Тэхналогія вырабу чыпаў для планшэтаў
Прадукцыйнасць сучаснага планшэта ў значнай ступені вызначаецца ўнутры ўсталяваным чыпам — звычайна гэта SoC (сістэма на чыпе), якая аб'ядноўвае ў адным корпусе цэнтральны працэсар, графічны працэсар, нейронны працэсар/паскаральнік штучнага інтэлекту, мадэм (на мабільных мадэлях), працэсар апрацоўкі выяваў (ISP) і кантролер памяці. За магчымасцю запускаць патрабавальныя праграмы, гуляць у гульні, маляваць стылусам або выконваць некалькі задач адначасова стаіць працяглы працэс, які называецца тэхналогіяй вырабу чыпаў. У гэтым артыкуле абмяркоўваецца, як вырабляюцца чыпы для планшэтаў, што азначае «нанаметр», чаму працэс вырабу мае значэнне для эфектыўнасці батарэі, а таксама галіновыя тэндэнцыі, якія фарміруюць сучасныя планшэты.
Ад праектавання да крэмнію: агляд працэсу вырабу
Вытворчасць мікрасхем пачынаецца задоўга да таго, як крэмніевая пласціна трапляе на завод. Такія кампаніі, як Apple, Qualcomm, MediaTek або Samsung, звычайна распрацоўваюць архітэктуры SoC з выкарыстаннем моў апісання абсталявання (HDL) і інструментаў аўтаматызацыі праектавання электронікі (EDA). Пасля праверкі лагічнага праекта праводзіцца сінтэз, аналіз размяшчэння і маршрутызацыі, часу і спажывання энергіі. Затым канчатковы праект пераўтвараецца ў набор масак — серыю фоталітаграфічных «штампаў», якія пераносяць транзістарныя шаблоны і шляхі ўзаемасувяз на пласціну.
Пасля таго, як канструкцыя гатовая, паўправадніковыя ліцейныя заводы, такія як TSMC або Samsung Foundry, ажыццяўляюць вытворчы працэс у чыстых памяшканнях з строгім кантролем часціц. Адна пылінка можа пашкодзіць некалькі крышталяў на пласціне з-за надзвычай малога памеру транзістарных элементаў.
Крэмніевыя пласціны: палатно для транзістараў
Чыпы вырабляюцца на крэмніевых пласцінах — дысках з ультрачыстага крэмнію, звычайна дыяметрам 300 мм. Гэтыя пласціны паліруюцца да ідэальнай роўнасці, а затым пакрываюцца рознымі тонкімі плёнкамі матэрыялу з дапамогай такіх працэсаў, як:
– Акісленне: утварае пласт дыяксіду крэмнію.
– CVD/PVD/ALD: вырошчванне або адкладванне слаёў, такіх як нітрыд, дыэлектрык з высокай пранікальнасцю або метал.
– Іонная імплантацыя: «стралянне» іонаў для ўтварэння абласцей n-тыпу і p-тыпу, неабходных для транзістара.
– Адпал: награванне для паляпшэння крышталічнай рашоткі і актывацыі прымешкі.
Гэтыя этапы паўтараюцца паўторна, фарміруючы структуру транзістараў, а затым сетку металічных правадоў (злучэнняў), якія злучаюць мільярды транзістараў у поўную вылічальную сістэму.
Фоталітаграфія: маляванне ланцугоў з дапамогай святла
Асновай сучаснай вытворчасці з'яўляецца фоталітаграфія, пры якой малюнак з маскі пераносіцца на пласціну з дапамогай святла. Пласціна пакрываецца фотарэзістам (святлоадчувальным матэрыялам), а затым экспануецца праз высокадакладную аптычную сістэму. Затым пласціна прамываецца (праяўляецца), каб растварыць пэўныя часткі рэзіста, пакідаючы малюнак, які потым можна выкарыстоўваць у наступных працэсах травлення або нанясення лакаў.
Чым меншы малюнак, які можна надрукаваць, тым вышэйшая шчыльнасць транзістараў. Тут і ўступаюць у гульню такія тэхналогіі, як DUV (глыбокае ультрафіялетавае выпраменьванне) і EUV (экстрэмальнае ультрафіялетавае выпраменьванне):
– DUV (193 нм): выкарыстоўваецца ўжо даўно і дагэтуль дамінуе для многіх слаёў. Для невялікіх вузлоў DUV часта патрабуе шматшаблонаў (друку паўтаральных шаблонаў з некалькімі маскамі), што павялічвае кошт і складанасць.
