Компьютерный чип представляет собой сложную систему электронных схем, нанесенных на тонкую пластину из кремния. Транзисторы, составляющие эти схемы, работают как крошечные переключатели, управляющие потоком электричества.
Первый коммерческий микропроцессор Intel 4004, выпущенный в 1971 году, включал 2300 транзисторов и стал первым устройством, в котором использовалась технология кремниевых затворов, значительно увеличившая плотность схем. С тех пор технология шагнула далеко вперед: современный процессор Intel i9-12900K 12-го поколения содержит 3 млрд транзисторов шириной всего 7 нанометров, а чип Apple M1 Max насчитывает 114 млрд транзисторов, выполненных в масштабе 5 нанометров.
Шаги в производстве чипов
1. Дизайн
Создание чипа начинается с проектирования его структуры. Инженеры используют специализированные программные средства для разработки схемы чипа, которая определяет, как транзисторы и другие компоненты будут расположены на кристалле.
2. Фабрикация
Кремний — основной материал для создания чипов благодаря своим проводящим и изолирующим свойствам. В отличие от металлов, кремний обладает уникальной способностью изменять свою проводимость при смешивании с фосфором или бором, что позволяет управлять потоком электрического тока. Несмотря на то, что кремний является одним из самых распространенных элементов на Земле, его добыча требует применения кварцевого песка, содержащего диоксид кремния. Этот песок расплавляется и формируется в крупные цилиндры, которые затем нарезаются на тонкие пластины.
После завершения дизайна начинается физическое изготовление чипа. Процесс включает следующие этапы:
— Литография. Тонкий слой материала (обычно кремний) покрывается светочувствительной резистивной маской. Затем свет, проходящий через специальный шаблон, формирует рисунок схемы на маске. Фотолитография позволяет создать многослойные электронные компоненты на кремниевых пластинах, значительно уменьшая размер транзисторов. Этот этап может повторяться многократно для создания многослойных чипов, однако увеличение количества слоев может привести к перегреву и снижению производительности.
— Травление. В соответствии с рисунком, излишки материала удаляются, обнажая необходимую структуру.
— Легирование. Для изменения электрических свойств кремния его обрабатывают специальными примесями.
— Нанесение слоев. Проводящие и изолирующие слои наносятся с помощью различных процессов, таких как напыление и химическое осаждение.
Современные микрочипы — это своего рода небоскребы в мире микротехнологий. Они могут иметь до 100 слоев, каждый из которых должен быть идеально выровнен с точностью до нанометра. Технология наложения предполагает применение разных литографических систем для каждого слоя.
3. Тестирование
После изготовления чипы проходят серию тестов для проверки их функциональности и производительности. Термин «выход» относится к проценту микросхем, которые выдерживают эти испытания. В зависимости от производителя идеальным считается выход не менее 90%.
Чистота воздуха в производственных помещениях играет решающую роль в итоговом качестве микрочипов. Мельчайшая пылинка или посторонний материал могут стать причиной дефекта в микросхеме. Помещения на производстве примерно в 10 тысяч раз чище, чем обычный городской воздух. Большинство из них соответствуют классу ISO 1, что означает, что в воздухе на кубический метр может находиться не более 10 частиц размером от 100 до 200 нанометров. Для сравнения: в воздухе обычной больницы на кубический метр приходится около 10 тысяч пылевых частиц.
Воздух в таких чистых помещениях постоянно фильтруется и рециркулируется, а персонал носит специальную одежду, которая препятствует попаданию частиц в воздух.
Архитектура чипов
В полупроводниковой отрасли термин «архитектура» обозначает архитектуру набора команд (ISA), представляющую собой детальный свод правил и спецификаций, определяющих, как микросхема обрабатывает данные и выполняет инструкции. ISA играет ключевую роль, так как формирует базис, на котором чип «понимает» типы команд, с которыми он может работать, управляет форматами данных и регулирует использование регистров для временного хранения информации во время вычислительных процессов.
Архитектура чипа определяет его способность выполнять задачи и включает в себя следующие компоненты:
— Транзисторы. Основной элемент чипа, выполняющий функции переключения и усиления сигналов. Чем больше транзисторов вмещает чип, тем более сложные операции он способен выполнять.
— Ядра. Современные процессоры обычно имеют несколько ядер, что позволяет выполнять несколько задач одновременно, улучшая производительность.
— Кэш-память. Быстрая память, расположенная внутри чипа, обеспечивает быстрый доступ к часто используемым данным, снижая задержки в работе.
— Интерконнект. Связи между различными компонентами чипа. Эффективная архитектура интерконнектов позволяет быстрее передавать данные между частями чипа.
В современном мире доминируют две основные категории архитектур чипов:
1. X86 — это архитектура со сложным набором команд (CISC), разработанная Intel. Она широко используется в персональных компьютерах и рабочих станциях, предлагая высокую производительность. AMD также производит процессоры на основе лицензий x86.
2. RISC. Архитектуры RISC (Reduced Instruction Set Computing) упрощают набор инструкций, позволяя быстрее их выполнять и снижая энергопотребление. Это делает их идеальными для мобильных устройств, встроенных систем и серверов.
Известные архитектуры RISC:
— Архитектура ARM. Эта популярная архитектура доминирует на рынке мобильных устройств, обеспечивая питание смартфонов и планшетов различных производителей. Она отличается своим соотношением производительности и энергоэффективности.
— Архитектура MIPS. Часто используется во встраиваемых системах, таких как маршрутизаторы, принтеры и другие сетевые устройства, для которых приоритетным является низкое энергопотребление.
— Другие архитектуры RISC. Другие архитектуры RISC включают PowerPC (используется в некоторых высокопроизводительных вычислительных приложениях) и SPARC (используется в некоторых серверных средах).
Кроме этого, компании разрабатывают пользовательские архитектуры для специфического применения, например, машинного обучения и автономного вождения автомобилей.
Таким образом, микрочипы представляют собой плод кропотливой работы и передовых технологий. Каждая микросхема — это результат усилий множества специалистов и передового оборудования, направленных на создание высококачественного продукта. Эти маленькие устройства являются движущей силой технологического прогресса, обеспечивая работу миллионов различных гаджетов и систем, которые делают нашу жизнь проще и удобнее.
