Почему процессоры сделаны из кремния?
Обновлено: 01.07.2024
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. Войдите 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.
Это может показаться глупым вопросом, на который можно ответить всего несколькими короткими словами: кремний — это 14-й элемент периодической таблицы. Это один из фундаментальных компонентов Вселенной, на один протон тяжелее алюминия и на один протон легче фосфора. Тем не менее кремний чаще, чем любой другой элемент, слишком часто упоминается на таких сайтах, как ExtremeTech — это основной компонент строительных материалов, из которых состоит ваш дом, это основа всех современных компьютерных процессоров и даже самый вероятный кандидат на роль инопланетной жизни, не основанной на углероде. Что именно делает кремний таким особенным?
Ну, много всего.
Кремний как строительный элемент
Главной отличительной чертой кремния является то, что его чертовски много.После кислорода это второй по распространенности элемент в земной коре, но не ожидайте найти его просто так. Кремний почти никогда не встречается в чистом виде в природе и практически всегда встречается в виде соединения с другими элементами. Чаще всего он встречается в виде силиката (SiO4, или одного атома кремния, связанного с четырьмя атомами кислорода) и кремнезема (SiO2, или одного атома кремния, связанного с двумя атомами кислорода). ). Кремнезем в грубой и сильно загрязненной форме является основным компонентом песка. Полевой шпат, гранит, кварц и другие материалы основаны на соединениях кремния и кислорода.
Смешайте это с водой и гравием, и вы получите бетон.
Соединения кремния обладают широким спектром полезных свойств, главным образом потому, что они могут очень прочно связывать другие атомы и образовывать сложные структуры. Различные силикаты, такие как силикат кальция, являются основным компонентом портландцемента, основного связующего вещества в бетоне, растворе и даже штукатурке. Некоторые материалы, богатые силикатами, можно нагревать для получения закаленной керамики, такой как фарфор, в то время как другие сплавляются, образуя основную форму стекла в мире, натриево-известковое стекло. Кроме того, кремний можно использовать в качестве следовой добавки к другим веществам, например к чугуну, в котором используются как углерод, так и кремний, чтобы сделать железо более упругим и менее хрупким.
И да, кремний также является основным структурным компонентом синтетического материала силикона, но не путайте их — если это действительно была Силиконовая долина, то мир технологий сильно отличался от того, что мы видим сегодня.
Кремний как компьютерный чип
При выборе элемента для использования в качестве основы компьютерного транзистора ключевым словом является сопротивление. Проводники имеют низкое сопротивление и очень легко пропускают электрический ток, в то время как изоляторы имеют (предсказуемо) высокое сопротивление и замедляют или блокируют поток электронов. Для транзистора, который должен иметь возможность включаться и выключаться по желанию, нам требуется полупроводник, вещество с сопротивлением между сопротивлением проводника и изолятора. Лучшие полупроводники для промышленности можно обрабатывать широким спектром «примесей», чтобы точно регулировать их сопротивление по мере необходимости.
Кристалл чистого кремния, называемый слитком.
Кремний — не единственное полупроводниковое вещество на Земле. Это даже не лучший полупроводник на Земле. Что это такое, так это самый распространенный полупроводник на Земле. Кремний легко доступен во всем мире; вам не нужно импортировать его из специальных африканских шахт или проводить месяцы дорогостоящей и загрязняющей окружающую среду обработки только для того, чтобы получить его. С ним легко работать, и, что самое главное, ученые придумали надежные способы выращивания его в идеально упорядоченные кристаллы. Эти кристаллы относятся к кремнию так же, как алмаз к углероду.
Выращивание огромных, почти идеальных кристаллов кремния — один из основных навыков в производстве современных компьютерных микросхем. Эти кристаллы затем нарезаются на тонкие пластины, затем гравируются, обрабатываются и обрабатываются иногда сотнями различных способов, прежде чем они нарезаются на отдельные кристаллы и упаковываются в коммерческие процессоры. Можно делать превосходные транзисторы из таких материалов, как углерод, и даже из более экзотических материалов, таких как германий, но ни один из них не позволяет массовое производство, которое позволяет кремний, путем выращивания крупных кристаллов — по крайней мере, пока.
В настоящее время кристаллы кремния (называемые слитками) производятся в цилиндрах диаметром 300 мм, но исследования быстро приближаются к порогу в 450 мм. Это должно помочь снизить производственные затраты и, таким образом, позволить скорости продолжать расти, по крайней мере, в течение еще одного десятилетия или около того. После этого? Возможно, в конце концов у вас не останется другого выбора, кроме как отказаться от кремния в пользу чего-то менее распространенного и простого в работе — хорошая новость для скорости обработки, но почти наверняка плохая новость для вашего кошелька.
