Новые технологические процессы,
предельная частота переключения и роль генерируемых процессором помех
в ограничении его тактовой частоты

на страницах сайта 

www.electrosad.ru

Уважаемые читатели! Хочу рассказать здесь о взаимосвязях перечисленных в заголовке характеристиках процессора, их взаимном влиянии в перспективе перехода на более тонкие технологические процессы. Это важно поскольку продолжается стремление Intel к более тонким технологическим процессам. Хотя уже сейчас угадывается потеря темпа. С чем это связано Вы поймете прочитав статью. Возможно кое что придется повторить из того что описано в других статьях в этом разделе моего сайта.

 
 

1. Техпроцессы, немного истории.

На первых порах в микроэлектронике понятие технологический процесс включало в себя последовательность технологических операций и применяемое оборудование (технологию) при производстве микроэлектронных компонентов.

При производстве микроэлектронных компонентов, в 70х годах прошлого века, использовалось ключи (вентили) имеющие различные схемы исполнения - это n-МОП, КМОП, И2Л, p-МОП, ТТЛ, ЭСTЛ. При производстве каждого вида использовался свой набор и последовательность технологических операций.

В результате поисков для производства процессоров остановились сначала на трех видах структур - n-МОП, КМОП, p-МОП основываясь на совокупности их характеристик, а потом стали использовать КМОП структуры, как наиболее перспективные при большом количестве ключей в чипе. Это - малая потребляемая мощность, высокое быстродействие при малом количестве технологических операций.

Поэтому со временем, понятие техпроцесс стали связывать с характерным размером элементов (транзисторов) формируемых в процессе изготовления микроэлектронного узла. Тем более что понятие техпроцесс (как технология) в большей степени стало определяться именно размером элементов.

Если привести ряд размеров (технологий) за всю историю производства микроэлектронных дискретных (цифровых) узлов, то он будет выглядеть так:

 

Год 1981 1982 1989 1992 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005*/ 2006 2007*/ 2008 2009*/ 2011
Техпроцесс мкм 3 1,5 1 0,8 0,5 0,35 0,25 0,18 0,13 0,9 0,065 0,045 0,032

Таблица 1.

 

Подробнее можно посмотреть таблицу здесь.

Знаком * помечены плановые сроки освоения технологий.

Освоением техпроцесса можно считать только выпуск в продажу процессоров.

 

1.1 Материал для чипов

Материалом для производства чипов сейчас является кремний - Si.

Причем не просто кремний, а монокристаллический сверхчистый кремний, с содержанием вредных (посторонних) примесей на уровне менее 0,00000001%. Для получения такой чистоты используется специальная, многоступенчатая технология очистки.

Для производства полупроводниковых приборов и чипов, за всю историю, применялись монокристаллы диаметром D = 30, 60, 90, 150, а сейчас их размер вырос до 300 мм и в дальнейшем планируется увеличение до 450 мм.

Хотя об использовании пластин диаметром 150 мм в Зеленограде в сентябре 2008 года подавалось в прессе как достижение. Насколько известно, оборудование закуплено у AMD, и даже возможно б.у.

Но кристалл это только заготовка.

Дальше его режут на тонкие пластины (h = 200 - 500 мкм (0.2 – 0,5 мм)), определенным образом ориентированные по осям кристаллической решетки.

Пластины для продолжения работы с ними требуется обработать.

Для этого надо убрать образующиеся в процессе резки микротрещины и неровности (шероховатость) поверхности.

Ведь нельзя строить необходимую Вам структуру, когда неровности на поверхности кристалла (пластины) соизмеримы по размерам с элементами этой структуры. Поэтому поверхность кристалла надо выровнять - шлифовать, полировать. Это многоэтапный процесс включающий  шлифовку -> механическую полировку -> химическую полировку. Поскольку абсолютно плоскую поверхность получить невозможно, то неровности на поверхности пластины должны быть много меньше размера самого малого элемента структуры чипа формируемого на ней. И чем меньше этот элемент тем лучше (ровнее) должна быть та поверхность.

Пластины должны иметь заданную толщину, для использования стандартной оснастки при изготовлении и поддержания одинаковых условий на поверхности пластины в процессе выполнения операций с ней.