– EUV (13,5 нм): дазваляе друкаваць меншыя элементы з меншай колькасцю крокаў, што дапамагае паменшыць варыяцыі працэсу і павялічыць прадукцыйнасць на складаных вузлах.
Высокакласныя планшэтныя чыпы звычайна вырабляюцца з выкарыстаннем працэсаў з выкарыстаннем ультрафіялетавага выпраменьвання (EUV) для дасягнення найлепшай шчыльнасці і эфектыўнасці.
Што азначае «нанаметр» у працэсе вырабу?
Такія тэрміны, як 7 нм, 5 нм і 3 нм, часта выкарыстоўваюцца для групавання пакаленняў працэсаў. Аднак сучасная лічба «нм» ужо не з'яўляецца адзіным літаральным вымярэннем (напрыклад, даўжыня затвора транзістара). Хутчэй, яна ўяўляе сабой пакет тэхналагічных удасканаленняў: шчыльнасць транзістараў, энергаэфектыўнасць, прадукцыйнасць і правілы праектавання.
У цэлым, меншыя вузлы дазваляюць:
– Больш транзістараў у той жа плошчы → больш багатыя функцыі (большы графічны працэсар, больш магутны нейронны працэсар).
– Меншае спажыванне энергіі пры эквівалентнай прадукцыйнасці → больш працяглы тэрмін службы батарэі.
– Больш высокая прадукцыйнасць пры эквівалентнай магутнасці → хутчэйшы планшэт без перагрэву.
Аднак меншыя вузлы таксама даражэйшыя і складанейшыя ў вытворчасці, таму яны звычайна выкарыстоўваюцца для прэміяльных планшэтных SoC.
Эвалюцыя структуры транзістара: планарны → FinFET → GAAFET
Каб транзістары былі «кантраляванымі» пры малых памерах, іх фізічная структура змянілася:
1. Планарны MOSFET: класічны плоскі транзістар, які пачынае адчуваць цяжкасці з уцечкай па меры памяншэння яго памеру.
2. FinFET: транзістар з рэбрамі, якія паляпшаюць кіраванне затворам канала, падаўляючы ўцечку і павялічваючы эфектыўнасць. Многія планшэтныя чыпы, вырабленыя па тэхналогіях ад 16 да 5 нм, абапіраюцца на варыяцыі FinFET.
3. GAAFET (Gate-All-Around): наступнае пакаленне пасля FinFET, дзе затвор акружае канал (часта наналіст) для яшчэ лепшага кіравання. Гэтая тэхналогія накіравана на павышэнне эфектыўнасці і далейшага маштабавання на вельмі малых вузлах.
Для планшэтаў больш дасканалыя структуры транзістараў азначаюць, што высокай прадукцыйнасці можна дасягнуць у вузкіх тэмпературных межах, бо планшэты не маюць халадзільных камер, як у ноўтбукаў.
Злучальныя пласты: «шашы» ўнутры чыпа
Транзістары — не адзіны важны фактар. Злучэнні паміж блокамі (працэсар, графічны працэсар, кэш, кантролер памяці) патрабуюць шматслаёвай металічнай сеткі. Выраб злучэнняў уключае ў сябе:
– Дыэлектрык з нізкім утрыманнем k для зніжэння ёмістасці (зніжэнне магутнасці і павелічэнне хуткасці сігналу).
– Металізацыя (звычайна медзь, а таксама бар'ерны пласт).
– ХМП (хімічна-механічная планарызацыя) для выраўноўвання паверхні на кожным этапе.
У сучасных планшэтных SoC прадукцыйнасць часта абмежаваная «адлегласцю» і супраціўленнем шляху, таму аптымізацыя ўзаемасувязі і тапалогіі (напрыклад, шына, fabric або NoC) гэтак жа важная, як і хуткія транзістары.
Выхад, кантэйнер і якасць: чаму не ўсе чыпсы аднолькавыя
Пасля таго, як пласціна гатовая, кожны крышталь правяраецца. Не ўсе крышталі ідэальныя — мікраскапічныя дэфекты могуць прывесці да паломкі некаторых блокаў. Рэсурс — гэта працэнт крышталяў, якія працуюць належным чынам. З больш складанымі вузламі, асабліва на ранніх этапах вытворчасці, узровень рэсурсу больш высокі.
Акрамя класіфікацыі па тыпу «здаў/не здаў», мікрасхемы таксама класіфікуюцца (падзяляюцца на групы) на аснове частаты і спажыванай магутнасці. Гэта адна з прычын, чаму могуць узнікаць адрозненні ў прадукцыйнасці паміж прыладамі, нават калі яны ўсё яшчэ знаходзяцца ў межах бяспечных спецыфікацый.
Для вытворцаў планшэтаў прыбытак уплывае на выдаткі: 3-нм працэс можа забяспечваць высокую эфектыўнасць, але ён таксама павялічвае кошт пласцін і складанасць вытворчасці.
Упакоўка: злучэнне чыпаў з рэальным светам
Пасля таго, як крышталь выразаецца з пласціны (наразаецца на пласціны), чып пераходзіць на этап упакоўкі. У планшэтах упакоўка практычна вызначае памер платы, эфектыўнасць сігналу і спажыванне энергіі. Некаторыя распаўсюджаныя падыходы:
– BGA з перавернутым чыпам: крышталь перагортваецца і злучаецца з падкладкай прыпоем, што забяспечвае карацейшае злучэнне, чым пры выкарыстанні дроцянога злучэння.
– PoP (Package on Package): аператыўная памяць размяшчаецца па-над SoC, скарачаючы шляхі перадачы дадзеных і эканомячы месца — распаўсюджаная з'ява ў мабільных прыладах.
– Пашыраная ўпакоўка: у тым ліку прамежкавыя элементы, разгалінаванне або больш складаныя стэкі для павелічэння прапускной здольнасці і эфектыўнасці.
Упакоўка мае вырашальнае значэнне, бо планшэты патрабуюць тонкай, лёгкай, але кампактнай канструкцыі. Гэта таксама ўплывае на цеплавыя характарыстыкі: цяпло павінна перадавацца ад крышталя да корпуса прылады праз цеплаізаляцыйныя матэрыялы і цеплараспределители.
Уплыў вырабу на карыстальніцкі досвед планшэта
Тэхналогія вырабу — гэта не толькі фабрычная справа; карыстальнікі адчуваюць яе непасрэдна праз:
– Тэрмін службы батарэі: больш прасунутыя вузлы і больш эфектыўныя транзістары зніжаюць спажыванне энергіі ў рэжыме чакання і пры ўмеранай нагрузцы.
– Тэмпература і троттлінг: планшэты маюць абмежаванні ў астуджэнні. Больш эфектыўныя чыпы могуць падтрымліваць прадукцыйнасць даўжэй без зніжэння частаты.
– Магчымасці штучнага інтэлекту на прыладзе: большы і больш энергаэфектыўны нейронны працэсар дазваляе выкарыстоўваць такія функцыі, як распазнаванне почырку, інтэлектуальнае рэдагаванне фатаграфій або транскрыпцыю, не залежачы ад воблака.
– Графіка і дысплей: Больш магутныя графічныя працэсары падтрымліваюць высокую частату абнаўлення, вялікія дазволы і больш складаны рэндэрынг.
Будучыя тэндэнцыі: чыплеты, трохмернае стэкінгаванне і надзвычайная эфектыўнасць
Прамысловасць развіваецца ў некалькіх асноўных напрамках:
1. Чыплет і дэзагрэгацыя: разбіццё вялікай сістэмы на кристале на некалькі крышталяў, злучаных хуткімі міжзлучэннямі. Гэта можа павялічыць гнуткасць дызайну і прадукцыйнасць, але таксама павялічвае складанасць камплектацыі.
2. 3D-стэкінг: стэкінг крышталяў (логікі і памяці) для скарачэння адлегласці сігналу і павелічэння прапускной здольнасці — перспектыўны варыянт для штучнага інтэлекту і графікі.
3. Аптымізацыя «прадукцыйнасці на ват»: паколькі асноўнымі абмежаваннямі планшэтаў з'яўляюцца батарэя і нагрэў, інавацыі ў вытворчасці будуць працягваць засяроджвацца на эфектыўнасці, а не толькі на пікавай частаце.
Закрыццё
Тэхналогія вырабу мікрасхем для планшэтаў — гэта складанае спалучэнне схемотэхнікі, матэрыялазнаўства, высокадакладнай фоталітаграфіі, перадавых транзістарных структур, шматслаёвых міжзлучэнняў і перадавой упакоўкі. Кожны тэхналагічны скачок — ад DUV да EUV, ад FinFET да GAAFET, ад традыцыйнай да перадавой упакоўкі — у канчатковым выніку прыводзіць да таго, што адчуваюць карыстальнікі: хутчэйшыя, больш эфектыўныя з пункту гледжання батарэі і больш стабільныя планшэты. У эпоху мабільных вылічэнняў, якія ўсё больш патрабуюць штучнага інтэлекту і высокапрадукцыйнай графікі, вытворчасць мікрасхем застанецца цэнтрам інавацый, які будзе вызначаць кірунак эвалюцыі планшэтаў у будучыні.