Кремний как инопланетная жизнь
Фраза «жизнь, основанная на углероде» часто используется, но что она означает на самом деле? Это означает, что основные структурные молекулы, составляющие наши тела (белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты и т. д.), построены на скелетах атомов углерода. Это потому, что углерод обладает замечательным свойством быть «четырехвалентным». Кислород может одновременно образовывать только две устойчивые химические связи (что приводит к образованию воды, или H2O), а азот только три (что приводит к аммиаку, или NH3) , но углерод может стабильно удерживать до четырех разных атомов одновременно (что дает нам метан или CH4). Тетравалентность — мощная основа для создания прочных и геометрически сложных молекул, и этот дуэт химических достоинств позволил развиться всей жизни, известной в настоящее время во Вселенной.
Хорта из «Звездного пути» предположительно сделан на основе кремния.
Тем не менее, если мы знаем, как организована Периодическая таблица, мы знаем, что элементы в вертикальной колонке имеют схожие химические свойства, а прямо под углеродом находится кремний.Вот почему авторы научной фантастики потратили так много времени и чернил на идею жизни на основе кремния; будучи четырехвалентным, кремний является наиболее вероятным альтернативным структурным элементом в совершенно новых формах жизни. Кремний также счастлив крепко связываться с другими атомами кремния (точно так же, как углерод с углеродом) и, таким образом, может дважды зафиксировать определенные конформации на месте. Предполагается, что и то, и другое имеет решающее значение для развития жизни.
Конечно, поскольку кремния на Земле гораздо больше, чем углерода, должна быть причина того, что мы органические (на основе углерода), а не на основе кремния, и эта причина восходит к Периодической таблице. Не вдаваясь в подробности, отметим, что элементы, находящиеся вертикально ниже в Периодической таблице, имеют более тяжелые ядра и более крупные электронные оболочки; кремний физически больше и тяжелее углерода, что делает его менее подходящим для сверхтонких задач, таких как, например, рекомбинантная ДНК. Кремний также менее активен, чем углерод, а это означает, что жизнь на основе кремния может быть менее разнообразной в химическом отношении или требовать гораздо более широкого набора кремниевых ферментов, запускающих реакции, для создания химически менее желательных соединений.
Тот факт, что вся жизнь на Земле является органической, несмотря на то, что количество атомов кремния на планете превышает количество атомов углерода почти в тысячу раз, может указывать на то, насколько вероятно, что это может произойти где-то еще во Вселенной. Здесь есть множество видов, которые в той или иной степени используют кремний, но ни один из них не использует его в качестве структурного элемента ДНК. Жизнь на основе кремния, безусловно, возможна, но если она действительно существует, есть большая вероятность, что она никогда не сможет развиться до уровня сложности, который позволил углерод прямо здесь, дома.
Кремний и вы
Кремний будет появляться в вашей ленте новостей еще много лет. Несмотря на то, что некоторые рассматривают углерод и другие некремниевые элементы как платформу для вычислений следующего поколения, которые будут необходимы, если мы хотим продолжить экспоненциальную историческую тенденцию к вычислительной мощности, кремний остается предпочтительным веществом во многих областях. Найдем ли мы новые и захватывающие способы контролировать его обращение с электронами? Возможно. Обнаружим ли мы, что она лежит в основе всей жизни во Вселенной, за исключением той, которая развилась на Земле? Наверное, нет, хотя это возможно. По крайней мере, мы не собираемся отказываться от его использования в качестве строительного материала, поскольку соединения кремния являются основой породы, которая составляет большую часть земной коры.
Возможно, мы собираемся отказаться от кремния, но 20 лет назад это было не менее вероятно. По всей вероятности, он останется одним из самых важных веществ для развития человеческого мастерства в физическом мире.
Вы когда-нибудь слышали о Кремниевой долине? Та часть Калифорнии, где разрабатываются процессоры и постоянно процветают стартапы. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, почему она называется Силиконовой долиной? Или почему именно этот кремний так широко используется для компьютерных чипов? Вместо какого-либо другого материала, такого как медь, графит или железо.
Ну, кремний обладает рядом свойств, которые делают его необычным среди других химических элементов. Видите ли, на данный момент ученым известно всего 118 элементов. Из этих 118 известных элементов только 6 классифицируются как металлоиды. Кремний – один из металлоидов.
Эти металлоиды обладают металлическими характеристиками, но не являются настоящими металлами. Обычно они имеют серебристо-блестящий вид, как настоящие металлы. Но вместо того, чтобы быть податливыми, они часто довольно хрупкие. Это означает, что они могут легко разбиться, как стекло.
Полупроводимость
И хотя металлоиды могут проводить электричество, как металлы, они не так хороши в этом. Отсюда и произошло слово полупроводник. Эта полупроводимость особенно важна для работы электроники. Помните, что компьютерам и другой электронике, использующей микрочипы, для работы требуется электричество.
< бр />
Однако весь их принцип работы основан на способности избирательно пропускать электричество через определенные транзисторы. Обычный металлический проводник, такой как медь, слишком легко пропускал бы электроны. Это означает, что слишком много транзисторов загорятся одновременно. Это означает, что ваш ЦП не сможет правильно обрабатывать инструкции.
Почему кремний лучше других полупроводников для компьютерных микросхем?