 

1.2 Что такое техпроцесс

Техпроцесс представляет собой последовательную цепочку операций легирования, диффузии, маскирования, нанесения электрических соединений между элементами. Когда-то, для производства КМОП чипов, их требовалось 11, сейчас, из-за усложнения структуры около 20.

Обычно на фабриках Intel продолжительность выпуска партии из 25 подложек (пластин) составляет от 81 до51 дня.

Технологический процесс описывают так :

"Производство чипов заключается в наложении тонких слоёв со сложным "узором" на кремниевые подложки. Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор. Сверху затем накладывается фоторезистивный материал, а нежелательные участки удаляются с помощью масок и высокоинтенсивного облучения. Когда облучённые участки будут удалены, под ними откроются участки диоксида кремния, который удаляется с помощью травления. После этого удаляется и фоторезистивный материал, и мы получаем определённую структуру на поверхности кремния. Затем проводятся дополнительные процессы фотолитографии, с разными материалами, пока не будет получена желаемая трёхмерная структура. Каждый слой можно легировать определённым веществом или ионами, меняя электрические свойства. В каждом слое создаются окна, чтобы затем подводить металлические соединения."

Последовательное выполнение операций позволяет вводить в исходную пластину легирующие примеси. Это может делаться как в строго ограниченных областях поверхности, так и по всему объему пластины. Для этого применяются процессы диффузии, легирования, маскирования, фотолитографии и металлизации.

Легирование - (нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю) — введение в исходный материал дополнительных элементов, например для создания "напряженного кремния" последний легируется германием (выполняется во время роста монокристалла),

Диффузия - (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса вещества нужного химического элемента из области с высокой концентрацией (источника) в область где оно отсутствует или имеет низкую концентрацию,

Маскирование - создание защитного слоя (маски) с окнами в нужных местах для выполнения в них технологических операций (окисления, металлизации, диффузии, легирования, ...,

Фотолитография - процесс создания с помощью масок и источника света, на поверхности пластины покрытой светочувствительным материалом и химической обработки открытых участков пластины на которых выполняются операции.

Наиболее часто повторяемая операция в техпроцессе при изготовлении чипов - это фотолитография.

А сейчас когда линейные размеры элементов на чипе приближается к длине волны видимого света приходится смещать спектральный состав источников света для фотолитографии в область синего и ближнего ультрафиолета. Это необходимо для того чтобы избежать искажений формы и размеров экспонируемых изображений, за счет известных оптических явлений.

Технологический процесс это последовательность операций которая позволяет из заготовки - пластины путем последовательных операций позволяет произвести чип с заданными характеристиками.

Техпроцесс это объемистый документ, в нескольких словах самый начальный участок техпроцесса (создание транзисторных структур) выглядит так:

  1. Готовая (полированная и очищенная пластина) поступает на технологическую линию,
  2. На рабочей стороне пластины, путем термического окисления, создается защитная пленка окиси кремния SiO2,
  3. На поверхность окисленной пластины наносится фоторезист, который после высыхания экспонируется через маску (фотошаблон) ультрафиолетовым светом,
  4. Смываются засвеченные его участки, таким образом освобождая для дальнейшей обработки зону где формируются транзисторы,
  5. В окнах свободных от окисла осуществляется диффузия легирующей примеси для создания канала транзистора,
  6. И далее,......

Часть операций техпроцесса направлена на формирование транзисторных структур на пластине, а другая на создание межсоединений и большая их часть повторяется на всех этапах.

Все эти операции, разве только можно исключить операцию нанесения фоторезиста, очень чувствительны к температурному полю обрабатываемой поверхности, поскольку их скорость является функцией не только времени, но и температуры.

С картинками Вы можете посмотреть усеченную технологическую цепочку почитав материал по ссылке 4, в разделе литература.

 

1.3 Зачем увеличивают диаметр пластин?

Применяемые в настоящее время пластины имеют диаметр D = 30 см.  Площадь такой шайбы: pD2/4  = 707 см2.

Для чипа имеющего площадь около 4 см2, на такой пластине можно поместить 176 чипов, а с учетом потерь неполных чипов на краях круглой пластины с нее можно получить около 150 чипов.

300 мм пластина с чипами SDRAM, выглядит так.

 

Рисунок 1.

 

При увеличении диаметра пластины до 450 мм ее площадь возрастает в два раза и на ней можно разместить уже 397 чипов. С учетом потерь неполных чипов на кромке получим около 330  примерно таких (рис.2, увеличено ) чипов.

 

Рисунок 2.

 

Одна такая пластина изготавливается в едином технологическом процессе. При небольшом увеличении затрат на материалы и реактивы для изготовления чипов на пластинах большего диаметра, их число вырастает в 2 раза.

При использовании 300-мм подложек требуется на 40% меньше электроэнергии и воды в расчете на одну микросхему, чем в производстве с применением 200-мм подложек.

Производственная технология Intel с проектной нормой 45 нм, позволит разместить то же количество микросхем в 1,4 раза меньшей площади по сравнению с 65 нм технологией. Это тоже экономически выгодно.

Налицо чистая экономия.

Так что на увеличение диаметра пластин производителя толкает не забота о потребителе (дать больше чипов), а экономическая выгода.

 

Год 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010
Мин. размер,
мкм
0.50 0.35 0.25 0.18 0.13 0.10 0.07
Площадь ИС (логика), см2 2.5 4.0 6.0 8.0 10.0 12.5 16.2
Площадь ИС (память), см2 1.3 2.0 3.2 5.0 7.0 10.0 14.0
Плотность дефектов, 1/см2 0.1 0.06 0.03 0.01 <0.01 <0.01 <0.01
Стоимость обра­ботки, USD/ см2 4.0 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 <3.5
Стоимость лито­графии, USD/см2 1.4 1.4 1.3 1.3 1.3 1.2 <1.2

Таблица 1. (Л.2)

 

Если Вы обратите внимание на графы "Стоимость обработки" и "Стоимость литографии", то увидите тенденцию к снижению затрат на эти операции с переходом на более тонкие технологические процессы и соответственно пластины большего диаметра.

 

1.4 Влияние диаметра пластин на требования к уровню технологий

С ростом размера пластин растут технические требования к оборудованию и климатическим условиям в производственных помещениях. В первую очередь это требования к стабильности температуры пластин и ее постоянства по их поверхности.

Потому что от температуры поверхности пластины, растворов существенно зависит скорость диффузии легирующих присадок и осаждения наносимых слоев. Причем стабильность температуры нужна и во времени, на продолжении всей операции.

 

Рисунок 3.
 

Иначе будет получаться затвор транзистора с такими зигзагами (рис.3).

Практика показывает, чем больше размеры объекта (в нашем случае диаметр пластины), тем сложнее поддерживать стабильную и одинаковую температуру по его поверхности.

Современные технологические процессы выполняются полностью автоматически, иначе присутствие человека (с его температурой +36,7 град.С) вносит возмущение в температурное поле вблизи технологических установок и вызывает увеличение брака.

Известно, при производстве чипов на пластине диаметром 300 мм, Intel отсортировывала в процессе их тестирования с одной пластины чипы процессоров Pentium и Celeron с разбросом тактовых частот около 30% (а значит и производительностью).

Такой разброс был в процессе производства в одном техпроцессе! И определялся его нестабильностью.

С ростом диаметра пластины разброс увеличится.

Процент выхода годных чипов с одной пластины составляет от 10% при освоении (настройки) техпроцесса и оборудования и до 90% и выше при налаженном техпроцессе. В нормальном производственном цикле.

Если не принимать мер, с ростом размера пластин выход годных чипов может снизится.

 

2. Техпроцессы и их связь с характеристиками процессоров

Поскольку техпроцесс принято определять по характерному размеру элементов создаваемых на чипе, то понятно что и временные характеристики транзисторов на более тонких технологических процессах улучшаются.

Некоторые ошибочно считают, что техпроцесс определяют по размеру затвора, в реальности это не так.

До некоторого времени, с переходом на более тонкие технологии росла и тактовая частота процессоров. Последнее время рост тактовых частот ядра процессора прекратился, растет только (эквивалентный частоте) рейтинг процессоров. Последнее время это происходит за счет роста числа ядер и распаралеливания вычислительных процессов и выполнения их параллельно несколькими ядрами.

Эксперименты с многоядерными процессорами ведутся в направлении увеличения числа ядер, у Intel имеется проект 80 ядерных процессоров. Но не следует забывать, что с ростом числа ядер ресурсы таких процессоров будут заниматься и под задачи разделения задачи на сегменты (потоки) объединение их результатов, управление и их синхронизацию.

В разных задачах производительность такого процессора будет эквивалентна 20 - 50 одноядерных процессоров.

 

2.1 Время переключения КМОП транзистора

Известно, что время переключения CMOS (КМОП) транзистора зависит от его размеров. А конкретно от длины канала L и подвижности носителей тока. Не будем глубоко лезть в дебри, поскольку подвижность носителей для принятых сейчас технологий примерно одинакова.

Известна формула:

τs = L2/µ(U3-U0)=L2/K

 

Из которой видим что постоянная времени канала МОП транзистора τs пропорциональна квадрату длины канала. Если рассматривать более строгие формулы учитывающие подвижность носителей и емкости затвора, то получим что время переключения  имеет зависимость от L - тоже в квадратичной зависимости от размера техпроцесса. Это снижение времени переключения примерно в два раза на каждую новую ступень техпроцесса.

Минимальный период следования импульсов процессора связан с временем переключения следующим образом:

 

T tф+tс+2t1

 

Смотрите рисунок 4.

 

Рисунок 4.

 

А тактовая частота процессора может определяться как:

F=1/T

где
T
- минимальный период следования импульсов.

Здесь можем условно (для оценки порядка величины) взять tф и tc примерно равными, а t1 есть время фиксации состояния уровня дискретного сигнала. Оно больше или равно (2-3) tф.

Поэтому T при уменьшении длины канала L уменьшается, а тактовая частота процессора растет.

 

2.2 Время переключения и тактовая частота процессора на тонких технологических процессах

Как мы поняли переход на более тонкие техпроцессы уменьшается длина канала транзистора, это увеличивает скорость его переключения и поэтому делает возможным повысить тактовую частоту.

 

Рисунок 5.

 

Представим, что при техпроцессе 180 нм мы имеем время переключения tф1, а при переходе на техпроцесс 130 нм получим tф2. Соответственно T1 > T2, и
F2 > F1
.

Результат выглядит так.

Максимальная частота процессоров выпускающихся по 180 нм техпроцессу составляла 1,8-2 ГГц. А при переходе на 130 нм техпроцесс она возросла до 3,4ГГц.

Но что стало происходить после перехода на 90 нм техпроцесс?

Тактовая частота перестала расти.

Что произошло?

Посмотрим рисунок 6.

 

Рисунок 6.

 

Длительность фронта упала примерно в два раза, поэтому мы должны иметь T1 меньший T2 и тактовую частоту F2 примерно в два раза выше чем на техпроцессе 130 нм.

Реально, Intel, удалось выжать при тепловыделении 115 Вт -  3,8 ГГц.

Удвоения тактовой частоты процессора не произошло.

Посмотрите рисунок 6, при уменьшении tф от величины tф1 к tф2 (примерно в два раза) период T1 примерно равен T2 (не изменился). А это значит, что тактовая частота практически не увеличилась.

Аналогичная ситуация имеет место и при переходе от 90 нм техпроцесса к 65 нм.

Посмотрите здесь.

Имеет место прекращение роста тактовых частот процессоров Intel при переходе на более тонкие технологические процессы.

При ее повышение начинает увеличиваться тепловыделение и снижаться устойчивость работы процессора.

 

3. Особенности генерации помех на тонких техпроцессах

Как я уже писал в статье "Механизм генерации помех в БИС процессоров" в момент переключения при перезарядке емкостей транзистора (в том числе и емкости затвора) в цепи питания генерируются импульсы тока, длительность которых меньше tф. И импульсы тока всех ключей суммируются на шине питания, и даже при незначительном токе (мощности) одного импульса их суммарная величина может достигать 0,25-0,5 мощности потребляемой процессором.

На техпроцессах 180, 130 нм, tф и τ имеет длительность порядка 100 псек.

А на техпроцессах 65, 45 нм,  tф и τ уже приближаются к имеет длительность порядка 10 псек.

 

Рисунок 7.

 

И если для техпроцессов 180 и 130 нм, чтобы вывести эту мощность за пределы процессора необходимо минимизировать индуктивности линий распределения питания.

Это делается за счет снижения индуктивности панели процессора и линий подводки питания к процессору. Самым характерным приемом снижения индуктивности линий питания в самом процессоре является использование для них более половины выводов процессора. В результате индуктивность падает в Х раз, где Х - число контактов процессора отведенных на цепи питания.

И в существующих конструкциях это удается, то уже с техпроцесса 90 и тем более 65 нм (и тем более на 32 нм техпроцессах - когда длительность импульсов токов переключения приближается к единицам пикосекунд) уже начинают работать внутренние индуктивности линий распределения питания в самом процессоре, котрые запирают эту мощность генерируемой процессором помехи в нем а на техпроцессе 32 нм и в отдельных узлах процессора (например - ядре).

При этом она создает помехи для работы в сигнальных цепях процессора и разогревают его структуру за счет потерь в ней.

 

3.1 Проблемы при переходе на тонкие техпроцессы

С экономической точки зрения применение более тонких технологий и пластин большего диаметра не вызывает сомнения.

С точки зрения увеличения количества транзисторов в ядре тоже имеется сомнение в необходимости роста их количества.

 

Рисунок 8.

 

По данным http://www.epos.kiev.ua/pubs/pr/et.htm "Эволюция техпроцесса на примере процессоров Intel" (рис.9) - рост числа транзисторов в ядре не приводит к существенному росту производительности.

Логика подсказывает, что рост объема КЭШ памяти в процессоре с некоторой величины тоже не даст существенного прироста производительности, к слову это просматривается уже на новых моделях процессоров Intel.

Как известно в планах Intel покорить 45 и 32 нм техпроцессы, а когда-то мелькали и другие меньшие цифры. Они требуют разработки нового оборудования, технологий и даже новых транзисторов.

А это затраты, которые Intel не сможет себе позволить по крайней мере несколько лет. (Опять нарушение Закона Мура!).

Но существуют еще и технические проблемы!

Первая и главная, на мой взгляд,

- это передача информации (импульсов с фронтами порядка 1-10 псек)  по сигнальным цепям внутри процессора с минимальными искажениями. Это важно поскольку синхронизация сложной системы сигналов в процессорах происходит по фронтам импульсов и для устойчивой работы процессора необходимо обеспечить необходимую точность их поступления на узлы процессора.

Уже на процессоре Pentium 4 такие проблемы уже возникали.

Они существуют и на системных платах (материнках) где тактовые частоты шин много меньше тактовой частоты ядра. На СП для согласования времени прихода используется подгонка длины линий связи. Зиг - заги проводников на СП именно для этого и служат.

 

Рисунок 9.

 

Например, на рисунке 9 показаны линии соединяющие северный мост чипсета (справа) с модулями оперативной памяти. Для синхронизации моментов прихода информации на модули памяти их длина подбирается определенным образом. Для этого при проектировании закладывается необходимая длина линий передачи (связи) между чипсетом и памятью.

Вторая,

- это, уже описанное на сайте, явление генерации при изменении состояния ключа помех в цепях распределения питания. Оно оказывает отрицательное действие на помехоустойчивость процессора и усиливает его нагрев.

Исходя из набора технологических и технических причин можно прогнозировать для пути выбранного Intel:

- Дальнейшее снижение тактовой частоты новых процессоров (по крайней мере отсутствие их существенного роста),

- Увеличение срока "освоения" в производства,

- Снижение выхода годных чипов с пластины и соответственно рост цены на процессоры.

Пора применять методы проектирования чипов и их разводки аналогичные проектированию СВЧ устройств!

Чтобы решить по крайней мере технические проблемы.

Конечно все эти проблемы решаемы, но они увеличивают время перехода на тонкие технологии и удорожают процессоры, системные платы и усложняют стыковку с внешними устройствами.

А.Сорокин, октябрь 2008 г.

 

Литература:

1. Проверка на дорогах, Дмитрий Корниенко, http://www.ixbt.com/cpu/cpu_validation.html,

2. Конспект лекций по курсу "ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА" для бакалавров, раздел “МИКРОЭЛЕКТРОНИКА”,  Лектор проф. О.Г. Вендик), С.- Петербург, 2001/02 уч. год, http://www.1024.ru/science/micro/

3. Эволюция техпроцесса на примере процессоров Intel, Сергей ТКАЧЕНКО,  http://www.epos.kiev.ua/pubs/pr/et.htm, 2001год

4. Производство современных процессоров. Технологический экскурс,  Дмитрий Чеканов. http://www.thg.ru/cpu/cpu_production/print.html

 

  Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002-2012