exactly . Суть данной технологии – в полном копировании лабораторных условий на строящиеся фабрики. Повторяется все до мелочей - не только само здание (конструкция, оборудование и настройки, трубопроводная система, чистые комнаты и покраска стен), но и входные/выходные параметры процессов (которых более 500!), поставщики исходных материалов и даже методики обучения персонала. Все это позволяет работать фабрикам в полную силу практически сразу после запуска, но и это не главный плюс. Благодаря такому подходу фабрики имеют большую гибкость – в случае аварии или реорганизации, начатые на одном заводе пластины смогут быть сразу «продолжены» на другом, без особого ущерба для бизнеса. Подобный подход по достоинству оценили конкурирующие компании, но почему-то практически никто его больше не применяет.

Как я уже говорил, в зале вычислительной техники Московского Политехнического музея компания Intel открыла свою экспозицию, одну из самых крупных в зале. Стенд получил название «От песка до процессора » и представляет собой достаточно познавательную конструкцию.

Во главе зала стоит «Chipman» в точной копии костюма, которые применяются на заводах корпорации. Рядом – макет одной из фабрик; неподалеку стоит стенд, внутри которого находятся «процессоры на разных этапах» - куски оксида кремния, кремниевые пластины, сами процессоры и т.д. Все это снабжено большим количество информации и подкреплено интерактивным стендом, на котором любой желающий может рассмотреть устройство процессора (передвигая ползунок масштаба – вплоть до молекулярного строения). Чтобы не быть голословным, вот пара фотографий экспозиции:

В понедельник будет статья про само производство процессоров. А пока снова откиньтесь на спинку стула и посмотрите (желательно в HD) этот видеоролик:

Сердцем компьютера называют процессор (processor), являющийся его основным обрабатывающим данные устройством. Деталь имеет вид набора микросхем и отвечает за вычислительные процессы. Как выбрать процессор для компьютера – важнейший вопрос при покупке техники. От производительности данной детали во многом зависит общая скорость работы системы. Чтобы не сожалеть о своем приобретении, выбирайте комплектующие с учетом их характеристик.

Основные характеристики процессора

Производитель. Выделяют двух основных конкурентов, выпускающих процессоры для компьютеров – это AMD и Intel. Вторая фирма считается лидером, разрабатывающим сверхсовременные технологии. Главное преимущество компании АМД перед Интел – относительно низкие цены. Причем продукция первой уступает второй в производительности незначительно (в среднем, на 10%), но стоимость имеет ниже в 1,5-2 раза.
Что такое тактовая частота процессора? Этот параметр определяет, сколько операций способно выполнить устройство за секунду. На что влияет частота процессора: высокий показатель данной характеристики обещает быструю обработку данных компьютером. Параметр считается одним из важнейших при выборе устройства. Как узнать частоту в ОС Windows: необходимо вызвать правой клавишей мыши меню свойств на значке «Мой компьютер».
Количество ядер. Этот показатель влияет на число программ, которые возможно запустить на ПК без потери его производительности. Устаревшие модели компьютеров оснащены четырехъядерными или двухъядерными процессорами. Новые устройства, выпущенные в течение последних лет, имеют 6- и 8-ядерные детали. Однако если программное обеспечение оптимизировано под двухъядерный ПК, большее число ядер не ускорит его работу. На коробке детали можно увидеть буквенно-числовую маркировку, расшифровка которой предоставит данные о количестве ядер.
Частота системной шины. Характеристика говорит о скорости потоков входящей или исходящей информации. Чем выше показатель, тем быстрее осуществляется обмен информацией.
Кэш-память. Большую роль в работе ПК играет кэш процессора, который имеет вид высокоскоростного блока памяти. Деталь располагается непосредственно на ядре и необходима для повышения производительности. Благодаря ей обработка данных происходит быстрее, чем в случае с оперативной памятью. Есть 3 уровня кэш-памяти – от L1 до L3. Первые два имеют небольшие объемы, но уверенно выигрывают третьи, предусматривающие большую вместительность – за счет скорости работы.
Тип разъема (сокет). Данная характеристика не считается первостепенной, однако имеет определенную актуальность при выборе устройства. Сокет – это «гнездо» в материнской плате, в которое помещается процессор, поэтому оно должно быть совместимо с выбранной деталью. К примеру, если сокет имеет маркировку АМЗ, необходим соответствующий разъем на материнской плате. Последние модели оснащены современными типами «гнезд» и зачастую имеют улучшенные характеристики (частота шин и другие).
Энергопотребление и охлаждение. Мощные современные устройства оказывают негативное влияние на энергопотребление компьютера. Чтобы избежать перегрева деталей и их поломки, используют специальные вентиляторы (кулеры). Для используют показатель TDP, указывающий на количество тепла, необходимого в отводе. На основе этой величины подбирается определенная модель системы охлаждения.

