Современный компьютер построен на чипе

Обновлено: 30.06.2024

Сегодня кремниевые чипы есть везде. Intel создает лидирующие в отрасли и первые в мире полупроводниковые продукты. Эти чипы Intel® являются одними из самых сложных когда-либо созданных устройств, требующих передовых производственных технологий. Зайдите в современную «фабрику», где Intel производит свои чипы, и вы обнаружите ряд сложных процессов, охватывающих площадь почти в миллион квадратных футов.

Чипы Intel используются в устройствах Ultrabook™, смартфонах, планшетах, высокопроизводительных компьютерах, центрах обработки данных и Интернете. Они автоматизируют фабрики и встраиваются в автомобили и бытовые устройства. Самый сложный процессор может содержать сотни миллионов или миллиарды транзисторов, соединенных тонкими медными проводами. Каждый из этих транзисторов действует как переключатель включения/выключения, контролируя поток электроэнергии через микросхему для отправки, получения и обработки информации. Современные чипы могут иметь несколько ядер.

Кремний

Кремний, основной компонент пляжного песка, является природным полупроводником и самым распространенным элементом на Земле, за исключением кислорода.

Вафли

Чтобы сделать пластины, кремний очищают, плавят и охлаждают, чтобы сформировать слиток, который затем нарезают на диски, называемые пластинами. Чипы строятся одновременно в виде сетки на поверхности пластины на производственном предприятии или «фабрике».

Фишки

Чип – это сложное устройство, составляющее основу каждого вычислительного устройства. Хотя чипы выглядят плоскими, они представляют собой трехмерные структуры и могут включать до 30 слоев сложной схемы.

Чистые помещения

Чипы изготавливаются партиями пластин в чистых помещениях, которые в тысячи раз чище, чем операционные больниц.

Костюмы кроликов

Технические специалисты Fab носят специальные костюмы, называемые костюмами кроликов, предназначенные для защиты пластин от загрязняющих веществ, таких как пух и волосы, во время производства микросхем.

То, как работает чип, зависит от конструкции его транзисторов и затворов, а также от конечного использования чипа. Спецификации проекта, включающие размер микросхемы, количество транзисторов, факторы тестирования и производства, используются для создания схем — символических представлений транзисторов и межсоединений, управляющих потоком электричества через микросхему.

Затем дизайнеры создают трафаретные шаблоны, называемые масками, для каждого слоя. Дизайнеры используют рабочие станции автоматизированного проектирования (САПР) для всестороннего моделирования и тестирования функций чипа. Чтобы спроектировать, протестировать и настроить микросхему, а также подготовить ее к производству, требуются сотни людей.

Изготовление и тестирование

«Рецепт» изготовления чипа зависит от предполагаемого использования чипа. Изготовление чипов — это сложный процесс, требующий сотен точно контролируемых шагов, в результате которых слои различных материалов накладываются один на другой.

Процесс фотолитографической «печати» используется для формирования многослойных транзисторов и межсоединений (электрических цепей) чипа на пластине. Сотни одинаковых процессоров создаются партиями на одной кремниевой пластине.

После завершения всех слоев компьютер выполняет процесс, называемый тестом сортировки пластин. Тестирование гарантирует, что чипы работают в соответствии со спецификациями проекта.

Высокоэффективная упаковка

После изготовления пришло время упаковки. Вафля разрезается на отдельные кусочки, называемые штампом. Кристалл помещается между подложкой и распределителем тепла, образуя готовый процессор. Упаковка защищает кристалл и обеспечивает необходимое питание и электрические соединения при размещении непосредственно на печатной плате компьютера или мобильном устройстве, например смартфоне или планшете.

Intel производит микросхемы для самых разных приложений и использует различные технологии упаковки. Пакеты Intel проходят окончательное тестирование на функциональность, производительность и мощность. Микросхемы электрически кодируются, визуально проверяются и упаковываются в защитный транспортировочный материал для отправки клиентам Intel и в розницу.