Мы до сих пор не ответили на вопрос, почему именно Silicon? Это вместо какого-то другого полупроводника, такого как германий. Ну, хотя Силиконовая долина может быть дорогим местом для жизни, настоящий Кремний довольно дешев. Кроме того, кремний довольно легко найти в земной коре. На самом деле кремний — один из самых распространенных элементов во Вселенной.
Поэтому вполне возможно, что космические цивилизации в какой-то далекой галактике также используют кремниевые процессоры. Кроме того, у кремния есть и другие преимущества, такие как способность хорошо работать в широком диапазоне температур. Кремний также можно легко дополнить другими химическими веществами, необходимыми для работы микропроцессоров.
Например, довольно легко сформировать изолирующий слой из диоксида кремния, просто поместив кремний в горячую печь. Это необходимо, потому что крошечные транзисторы в ЦП нуждаются в изолированных областях для дальнейшего контроля и направления потока электроэнергии с точностью. Именно универсальность Silicon делает его естественным выбором.
Идеален ли кремний для компьютерных микросхем и электроники?
Несмотря на то, что кремний оказался чрезвычайно полезным, он далек от совершенства. Несмотря на то, что он дешев и распространен, есть компромисс в том, насколько быстро он может проводить электричество. Другие полупроводники способны перемещать электроны быстрее.
Это означает, что их можно использовать для создания более производительных процессоров, хотя и по более высокой цене. Есть еще одно ограничение кремния, которое означает, что он не будет универсальным материалом в наших компьютерных чипах слишком долго. Видите ли, транзисторы становятся все меньше и меньше, чтобы сделать наши чипы более мощными и энергоэффективными.
Однако мы подошли к моменту, когда размер кремния не может быть меньше того, что у нас уже есть, из-за его химических свойств. Фактически, Intel объявила, что для своих 7-нм чипов, которые могут быть выпущены примерно в 2021 году, они будут использовать что-то другое, а не кремний. Для сравнения: 7 нм — это всего около 35 атомов в ширину.
На самом деле у нас есть обширная статья, посвященная одному такому материалу под названием нитрид галлия (GaN), который должен заменить кремний в электронике. Хотя для транзисторов меньшего размера и более быстрых процессоров могут потребоваться более экзотические материалы, нет никаких сомнений в том, что путь в завтрашний день был проложен кремнием.
Есть ли какие-либо другие технические пояснения, которые вы хотели бы, чтобы мы сделали? Дайте нам знать внизу в разделе комментариев. Мы обязательно учтем ваши идеи.
Университетские исследователи обнаружили материал, который может увеличить скорость вычислений и возможности хранения данных компьютерных чипов.
В сентябре исследователи в области машиностроения опубликовали в Журнале Американского химического общества статью, в которой указывалось, что двумерный материал, известный как сурьма, может заменить кремний в компьютерных чипах. Обнаружение этого материала может решить проблему закона Мура, – считает Юаньюэ Лю, соавтор статьи и член Техасского института материалов.
Согласно Британской энциклопедии, в 1965 году соучредитель Intel Гордон Мур заявил, что количество транзисторов в каждом кремниевом чипе будет удваиваться каждый год. Транзисторы используются в компьютерных микросхемах для усиления и переключения электронных сигналов.
Согласно Британской энциклопедии, кремний исторически использовался для изготовления транзисторов, потому что это полупроводник, то есть материал с большей проводимостью, чем изолятор, такой как резина, но менее проводящий, чем металл, такой как сталь.
Однако, по словам Лю, по мере увеличения количества транзисторов на компьютерный чип и уменьшения размера транзисторов кремний теряет свою функциональность.
«Подвижность электронов уменьшится, если кремний сделать слишком маленьким», — сказал Лю, доцент кафедры машиностроения. «Это мотивация нашей работы. Мы пытаемся найти хороший материал, который сможет заменить кремний, чтобы соблюсти закон Мура».
Ченму Чжан, аспирант в области материаловедения и инженерии и член исследовательской группы, сказал, что самым важным выводом из этой работы было понимание того, что регулирует подвижность электронов в материале. Лю сказал, что материалы с высокой подвижностью обладают свойствами, которые позволяют электронам быстро проходить через них.
Лонг Ченг — соавтор статьи и постдокторант в области машиностроения. Он сказал, что в материалах с низкой подвижностью электронов электроны рассеиваются и не могут двигаться так же быстро, но электроны в сурьме могут двигаться свободно и быстро, потому что рассеиваются не очень сильно.
"В электронике мы предпочитаем, чтобы материалы обладали высокой мобильностью, потому что тогда вы можете просто использовать небольшое электрическое поле, чтобы заставить электроны двигаться очень быстро в материале, и тогда ваши вычисления могут быть быстрее, а ваше хранение данных может быть быстрее", — сказал Лю.
Лю сказал, что, поскольку группа занимается только теоретической работой и компьютерным моделированием, они не создавали новые компьютерные чипы из сурьмы.
"Я бы просто передал (результаты) экспериментальным группам (или) всем, кто в этом заинтересован, чтобы проверить наш прогноз и, надеюсь, добиться успеха", – сказал Лю.
Читайте также: