Dies ist die dritte Folge unserer CPU-Design-Serie. Im ersten Teil haben wir uns mit der Computerarchitektur und der Funktionsweise eines Prozessors von der obersten Ebene aus befasst. Im zweiten Teil wurde untersucht, wie einige Komponenten eines Chips entworfen und implementiert werden. Das dritte Kapitel geht noch einen Schritt weiter und zeigt, wie architektonische und schematische Entwürfe in physische Chips umgewandelt werden.

Wie verwandelt man einen Sandhaufen in einen fortschrittlichen Prozessor? Lass es uns herausfinden.

Wie bereits erwähnt, bestehen Prozessoren und alle anderen digitalen Logikfunktionen aus Transistoren. Ein Transistor ist ein elektronisch gesteuerter Schalter, den wir durch Anlegen oder Entfernen von Spannung am Gate ein- und ausschalten können. Wir haben diskutiert, wie die beiden Haupttransistoren sind: nMOS-Geräte, die bei geöffneter Tür Strom zulassen, und pMOS-Geräte, die bei geschlossener Tür Strom zulassen. Die Grundstruktur eines Prozessors, in dem Transistoren angeordnet sind, ist Silizium. Silizium, Halbleiter weil es nicht vollständig überträgt oder isoliert; irgendwo in der Mitte.

Fertigungsingenieure verwandeln einen Siliziumwafer durch Hinzufügen von Transistoren in eine nützliche Schaltung Doping. Der Dotierungsprozess beinhaltet die Zugabe sorgfältig ausgewählter Verunreinigungen zum Basissiliciumsubstrat, um dessen Leitfähigkeit zu ändern. Das Ziel hier ist es, das Verhalten von Elektronen zu ändern, damit wir sie steuern können. Da es zwei Arten von Transistoren gibt, gibt es zwei entsprechende Haupttypen der Dotierung.




Der Herstellungsprozess eines Wafers vor dem Verpacken der Chips. Bildnachweis: Evan Lissoos




Wenn wir genau kontrollierte Mengen elektronenspendender Elemente wie Arsen, Antimon oder Phosphor hinzufügen, können wir eine Region vom n-Typ erzeugen. Da sich im Siliziumbereich, in dem diese Elemente angewendet werden, mehr Elektronen befinden, wird es negativ geladen. Hier kommt der Name n-Typ und das "n" in nMOS. Durch Hinzufügen von Elektronenakzeptorelementen wie Bor, Indium oder Gallium zu Silizium können wir eine positiv geladene Region vom p-Typ erzeugen. Hier kommt das "p" im p-Typ und pMOS her. Spezifische Verfahren zum Hinzufügen dieser Verunreinigungen zu Silizium, Ionenimplantation ve Ausbreitung und sie gehen über den Rahmen dieses Artikels hinaus.

Jetzt, da wir die elektrische Leitfähigkeit bestimmter Teile unseres Siliziums steuern können, können wir die Eigenschaften mehrerer Regionen kombinieren, um Transistoren zu bilden. Transistoren, die in integrierten Schaltkreisen verwendet werden, die als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) bekannt sind, haben vier Verbindungen. Der Strom, den wir steuern, fließt durch Source und Drain. In einem n-Kanal-Gerät geht es typischerweise in einen Drainagekanal und fließt in einem p-Kanal-Gerät zum und aus dem Drain. Das Gate ist der Schalter zum Ein- und Ausschalten des Transistors. Schließlich ist der Körper des Geräts nicht mit dem Prozessor verbunden, so dass wir hier nicht darauf eingehen werden.







Physikalische Struktur eines Wechselrichters aus Silizium. Jeder farbige Bereich hat unterschiedliche Leitfähigkeitseigenschaften. Beachten Sie, wie die verschiedenen Silikonkomponenten dem Diagramm auf der rechten Seite entsprechen.

Die technischen Details zur Funktionsweise von Transistoren und zur Interaktion verschiedener Regionen reichen aus, um einen Universitätskurs für Hochschulabsolventen zu absolvieren. Wir werden daher die Grundlagen erläutern. Eine gute Analogie für ihre Arbeitsweise ist eine Hängebrücke über einen Fluss. Autos mit Elektronen in unserem Transistor wollen von einer Seite des Flusses zur anderen fließen, der Quelle und Entladung Ihres Transistors. Am Beispiel eines nMOS-Geräts, wenn das Gate nicht geladen ist, die Hängebrücke oben ist und keine Elektronen durch den Kanal fließen können. Wenn wir die Hängebrücke absenken, schaffen wir eine Straße am Fluss und die Autos können sich frei bewegen. Das gleiche passiert mit einem Transistor. Durch das Laden der Tür entsteht ein Kanal, über den Strom zwischen Source und Drain fließen kann.




Hersteller wie Intel und TSMC steuern genau, wo sich die verschiedenen p- und n-Regionen von Silizium befinden Fotolithografie. Dies ist ein äußerst komplexer mehrstufiger Prozess, und Unternehmen geben Milliarden von Dollar aus, um kleinere, schnellere und energieeffizientere Transistoren herzustellen. Stellen Sie sich einen hochpräzisen Drucker vor, mit dem Sie Muster jeder Zone auf Silikon zeichnen können.

Der Prozess der Umwandlung von Transistoren in einen Chip beginnt mit einem Wafer aus reinem Silizium. Es wird dann in einem Ofen erhitzt, um eine dünne Schicht Siliziumdioxid auf der Oberseite des Wafers zu züchten. Ein lichtempfindliches Photoresistpolymer wird auf Siliziumdioxid aufgebracht. Indem wir den Fotolack bei bestimmten Frequenzen beleuchten, können wir den Fotolack in den Bereichen abziehen, die wir dotieren möchten. Dies ist der Lithografieschritt und ähnelt der Vorgehensweise von Druckern, Tinte in einem viel kleineren Maßstab auf bestimmte Bereiche der Seite aufzutragen.

Der Wafer wird mit Flusssäure geätzt, um das Siliziumdioxid zu lösen, von dem der Fotolack entfernt wurde. Der Fotolack wird dann entfernt und nur die darunter liegende Oxidschicht bleibt zurück. Dotierungsionen können dann auf den Wafer aufgebracht werden und sich nur dort implantieren, wo sich Hohlräume im Oxid befinden.




Dieser Prozess des Maskierens, Abbildens und Dotierens wird Dutzende Male wiederholt, um langsam jede Eigenschaftsebene in den Halbleiter zu erzeugen. Nachdem der Basis-Siliziumpegel hergestellt wurde, werden oben Metallverbindungen hergestellt, um verschiedene Transistoren miteinander zu verbinden. Wir werden etwas mehr über diese Verbindungen und Metallschichten erzählen.

Natürlich machen Chiphersteller nicht nur den Prozess der Herstellung von Transistoren nacheinander. Wenn ein neuer Chip entworfen wird, werden Masken für jeden Schritt im Herstellungsprozess hergestellt. Diese Masken enthalten die Positionen jedes Elements der Milliarden von Transistoren auf einem Chip. Mehrere Chips werden zusammengefasst und gleichzeitig auf einem einzigen Chip hergestellt.

Sobald ein Wafer hergestellt ist, werden einzelne Formen in Scheiben geschnitten und verpackt. Abhängig von der Größe eines Chips kann jeder Wafer Hunderte oder mehr Chips aufnehmen. Je stärker der Chip ist, desto größer ist normalerweise die Form, die es dem Hersteller ermöglicht, weniger Chips von jedem Wafer zu erhalten.

Es ist leicht zu glauben, dass wir riesige Chips mit superstarken Hunderten von Kernen herstellen müssen, aber das ist nicht möglich. Derzeit ist der größte Faktor, der uns daran hindert, immer größere Chips herzustellen, Fehler im Herstellungsprozess. Moderne Chips haben Milliarden von Transistoren, und wenn ein einzelner Teil von einem bricht, muss möglicherweise der gesamte Chip verworfen werden. Wenn wir die Größe der Prozessoren erhöhen, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Chip ausfällt.

Die tatsächlichen Renditen, die Unternehmen aus ihren Herstellungsprozessen erzielen, werden geheim gehalten, aber zwischen 70% und 90% sind eine gute Schätzung. Es ist üblich, dass Unternehmen ihre Chips mit zusätzlichen Funktionen überentwickeln, da sie wissen, dass einige Teile nicht funktionieren. Zum Beispiel könnte Intel einen 8-Kern-Chip entwerfen, ihn aber nur als 6-Kern-Chip verkaufen, weil sie vermuteten, dass ein oder zwei Kerne brechen könnten. Chips mit ungewöhnlich wenigen Fehlern werden häufig beiseite gelegt, um in einem bekannten Verfahren zu einem höheren Preis verkauft zu werden. Gruppierung.

Einer der größten Marketingbegriffe im Zusammenhang mit der Chipherstellung ist die Feature-Größe. Intel arbeitet beispielsweise an einem 10-nm-Prozess, AMD verwendet für einige GPUs einen 7-nm-Prozess und TSMC hat begonnen, an einem 5-nm-Prozess zu arbeiten. Was bedeuten all diese Zahlen? Traditionell repräsentiert die Strukturgröße die minimale Breite zwischen dem Drain eines Transistors und seiner Source. Mit fortschreitender Technologie haben wir unsere Transistoren verkleinert, um mehr in einen einzelnen Chip zu passen. Je kleiner die Transistoren sind, desto schneller und schneller werden sie.

Bei der Betrachtung dieser Zahlen ist zu beachten, dass einige Unternehmen ihre Prozessabmessungen möglicherweise auf anderen Abmessungen als der Standardbreite basieren. Dies bedeutet, dass Prozesse unterschiedlicher Größe von verschiedenen Unternehmen tatsächlich zu Transistoren gleicher Größe führen können. Andererseits sind nicht alle Transistoren in einem bestimmten Prozess gleich groß. Designer können einige Transistoren aufgrund bestimmter Variationen größer als andere machen. Für einen gegebenen Entwurfsprozess ist ein kleinerer Transistor schneller, da das Laden und Entladen des Gates weniger Zeit benötigt. Kleinere Transistoren können jedoch nur sehr wenige Ausgänge betreiben. Wenn die Logik etwas verwenden soll, das viel Strom benötigt, wie z. B. einen Ausgangspin, muss der jeweilige Teil größer gemacht werden. Diese Ausgangstransistoren können um Größenordnungen größer sein als interne Logiktransistoren.

Der Tod eines neuen AMD Zen-Prozessors. Mehrere Milliarden Transistoren bilden dieses Design.

Das Design und die Konstruktion von Transistoren sind nur die Hälfte des Chips. Wir müssen Drähte herstellen, um alles gemäß dem Schema zu verbinden. Diese Verbindungen werden unter Verwendung von Metallschichten auf den Transistoren hergestellt. Stellen Sie sich eine mehrstufige Autobahnkreuzung vor, an der sich Rampen, Rampen und verschiedene Straßen kreuzen. Es ist genau das, was in einem Chip passiert, wenn auch in viel kleinerem Maßstab. Unterschiedliche Prozesse weisen unterschiedliche Anzahlen von Metallverbindungsschichten auf den Transistoren auf. Je kleiner die Transistoren sind, desto mehr Metallschichten werden benötigt, um alle Signale zu lenken. Im kommenden 5-nm-Prozess von TMSC wurden 15 Metallschichten gemeldet. Stellen Sie sich eine vertikale Autobahnkreuzung mit 15 Ebenen vor, die Ihnen hilft zu verstehen, wie komplex die Route innerhalb eines Chips ist.

Das Mikroskopbild unten zeigt den Käfig, der aus sieben Metallschichten besteht. Jede Schicht ist flach, und wenn sie aufsteigt, werden die Schichten größer, um den Widerstand zu verringern. Zwischen jeder Schicht befinden sich kleine Metallzylinder, sogenannte Durchkontaktierungen, mit denen zu einer höheren Schicht gesprungen wird. Jede Schicht wird normalerweise von Gold abgelenkt, um unerwünschte Kapazitäten zu reduzieren. Einzelne Metallschichten können verwendet werden, um horizontale Verbindungen herzustellen, und doppelte Schichten, um vertikale Verbindungen herzustellen.

Wie Sie sich vorstellen können, sind all diese Signale und Metallschichten sehr schnell schwer zu handhaben. Um dieses Problem zu lösen, werden Computerprogramme verwendet, um Transistoren automatisch zu lokalisieren und zu lenken. Je nachdem, wie fortschrittlich das Design ist, können Programme sogar Funktionen im C-Code auf hoher Ebene auf die physischen Positionen jedes Kabels und Transistors übertragen. In der Regel ermöglichen Chiphersteller Computern, den größten Teil des Designs automatisch zu generieren und dann bestimmte kritische Abschnitte manuell zu optimieren.

Wenn Unternehmen einen neuen Chip erstellen möchten, beginnen sie ihre Entwürfe mit Standardzellen, die vom Hersteller bereitgestellt werden. Beispielsweise werden Intel oder TSMC den Designern wesentliche Teile wie Logikgatter oder Speicherzellen zur Verfügung stellen. Designer können diese Standardzellen dann zu dem Chip zusammenbauen, den sie bauen möchten. Sie senden dann die Chips, die Layouts der Transistoren des Chips und die Metallschichten, in denen das rohe Silizium in Arbeitschips umgewandelt wird. Diese Layouts werden in Masken umgewandelt, die in dem oben diskutierten Herstellungsprozess verwendet werden. Als nächstes werden wir sehen, wie dieser Entwurfsprozess für einen extrem einfachen Chip aussehen könnte.

Zuerst sehen wir das Layout eines Wechselrichters, einer Standardzelle. Die Oberseite ist der durchgestrichene grüne Rechteck-pMOS-Transistor und die Unterseite ist der transparente grüne Rechteck-nMOS-Transistor. Vertikaler roter Draht ist Polysilicium-Gate, blaue Felder sind Metall 1 und violette Bereiche sind Metall 2. Eingang A kommt von links und Ausgang Y kommt von rechts. Strom- und Erdungsanschlüsse werden über und unter Metall 2 hergestellt.

 

Wenn mehrere Gatter kombiniert werden, haben wir hier eine grundlegende 1-Bit-Arithmetikeinheit. Dieser Entwurf kann logische Operationen an zwei 1-Bit-Eingängen addieren, subtrahieren und ausführen. Schräg blaue Drähte, die vertikal verlaufen, bestehen aus 3 Metallschichten. Die etwas größeren Quadrate an den Enden der Stränge sind Pfade, die die beiden Schichten verbinden.

Schließlich haben wir einen einfachen 4-Bit-Prozessor mit 8 Byte RAM in vier Metallschichten, der viele Zellen und etwa 2.000 Transistoren miteinander kombiniert. Angesichts der Kompliziertheit können wir uns nur die Herausforderung vorstellen, eine 64-Bit-CPU mit Megabyte Cache, mehreren Kernen und mehr als 20 Pipeline-Ebenen zu entwerfen. Angesichts der Tatsache, dass heutige Hochleistungs-CPUs 5 bis 10 Milliarden Transistoren und ein Dutzend Metallschichten aufweisen können, ist es keine Übertreibung zu sagen, dass diese buchstäblich millionenfach komplexer sind.

Dies sollte Ihnen ein Verständnis dafür geben, warum Ihre neue CPU eine teure Technologie ist oder warum es zwischen AMD- und Intel-Produktversionen so lange dauert. Normalerweise dauert es 3 bis 5 Jahre, bis ein neuer Chip vom Zeichenbrett auf den Markt kommt. Dies bedeutet, dass die schnellsten Chips von heute mit ein paar Jahren Technologie hergestellt werden und wir viele Jahre lang keine Chips mit der heutigen modernen Fertigungstechnologie sehen werden.

Damit sind wir alle mit unserem tiefen Eintauchen in den Aufbau von Prozessoren fertig.

In der nächsten vierten und letzten Folge der Serie werden wir aus dem physischen Raum zurückkehren und aktuelle Trends in der Branche betrachten. Was tun Forscher jetzt, um die nächste Computergeneration noch schneller zu machen?

Im dritten Teil der Serie untersuchten wir die Physik der Funktionsweise von Transistoren, der Bildung ihrer einzelnen Komponenten in Silizium und der Verbindung zu nützlichen Schaltkreisen und Chips.

Masthead Kredit: Halbleiterproduktionsbild mit Makro