Я не думаю, что вы понимаете, насколько волшебным является компьютерный чип в основе вашего смартфона или ПК. В случае SoC смартфона у вас, по сути, есть один пакет размером менее квадратного дюйма, который позволяет вам делать практически все, от игр до доступа к сотовой сети и бесконтактной оплаты продуктов. Для этого внутри каждого чипа есть миллиарды крошечных переключателей, которые включаются и выключаются до четырех миллиардов раз в секунду. Современный компьютерный чип действительно чудо, особенно если учесть, что первые интегральные схемы, созданные всего 50 лет назад, состояли примерно из дюжины транзисторов.

Меня поражает не только богатая функциональность передовых компьютерных чипов, способная изменить общество, но и совершенно ошеломляюще миниатюрный масштаб этих вещей. В современном чипе, построенном по 20-нм или 22-нм техпроцессу, площадь каждого транзистора составляет примерно 30 нанометров. Одна ячейка SRAM, состоящая из шести транзисторов, имеет площадь около 0,1 микрометра (или 100 нанометров, если хотите). Если вы отрежете крошечную прядь от человеческого волоса, вы можете получить около 500 ячеек SRAM — 3000 транзисторов — в поперечном сечении. Вы даже можете втиснуть около 60 ячеек SRAM или 360 транзисторов на площадь размером с человеческий эритроцит — и каким-то образом, несмотря на то, что один чип содержит миллиарды этих крошечных элементов, они могут непрерывно работать на частоте в миллиарды герц в течение десятилетия.

Я мог бы продолжать, но это видео довольно хорошо показывает, как много всего мы впихиваем в один чип. Он начинается с фотографии чипа без крышки, а затем увеличивается серия фотографий, прежде чем переключиться на сканирующую электронную микроскопию.

В этом видео есть несколько замечаний. Во-первых, это довольно старый чип — современный чип производства Intel или TSMC был бы намного плотнее. Во-вторых, вы можете видеть только первую пару слоев — несколько соединительных медных проводов и верхние части некоторых транзисторов; Последние 14-нанометровые чипы Intel Broadwell состоят из 13 слоев.

Вот как выглядит современный чип под электронным микроскопом — в данном случае это один из 14-нанометровых чипов Intel FinFET Broadwell.

Если вы хотите узнать больше о ЦП, прочитайте наш пояснитель о кэшах L1 и L2, или о том, что на самом деле делает ЦП, когда он простаивает. Если вы склонны к авантюрам, у нас также есть история о том, как разбивать фишки и делать собственные броски.

Intel 4004: первый в мире однокристальный микропроцессор

Мэри Беллис освещала изобретения и изобретателей для ThoughtCo в течение 18 лет. Она известна своими независимыми и документальными фильмами, в том числе фильмом об Александре Грэме Белле.

История Intel

В 1968 году Роберт Нойс и Гордон Мур были двумя несчастными инженерами, работавшими в компании Fairchild Semiconductor, которые решили уволиться и создать собственную компанию в то время, когда многие сотрудники Fairchild уходили, чтобы создавать стартапы. Такие люди, как Нойс и Мур, получили прозвище «Дети Фэйр».

Роберт Нойс напечатал себе на одной странице идею того, что он хочет сделать со своей новой компанией, и этого было достаточно, чтобы убедить венчурного капиталиста из Сан-Франциско Art Rock поддержать новое предприятие Нойса и Мура. Рок привлек 2,5 миллиона долларов менее чем за два дня.

Торговая марка Intel

Название "Moore Noyce" уже было зарегистрировано сетью отелей, поэтому два основателя выбрали название "Intel" для своей новой компании, сокращенную версию "Integrated Electronics".

Первым прибыльным продуктом Intel стал биполярный 64-разрядный модуль статической оперативной памяти (SRAM) 3101 Schottky.

Один чип выполняет работу двенадцати

В конце 1969 года потенциальный клиент из Японии по имени Busicom попросил разработать двенадцать микросхем на заказ. Отдельные микросхемы для сканирования клавиатуры, управления дисплеем, принтером и другими функциями калькулятора производства Busicom.

