Porady
Laboratorium krzemowego alchemika
PC Format 1/2019

Produkcja procesorów i układów graficznych to jedne z najbardziej zaawansowanych procesów technologicznych na świecie. O tym, jak trudno wytwarza się skomplikowane struktury półprzewodnikowe, świadczy fakt, że Intel wciąż produkuje swoje układy w 14-nanometrowym procesie technologicznym, mimo że już kilka lat temu zapowiedział, że szybko przejdzie na proces 10-nanometrowy. Tymczasem firmie TSMC, produkującej dla AMD, udało się pokonać trudności i już wkrótce zobaczymy 7-nanometrowe Ryzeny. Marcin Bieńkowski


Układy scalone, takie jak procesory, pamięci RAM, układy graficzne czy chipsety, składają się z mniejszej lub większej liczby tranzystorów tworzących strukturę logiczną układu, która pozwala procesorowi przeprowadzać obliczenia, a pamięci RAM przechowywać dane. Oczywiście im bardziej skomplikowany jest układ, z tym większej liczby tranzystorów się składa.

Dla przykładu pierwszy procesor Intela z 1971 roku, Intel 4004, zbudowany był z tylko 2300 tranzystorów, które zajmowały powierzchnię 12 mm2. Dzisiaj najbardziej zaawansowany domowy procesor Intela, ośmiordzeniowy Core i9-9900K, ma ich już ponad trzy miliardy. Mieszczą się one na powierzchni zaledwie 174 mm2. Obecnie największymi układami scalonymi są procesory graficzne. GeForce RTX 2080 Ti mierzy 754 mm2 i zawiera 18,6 miliarda tranzystorów.

Jak widać, na coraz mniejszej krzemowej powierzchni „upycha” się coraz więcej tranzystorów. Dla osób zajmujących się technologiami półprzewodnikowymi nie jest to wcale dziwne. Od wielu lat mamy bowiem do czynienia ze stałym rozwojem metod produkcji układów scalonych. Fabryki półprzewodników zmniejszają też sukcesywnie rozmiar wspomnianego wymiaru procesu technologicznego. Jeszcze kilka lat temu określany w nanometrach wymiar technologiczny opisywał długość boku kwadratu, w którym mieściły się wszystkie elementy tranzystora i związany był z bezpośrednio z procesem, który nazywany jest litografią. Obecnie, od czasów technologii 22 nm, wymiar odnosi się wyłącznie do konkretnej generacji układów produkowanych za jej pomocą i nie ma żadnego związku z wielkością elementów tranzystora, a jedynie z szerokością wiązki światła użytej do ich produkcji.

Krzemowy wafel, czyli baza do produkcji

Wszystkie tranzystory, które tworzą później procesor, wytwarza się bezpośrednio na powierzchni bardzo czystego, monokrystalicznego krzemu. Monokryształ oznacza, że użyty do produkcji blok krzemu, niezależnie od rozmiarów, jest jednym dużym kryształem. Ponieważ wykonanie wszystkich tranzystorów i niezbędnych do ich działania połączeń elektrycznych wymaga nawet kilkuset operacji technologicznych, co może trwać do 15–20 tygodni, trzeba było znaleźć sposób na to, aby nie wytwarzać procesorów pojedynczo, ale dużymi partiami, po kilkaset sztuk na raz.

Sposobem na to okazały się krzemowe wafle, czyli okrągłe i oszlifowane monokrystaliczne płytki z krzemu o grubości od 0,5 do 1 mm i średnicy – obecnie – 200 lub 300 mm. Większość współczesnych fabryk korzysta z takich 300-milimetrowych „nośników”. Mają one ustandaryzowaną grubość 775 µm, a na jednym takim waflu mieści się przeciętnie ok. 300–450 procesorów takich jak Intel Core czy AMD Ryzen.

Oczywiście im średnica takiej krzemowej płytki jest większa, tym więcej można jednocześnie wytworzyć procesorów. Niestety duży wafel oznacza pojawienie się większych trudności technologicznych. Obecnie trwają pracę nad wprowadzeniem „plastrów” o średnicy 450 mm. Nawet jeśli wszystkie związane z tym kłopoty zostaną pokonane, to i tak przewiduje się, że producenci zaczną z nich korzystać dopiero za kilka lat.



Zobacz również