Чем отличаются AMD от Intel

Часто задаваемым вопросом среди желающих приобрести процессор является: «Что лучше АМД или Интел?». Главным отличием является технология гиперпрочности и увеличенный вычислительный конвейер, которыми обладают модели Intel. Благодаря этому устройства быстрее выполняют ряд задач: архивируют файлы, проводят кодировку видео, выполняют прочие задачи. Детали от AMD не хуже справляются с перечисленными заданиями, но тратят на это больше времени. Каждый определяет сам: какой процессор лучше Интел или АМД.

Чтобы упростить выбор, ознакомьтесь с достоинствами продукции обоих производителей. Сравнение процессоров AMD и Intel:

Преимущества Интел	Преимущества АМД
Высокая скорость работы ПК	Оптимальное соотношение цены и качества
Экономичное энергопотребление	Стабильность работы системы
Высокая производительность в играх	Многозадачность
Многопоточность Core i7 и i3 дает дополнительную производительность	Возможность ускорить работу процессов на 5-20%
Прекрасно настроенная работа с оперативной памятью	Мультиплатформенность (возможность собрать ПК из деталей разных поколений фирмы АМД)

Какой процессор выбрать для компьютера

Ответ на поставленный вопрос зависит от тех задач, которые должен будет выполнять ПК. Так, при выборе игрового компьютера внимание стоит уделить модели видеокарты, поскольку графический адаптер несет ответственность за поддержку определенных технологий и уровня производительности в играх. Однако без правильно подобранного центрального процессора видеокарта не раскроет своего потенциала. Для работы с другими программами или использования ПК в офисе подходят менее требовательные детали.

Для игр

Как выбрать процессор для игрового компьютера? К «геймерскому» ПК предъявляется ряд требований. Устройство должно уметь обрабатывать как минимум четыре потока данных. Результаты тестов доказали, что технология Intel Hyper-Treading увеличивает число кадров в секунду. Специалисты считают оптимальными для игрового ПК модели Интел Core i5. Детали от АМД показывают меньшую производительность. Если в линейке от Интел со своими задачами справляются 4-ядерные устройства, то их конкуренты показывают такой же результат с 8-ядерными аналогами. Какой процессор выбрать для игр?

Топ устройств для игр:

Intel Core-i5 Ivy Bridge (четырехъядерный);
Intel Core i5-4440 Haswell (четырехъядерный);
AMD FX-8350 Vishera (восьмиядерный).

Для использования дома или в офисе

Браузеры и другие необходимые для офисной работы программы нуждаются во внушительном объеме оперативной памяти, но практически не нагружают жесткий диск и процессор. Поэтому выбирать лучше компьютер с большим объемом памяти. Однако производительностью процессора тоже пренебрегать не стоит. Согласно результатам тестирования, удачным решением станут модели из линеек Intel Core i3 или i5.

Список бюджетных устройств для офиса:

Intel Celeron G1820;
AMD ATHLON II X2 255;
AMD ATHLON II X4 750K;
AMD A8-6600K.

Для работы с требовательными программами

К данной категории относятся детали, функция которых – обеспечивать быструю работу требовательных программ, к примеру, видео-, графических редакторов и др. Устройства такого типа относятся к дорогим комплектующим и отличаются максимальным быстродействием. Эта категория процессоров часто интересует геймеров, которые хотят добиться лучшего качества изображения во время игры.

Обзор лучших устройств для требовательных программ:

AMD FX-8350 (8-ядерный). Идеально подходит для игр и других программ, рассчитанных на . Отличается быстродействием и оправданной ценой.
Интел i7-4770 (4-ядерный). Запускает игры на максимально высоких настройках, работает быстро, идеально оптимизирован для видеокарт от Интел.

Рейтинг лучших процессоров для ПК 2019 года

Intel Core i7-990x. Идеален для игрового ПК последнего поколения. Устройство предназначено для разъема 1366, оснащено 6 ядрами, имеет частоту в 3,46 гГц и 12 мегабайтами кэш-памяти. Примерная стоимость: 38 000 р.
Intel Core i7-3970X Extreme Edition. Одна из самых популярных моделей. Оснащена 6 ядрами, имеет 15 Мб кэш-памяти и 3,5 гГц тактовой частоты. Отлично работает с любыми новыми требовательными играми и программами. Примерная стоимость: 46 000 р.
Intel Core i5-4690K. Недорогая модель покажет прекрасные результаты в плане быстродействия. Если сравнить i5-4690K с другими устройствами, оно выгодно выделяется благодаря соотношению цены/качества. Процессор оснащен кэш-памятью третьего уровня, имеет 3,5 гГц тактовой частоты и 4 ядра. Примерная стоимость: 22 000 р.
AMD FX-9370. Самый мощный процессор AMD имеет новый сокет АМ3+ и 8 ядер, развивающих максимальную частоту до 4,4 гГц. Модель оборудована 8 Мб кэш-памяти, что позволяет улучшить работу ПК и использовать любые программы, игры. Примерная стоимость: 20-22 000 р.
Intel Xeon E3-1230 v3. Четырехъядерное устройство относится к четвертому поколению процессоров от Интел. Оно оснащено сокетом типа 1150, который считается лучшим среди существующих. Тактовая частота Xeon E3-1230 v3 – 3,3гГц, объем памяти кэш равен 8 Мб. Примерная стоимость: 22 000 р.

Таблица тестов процессоров 2015 года

Чтобы понять, как выбрать процессор для компьютера, следует ознакомиться с результатами их тестирования. Устройства проходят испытания на базе ОС Windows 7 (64-bit). Для этого подбираются определенные программы, чтобы раскрыть потенциал многопоточности, определить, есть ли поддержка технологий AMD Turbo CORE (динамического разгона) и Intel Turbo Boost Technology, возможно ли использовать новые SIMD. Результаты испытания выражаются в процентах от производительности самого быстрого среди существующих устройств, имеющего 100% результат.

Сводная таблица производительности процессоров:

Название	Результат
Intel Core i7-5930K BOX
Intel Core i7-4960X Extreme
Intel Core i7-4960X Extreme BOX
Intel Core i7-5820K BOX
Intel Core i7-4790K
Intel Core i7-4790K BOX
Intel Core i7-4790
Intel Core i7-4790 BOX

Intel Core i7-4820K BOX
Intel Xeon E3-1240 V2

Intel Xeon E3-1230 V2

При желании приобрести процессор вам стоит изучить его характеристики. К примеру, в погоне за частотой, многие забывают об особенностях ядра конкретного изготовителя, что негативно влияет на производительность компьютера. Чтобы остаться удовлетворенным покупкой, необходимо учесть параметры устройства и его совместимость с другими деталями. Узнайте, как выбрать подходящий процессор для компьютера, посмотрев предложенное видео.

Нашли в тексте ошибку? Выделите её, нажмите Ctrl + Enter и мы всё исправим!

Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.

А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?

Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.

Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа. Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Как сегодня делают процессоры

Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.

Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.

Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.

Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.

На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.

Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.

После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.

Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.

Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.

Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.

13 000 телевизоров

Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.

До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.

К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.

Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.

Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.

Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.