У Intel не было рабочей силы для этой работы, но у них были мозги, чтобы найти решение. Инженер Intel Тед Хофф решил, что Intel может создать один чип, который будет выполнять работу двенадцати. Intel и Busicom согласились и профинансировали новый программируемый логический чип общего назначения.

Федерико Фаггин возглавил группу разработчиков вместе с Тедом Хоффом и Стэнли Мазором, которые написали программное обеспечение для нового чипа. Девять месяцев спустя родилась революция. Детский чип размером 1/8 дюйма в ширину и 1/6 дюйма в длину, состоящий из 2 300 МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводник), обладал такой же мощностью, что и ENIAC, который заполнил 3000 кубических футов 18 000 вакуумных ламп.

Компания Intel поступила разумно, решив выкупить у Busicom права на разработку и продажу процессора 4004 за 60 000 долларов США. В следующем году Busicom обанкротилась, они так и не выпустили продукт с использованием чипа 4004. Intel следовала умному маркетинговому плану, поощряя разработку приложений для чипа 4004, что привело к его широкому распространению в течение нескольких месяцев.

Микропроцессор Intel 4004

4004 был первым в мире универсальным микропроцессором.В конце 1960-х многие ученые обсуждали возможность создания компьютера на чипе, но почти все считали, что технология интегральных схем еще не готова для поддержки такого чипа. Тед Хофф из Intel считал иначе; он был первым, кто осознал, что новая технология MOS с кремниевым затвором может сделать возможным создание однокристального ЦП (центрального процессора).

Хофф и команда Intel разработали такую архитектуру с чуть более чем 2300 транзисторами на площади всего 3 на 4 миллиметра. С его 4-битным ЦП, регистром команд, декодером, управлением декодированием, контролем за машинными командами и промежуточным регистром, 4004 был чертовски маленьким изобретением. Сегодняшние 64-разрядные микропроцессоры по-прежнему основаны на аналогичных конструкциях, а микропроцессор по-прежнему остается самым сложным продуктом массового производства, когда-либо состоявшим из более чем 5,5 миллионов транзисторов, выполняющих сотни миллионов вычислений каждую секунду — числа, которые, несомненно, быстро устареют. /p>

Как подписчик, у вас есть 10 подарочных статей каждый месяц. Любой может прочитать то, чем вы делитесь.

Отдать эту статью

Макс Шулакер, аспирант Стэнфордского университета, в 2011 году работал над новой полупроводниковой схемой. Поскольку чипы продолжают уменьшаться в размерах, ученые-компьютерщики ищут новые технологические прорывы. Кредит. Лиэнн Милтон для The New York Times

На первой Международной конференции по твердотельным схемам, проходившей в кампусе Пенсильванского университета в Филадельфии в 1960 году, молодой компьютерный инженер Дуглас Энгельбарт познакомил электронную промышленность с удивительно простой, но новаторской концепцией масштабирования.< /p>

Доктор. Энгельбарт, который позже участвовал в разработке компьютерной мыши и других персональных вычислительных технологий, предположил, что по мере уменьшения размеров электронных схем их компоненты будут работать быстрее, потреблять меньше энергии и дешеветь в производстве — и все это в ускоренном темпе.

В тот день в аудитории сидел Гордон Мур, который впоследствии помог основать корпорацию Intel, крупнейшего в мире производителя микросхем. В 1965 году д-р Мур количественно определил принцип масштабирования и изложил то, что будет иметь влияние Великой хартии вольностей компьютерного века. Он предсказал, что количество транзисторов, которые можно выгравировать на чипе, будет удваиваться ежегодно в течение как минимум десяти лет, что приведет к астрономическому увеличению мощности компьютеров.

Его предсказание появилось в журнале Electronics в апреле 1965 года и позже было названо законом Мура. Это никогда не был закон физики, а скорее наблюдение об экономике молодой отрасли, которое оставалось верным в течение полувека.

Один транзистор шириной примерно с хлопковое волокно в начале 1960-х годов стоил примерно 8 долларов США в сегодняшних долларах. Компания Intel была основана в 1968 году. Сегодня миллиарды транзисторов можно уместить на чипе размером с ноготь, а стоимость транзисторов упала до крошечных долей цента.

Это усовершенствование — простая предпосылка о том, что компьютерные чипы будут делать все больше и больше, а стоить все меньше и меньше, — помогло Силиконовой долине принести в мир поразительные достижения, от персонального компьютера до смартфона и обширной сети взаимосвязанных компьютеров, которые питают Интернет.

Однако в последние годы ускорение, предсказанное законом Мура, уменьшилось. Скорость чипов перестала расти почти десять лет назад, время между новыми поколениями растягивается, а стоимость отдельных транзисторов стабилизировалась.

Сейчас технологи считают, что новые поколения чипов будут появляться медленнее, возможно, каждые два с половиной-три года. И к середине следующего десятилетия, опасаются они, может произойти расплата, когда законы физики диктуют, что транзисторы, к тому времени состоящие всего из нескольких молекул, не будут надежно работать. Тогда закон Мура перестанет действовать, если не произойдет новый технологический прорыв.

Если выразить условие закона Мура в антропоморфных терминах, то "это стареет, стареет", – говорит Генри Самуэли, технический директор компании Broadcom, производителя коммуникационных чипов. «Это не мертво, но вам придется подписать закон Мура для AARP».

В 1995 году д-р Мур изменил коэффициент удвоения до двухлетнего интервала. Тем не менее, он по-прежнему впечатлен долговечностью своего прогноза: «Первоначальный прогноз был рассчитан на 10 лет, что, как мне показалось, было натяжкой», — сказал он недавно на мероприятии в Сан-Франциско, посвященном 50-летию закона Мура. /p>

Но зловещий вопрос заключается в том, что произойдет, если это волшебное сочетание повышения скорости, падения спроса на электроэнергию и снижения цен не будет поддерживаться.

Воздействие будет ощущаться далеко за пределами компьютерной индустрии, – сказал Роберт П. Колвелл, бывший инженер-электрик Intel, который участвовал в разработке микропроцессора Pentium, когда работал компьютерным архитектором в компании-производителе микросхем с 1990 по 2000 год.

"Посмотрите, например, на автомобили, – – сказал доктор Колвелл. – «Что двигало их инновациями за последние 30 лет? Закон Мура». По его словам, большинство инноваций в автомобильной промышленности, таких как контроллеры двигателя, антиблокировочная система тормозов, навигация, развлекательные системы и системы безопасности, появились благодаря все более дешевым полупроводникам.

Эти опасения противоречат основной идее вечно молодой Силиконовой долины. На протяжении более трех десятилетий представители отрасли утверждали, что вычислительная техника будет становиться быстрее, достигать большей производительности и дешеветь все более быстрыми темпами. Его описывают как «время Интернета» и даже как Сингулярность, точку, в которой вычислительная мощность превосходит человеческий интеллект, утверждение, которое многие в Силиконовой долине придерживаются почти с религиозным убеждением.

Когда вы мыслите так масштабно, столкновение с ограничениями физики может оказаться самым унизительным опытом.

"Я думаю, самая фундаментальная проблема заключается в том, что мы уже далеко позади того момента в эволюции компьютеров, когда люди автоматически покупают следующий новейший и самый лучший компьютерный чип с полной уверенностью, что он будет лучше, чем то, что у них есть. », — сказал доктор Колвелл.

Пределы физики

Чипы сделаны из металлических проводов и транзисторов на основе полупроводников — крошечных электронных переключателей, управляющих потоком электричества. Самые современные транзисторы и провода меньше длины волны света, а самые современные электронные переключатели меньше биологического вируса.

Гордон Мур, основатель корпорации Intel, на фотографии конца 1960-х годов. В 1965 году в так называемом законе Мура д-р Мур изложил принцип, согласно которому количество транзисторов, которые можно выгравировать на чипе, будет удваиваться ежегодно в течение как минимум десяти лет. Кредит. Интел

Чипы производятся в процессе производства, называемом фотолитографией. С момента изобретения в конце 1950-х годов фотолитография постоянно развивалась. Сегодня ультрафиолетовый лазерный свет проецируется через стеклянные пластины, на которые нанесена часть схемного рисунка, выраженного в металлической маске, похожей на карту улиц.

Каждая карта позволяет подсветить рисунок на поверхности чипа, чтобы нанести или вытравить металл и полупроводниковые материалы, оставив ультратонкий сэндвич из проводов, транзисторов и других компонентов.

Маски используются для демонстрации сотен точных копий каждого чипа, которые, в свою очередь, размещаются на полированных кремниевых пластинах диаметром около фута.

Машины, называемые степперами, каждая из которых в настоящее время стоит около 50 млн долларов, перемещают маску по пластине, многократно подвергая каждую схему воздействию на поверхность пластины, поочередно нанося и вытравляя металлические и полупроводниковые компоненты.

Готовый компьютерный чип может потребовать до 50 шагов экспонирования, и маска должна быть выровнена с поразительной точностью. Каждый шаг повышает вероятность бесконечно малых ошибок.

"Я работал над многими аспектами полупроводникового процесса, – – сказал Алан Р. Стиверс, физик, начавший карьеру в Intel в 1979 году и до ухода на пенсию в 2007 году – помог представить дюжину новых поколений полупроводников. – Безусловно, литография — это самое сложное».

Чтобы создавать устройства, размер которых меньше длины волны света, производители чипов добавили ряд приемов, таких как иммерсионная литография, в которой вода используется для резкого искривления световых волн и повышения разрешения. Они также использовали технику, называемую литографией с несколькими узорами, в которой используются отдельные этапы маски для заострения краев и дальнейшего утончения металлических проводов и других компонентов чипа.

Поскольку размер компонентов и проводов сократился до нескольких молекул, инженеры обратились к компьютерному моделированию, требующему огромных вычислительных мощностей. "Вы играете с физикой, – сказал Уолден С. Райнс, исполнительный директор Mentor Graphics, компании по разработке программного обеспечения для автоматизации проектирования, расположенной в Уилсонвилле, штат Орегон.

Если масштабирование, впервые описанное доктором Энгельбартом, закончится, как крупные компании-производители чипов смогут избежать эндшпиля по закону Мура? Во-первых, они могли бы обратиться к программному обеспечению или новым конструкциям микросхем, которые извлекают больше вычислительной мощности из того же количества транзисторов.

И есть надежда, что тот же творческий подход, который так долго расширял действие закона Мура, может способствовать развитию технологии микросхем.

Если кремний, по словам Дэвида М. Брукса, ученого-компьютерщика из Гарвардского университета, является "холстом, на котором мы рисуем", инженеры могут сделать больше, чем просто уменьшить холст.

Кремний также может уступить место экзотическим материалам для создания более быстрых и компактных транзисторов и новых типов памяти, а также оптических, а не электронных каналов связи, – говорит Алекс Лидоу, физик, исполнительный директор корпорации Efficient Power Conversion, производитель чипсов специального назначения в Эль-Сегундо, Калифорния.

Есть ряд прорывных кандидатов, таких как квантовые вычисления, которые — если они станут практичными — могли бы значительно ускорить время обработки, и спинтроника, которая в далеком будущем может перенести вычисления на компоненты атомарного масштаба.

В последнее время наблюдается оптимизм в отношении новой технологии производства, известной как литография в экстремальном ультрафиолете или EUV. Если это сработает, EUV, который обеспечивает световые волны примерно в десять раз короче самых коротких световых волн, составляющих видимый спектр, позволит использовать еще меньшие провода и элементы, в то же время упростив процесс изготовления микросхем. /p>

Однако технология еще не была проверена в коммерческом производстве.

Ранее в этом году ASML, голландский производитель шаговых двигателей, частично принадлежащий Intel, заявил, что получил крупный заказ на шаговые двигатели EUV от клиента из США, которым, по мнению большинства представителей отрасли, является Intel. Это может означать, что Intel опережает остальную часть отрасли по производству микросхем.

Руководители Intel, в отличие от крупных конкурентов, таких как Samsung и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company или TSMC, настаивают на том, что в обозримом будущем компания сможет продолжать производить все более дешевые чипы. И они оспаривают мнение о том, что цена на транзисторы достигла плато.

Тем не менее, несмотря на то, что Intel по-прежнему уверена, что сможет противостоять меняющейся реальности остальной отрасли, она не смогла полностью бросить вызов физике.

«Корпорация Intel не знает, что делать в связи с надвигающимся прекращением действия закона Мура, — сказал д-р Колвелл.

В июле Intel заявила, что перенесет внедрение 10-нанометровой технологии (для сравнения, человеческий волос имеет ширину около 75 000 нанометров) на 2017 год. Эта отсрочка является нарушением традиции компании по выпуску нового поколения чипы с меньшими проводами и транзисторами в один год, а в следующем — новые конструктивные особенности.

Под желтым светом, чтобы отфильтровать ультрафиолетовый спектр, Макс Шулакер работал над пластиной со встроенной схемой в Стэнфордском университете в Пало-Альто, Калифорния, в 2011 году. -чувствительный. Г-н Шулакер был частью группы, помогавшей создавать прототипы полупроводниковых схем нового типа. Кредит. Лиэнн Милтон для The New York Times

"Последние два перехода на новые технологии показали, что наш темп ближе к двум с половиной годам, чем к двум годам", – сказал Брайан Кржанич, исполнительный директор Intel, на телефонной конференции с аналитиками.

Больше никаких бесплатных поездок

С точки зрения этих проблем стакан наполовину полон, так как замедление разработки чипов приведет к усилению конкуренции и творческого подхода. У многих производителей полупроводников нет современных заводов, которые в настоящее время проектируются четырьмя производителями микросхем: GlobalFoundries, Intel, Samsung и TSMC.

Задержки могут позволить отстающим производителям чипов конкурировать на рынках, где не требуется самая передовая производительность, – сказал Дэвид Б. Йоффи, профессор Гарвардской школы бизнеса.

И даже если уменьшение размера транзистора не сделает микросхемы быстрее и дешевле, это снизит потребляемую ими мощность.

Сверхмаломощные компьютерные чипы, которые начнут появляться в конце этого десятилетия, в некоторых случаях не будут требовать даже батарей — они будут питаться от солнечной энергии, вибрации, радиоволн или даже пота. Многие из них будут сложными датчиками нового типа, беспроводным образом вплетенными в централизованные вычислительные системы в вычислительном облаке.

К каким продуктам могут привести эти фишки? Пока никто не знает, но разработчики продуктов будут вынуждены иначе думать о том, что они создают, а не ждать, пока чипы станут более мощными. Благодаря закону Мура компьютеры становились все меньше и меньше, но, по сути, следовали той же концепции чипов, аппаратного и программного обеспечения в закрытом корпусе.

"Раньше дизайнеры были ленивы", – говорит Тони Фаделл, инженер-электрик, который возглавлял команду, разработавшую оригинальный iPod, и разрабатывал аппаратное обеспечение iPhone, прежде чем основать Nest Labs, производителя устройств для умного дома, таких как термостаты и датчики дыма.

Карвер Мид, физик, автор термина "закон Мура", согласен с этим. «По сути, у нас была бесплатная поездка», — сказал он. «Это действительно сумасшествие, но именно это окупилось».

Действительно, седеющий закон Мура может оставаться в силе еще как минимум десятилетие. А если это не так, людям просто нужно проявить больше творчества.

Читайте также: