Պլանշետների համար չիպերի արտադրության տեխնոլոգիա
Ժամանակակից պլանշետի աշխատանքը մեծապես որոշվում է ներսում գտնվող չիպով, որը սովորաբար SoC (System on Chip) է, որը մեկ փաթեթում համատեղում է պրոցեսորը, գրաֆիկական պրոցեսորը, NPU/AI արագացուցիչը, մոդեմը (բջջային մոդելների վրա), պատկերի պրոցեսորը (ISP) և հիշողության կարգավորիչը: Պահանջկոտ ծրագրեր գործարկելու, խաղեր խաղալու, գրիչով նկարելու կամ միաժամանակ մի քանի գործողություններ միաժամանակ կատարելու հնարավորության հետևում կանգնած է երկարատև գործընթաց, որը կոչվում է չիպերի արտադրության տեխնոլոգիա: Այս հոդվածում քննարկվում է, թե ինչպես են պատրաստվում պլանշետների չիպերը, ինչ է նշանակում «նանոմետր», ինչու է արտադրության գործընթացը կարևոր մարտկոցի արդյունավետության համար, և արդյունաբերության միտումները, որոնք ձևավորում են այսօրվա պլանշետները:
Դիզայնից մինչև սիլիկոն. Արտադրության հոսքի ակնարկ
Չիպերի արտադրությունը սկսվում է դեռևս սիլիկոնային վաֆլի գործարան մտնելուց շատ առաջ: Apple-ի, Qualcomm-ի, MediaTek-ի կամ Samsung-ի նման ընկերությունները սովորաբար SoC ճարտարապետություններ են նախագծում՝ օգտագործելով սարքավորումների նկարագրության լեզուներ (HDL) և էլեկտրոնային նախագծման ավտոմատացման (EDA) գործիքներ: Երբ տրամաբանական նախագծումը հաստատվում է, կատարվում է սինթեզ, տեղակայման և երթուղու, ժամանակի և էներգիայի սպառման վերլուծություն: Վերջնական նախագծումը այնուհետև վերածվում է դիմակների հավաքածուի՝ ֆոտոլիտոգրաֆիկ «կնիքների» շարքի, որոնք տրանզիստորային նախշերը և միացման ուղիները փոխանցում են վաֆլիին:
Երբ դիզայնը պատրաստ է, TSMC-ի կամ Samsung Foundry-ի նման կիսահաղորդչային ձուլարանները արտադրական գործընթացն իրականացնում են մաքուր սենյակներում՝ մասնիկների խիստ վերահսկմամբ: Մեկ փոշու մի կաթիլը կարող է վնասել թիթեղի վրա գտնվող բազմաթիվ մատրիցներ՝ տրանզիստորների չափազանց փոքր չափերի պատճառով:
Սիլիկոնային թիթեղներ. կտավ տրանզիստորների համար
Չիպերը կառուցվում են սիլիցիումային թիթեղների վրա՝ գերմաքուր սիլիցիումի սկավառակների, որոնք սովորաբար ունեն 300 մմ տրամագիծ: Այս թիթեղները հղկվում են մինչև կատարյալ հարթություն, այնուհետև պատվում են տարբեր բարակ թաղանթներով՝ հետևյալ գործընթացների միջոցով.
– Օքսիդացում՝ առաջացնում է սիլիցիումի երկօքսիդի շերտ։
– CVD/PVD/ALD. աճեցնում կամ նստեցնում է նիտրիդի, բարձր k-ի դիէլեկտրիկի կամ մետաղի նման շերտեր։
– Իոնների իմպլանտացիա. իոնների «արտանետում»՝ տրանզիստորի համար անհրաժեշտ n-տիպի և p-տիպի շրջաններ ձևավորելու համար։
– Մղում. տաքացում՝ բյուրեղային ցանցը բարելավելու և լցանյութը ակտիվացնելու համար։
Այս քայլերը կրկնվում են բազմիցս՝ ձևավորելով տրանզիստորների կառուցվածքը, ապա մետաղական լարերի (միջմիացումների) ցանցը, որոնք միլիարդավոր տրանզիստորներ են միացնում ամբողջական հաշվողական համակարգի մեջ։
Լուսավիտոգրաֆիա. Սխեմաների գծագրում լույսով
Ժամանակակից արտադրության սիրտը ֆոտոլիտոգրաֆիան է, որը լույսի միջոցով պատկերը փոխանցում է դիմակից վաֆլիի վրա: Վաֆլին պատվում է լուսառեզիստով (լուսազգայուն նյութ) և այնուհետև ենթարկվում է բարձր ճշգրտության օպտիկական համակարգի միջով: Այնուհետև վաֆլին լվացվում (մշակվում) է ռեզիստի որոշակի մասեր լուծելու համար՝ թողնելով պատկեր, որը կարող է օգտագործվել հետագա փորագրման կամ նստեցման գործընթացներում:
Որքան փոքր է տպվող պատկերը, այնքան բարձր է տրանզիստորի խտությունը։ Ահա թե որտեղ են գործի դրվում DUV (խորը ուլտրամանուշակագույն) և EUV (ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույն) տեխնոլոգիաները։
– DUV (193 նմ). օգտագործվել է երկար ժամանակ և դեռևս գերիշխող է բազմաթիվ շերտերի համար: Փոքր հանգույցների համար DUV-ն հաճախ պահանջում է բազմակի նախշերի տպագրություն (կրկնվող նախշերի տպագրություն բազմաթիվ դիմակներով), ինչը մեծացնում է ծախսը և բարդությունը:
– EUV (13,5 նմ). հնարավորություն է տալիս տպել ավելի փոքր տարրեր ավելի քիչ քայլերով, օգնելով նվազեցնել գործընթացի տատանումները և բարձրացնել արտադրողականությունը առաջադեմ հանգույցներում։
Բարձրակարգ պլանշետային չիպերը սովորաբար արտադրվում են այնպիսի գործընթացներով, որոնք օգտագործում են EUV՝ լավագույն խտության և արդյունավետության հասնելու համար։
Ի՞նչ է նշանակում «նանոմետր» բառը արտադրության գործընթացում։
Գործընթացների սերունդները խմբավորելու համար հաճախ օգտագործվում են 7 նմ, 5 նմ և 3 նմ նման տերմիններ: Այնուամենայնիվ, ժամանակակից «նմ» թիվը այլևս միակ, բառացի չափում չէ (օրինակ՝ տրանզիստորի դարպասի երկարություն): Այն ավելի շուտ ներկայացնում է տեխնոլոգիական բարելավումների փաթեթ՝ տրանզիստորի խտություն, էներգաարդյունավետություն, կատարողականություն և նախագծման կանոններ:
Ընդհանուր առմամբ, փոքր հանգույցները թույլ են տալիս.
– Ավելի շատ տրանզիստորներ նույն տարածքում → ավելի հարուստ հնարավորություններ (ավելի մեծ GPU, ավելի հզոր NPU):
– Ավելի ցածր էներգիայի սպառում՝ համարժեք կատարողականությամբ → մարտկոցի ավելի երկար աշխատանքային կյանք։
– Ավելի բարձր արդյունավետություն համարժեք հզորությամբ → ավելի արագ պլանշետ՝ առանց գերտաքացման։
Սակայն, փոքր հանգույցները նաև ավելի թանկ են և ավելի դժվար արտադրվող, ուստի դրանք սովորաբար օգտագործվում են պրեմիում պլանշետային SoC-ների համար։
Տրանզիստորի կառուցվածքի էվոլյուցիան. Պլանար → FinFET → GAAFET
Տրանզիստորները փոքր չափերի դեպքում «կառավարելու» համար դրանց ֆիզիկական կառուցվածքը զարգացել է.
1. Պլանար MOSFET. դասական հարթ տրանզիստոր, որը չափի փոքրացմանը զուգընթաց սկսում է դժվարանալ արտահոսքի հետ գործ ունենալը։
2. FinFET. տրանզիստոր՝ թևիկներով, որոնք բարելավում են դարպասի կառավարումը ալիքի վրա, կանխում արտահոսքը և մեծացնում արդյունավետությունը: 16-ից 5 նմ տրամագծով պլանշետային չիպերի մեծ մասը հիմնված է FinFET-ի տարբերակների վրա:
3. GAAFET (Gate-All-Around). FinFET-ից հետո հաջորդ սերունդը, որտեղ դարպասը շրջապատում է ալիքը (հաճախ՝ նանոշերտ)՝ ավելի լավ կառավարման համար: Այս տեխնոլոգիան նպատակաուղղված է շատ փոքր հանգույցների արդյունավետությանը և հետագա մասշտաբավորմանը:
Պլանշետների դեպքում ավելի առաջադեմ տրանզիստորային կառուցվածքները նշանակում են, որ բարձր արտադրողականության հասնելը դեռևս հնարավոր է նեղ ջերմային սահմաններում, քանի որ պլանշետները չունեն նոութբուքերի սառեցման խցիկներ։
Միացման շերտեր. չիպի ներսում գտնվող «մայրուղիները»
Տրանզիստորները միակ կարևոր գործոնը չեն։ Բլոկների միջև կապերը (CPU, GPU, քեշ, հիշողության կարգավորիչ) պահանջում են բազմաշերտ մետաղական ցանց։ Միացման միացումների պատրաստումը ներառում է.
– Low-k դիէլեկտրիկ՝ տարողունակությունը նվազեցնելու համար (հզորությունը նվազեցնելու և ազդանշանի արագությունը մեծացնելու համար):
– Մետաղացում (սովորաբար պղինձ, ինչպես նաև պատնեշային շերտ):
– CMP (քիմիական-մեխանիկական պլանարիզացիա)՝ յուրաքանչյուր փուլում մակերեսը հարթեցնելու համար։
Ժամանակակից պլանշետային SoC կոնստրուկցիաներում արտադրողականությունը հաճախ սահմանափակվում է «հեռավորությամբ» և ուղու դիմադրությամբ, ուստի միջմիացման և տոպոլոգիայի օպտիմալացումը (օրինակ՝ ավտոբուս, fabric կամ NoC) նույնքան կարևոր է, որքան արագ տրանզիստորները։
Արդյունավետություն, արկղ և որակ. Ինչու՞ բոլոր չիպսերը նույնը չեն
Երբ թիթեղը պատրաստ է, յուրաքանչյուր մատրից ստուգվում է։ Ոչ բոլոր մատրիցներն են կատարյալ. մանրադիտակային թերությունները կարող են որոշ սարքերի խափանման պատճառ դառնալ։ Արտադրողականությունը ճիշտ աշխատող մատրիցների տոկոսն է։ Առաջադեմ հանգույցները, որպես կանոն, ավելի դժվար են արտադրողականության առումով, հատկապես արտադրության սկզբնական փուլում։
Բացի հաջող/ձախողված փորձարկումներից, չիպերը դասակարգվում են (խմբավորվում) նաև հաճախականության և էներգիայի սպառման հիման վրա: Սա է պատճառներից մեկը, որ սարքերի միջև կարող են առաջանալ աշխատանքի տարբերություններ, նույնիսկ եթե դրանք դեռևս գտնվում են անվտանգ սպեցիֆիկացիաների սահմաններում:
Պլանշետների արտադրողների համար արտադրողականությունը ազդում է ծախսերի վրա. 3 նմ պրոցեսը կարող է ապահովել բարձր արդյունավետություն, բայց այն նաև մեծացնում է վաֆլիների գինը և արտադրության բարդությունը։
Փաթեթավորում. Չիպերի կապը իրական աշխարհի հետ
Մատրիցը վաֆլիից կտրելուց (կտրելուց) հետո չիպը անցնում է փաթեթավորման փուլ: Պլանշետներում փաթեթավորումը գործնականում որոշում է տախտակի չափը, ազդանշանի արդյունավետությունը և էներգիայի սպառումը: Որոշ տարածված մոտեցումներ՝
– Շրջվող չիպով BGA. մատրիցը շրջվում է և միացվում հիմքին բումային զոդանյութով, ապահովելով ավելի կարճ միացում, քան մետաղալարային միացումը։
– PoP (Փաթեթ փաթեթի վրա). RAM-ը դասավորված է SoC-ի վերևում՝ կրճատելով ուղիները և խնայելով տարածք, ինչը տարածված է բջջային սարքերում:
– Առաջադեմ փաթեթավորում. ներառյալ միջերեսներ, օդափոխիչներ կամ ավելի բարդ փաթեթներ՝ թողունակությունը և արդյունավետությունը մեծացնելու համար։
Փաթեթավորումը կարևոր է, քանի որ պլանշետները պահանջում են բարակ, թեթև, բայց կոմպակտ դիզայն։ Ջերմային կատարողականությունը նույնպես տուժում է. ջերմությունը պետք է փոխանցվի մատրիցից սարքի շասսիին՝ ջերմային միջերեսային նյութերի և ջերմափոխանակիչների միջոցով։
Արտադրության ազդեցությունը պլանշետի օգտագործողի փորձի վրա
Արտադրության տեխնոլոգիան միայն գործարանային գործ չէ, այն անմիջապես զգացվում է օգտագործողների կողմից՝ հետևյալի միջոցով.
– Մարտկոցի աշխատանքի տևողությունը. ավելի առաջադեմ հանգույցները և ավելի արդյունավետ տրանզիստորները նվազեցնում են պարապ և չափավոր բեռի էներգիայի սպառումը։
– Ջերմաստիճան և գազի կարգավորում. Պլանշետներն ունեն սառեցման սահմանափակումներ: Ավելի արդյունավետ չիպերը կարող են ավելի երկար պահպանել իրենց աշխատանքը՝ առանց հաճախականությունները նվազեցնելու:
– Սարքի վրա տեղադրված արհեստական բանականության հնարավորություններ. ավելի մեծ, ավելի էներգաարդյունավետ NPU-ն հնարավորություն է տալիս օգտագործել ձեռագրի ճանաչում, ինտելեկտուալ լուսանկարների խմբագրում կամ տառադարձում՝ առանց միշտ ամպային տեխնոլոգիաներին ապավինելու։
– Գրաֆիկա և էկրան. Ավելի հզոր գրաֆիկական պրոցեսորները աջակցում են բարձր թարմացման հաճախականություններին, մեծ թույլտվություններին և ավելի բարդ մշակմամբին։
Ապագայի միտումներ՝ չիփլետներ, 3D կուտակում և ծայրահեղ արդյունավետություն
Արդյունաբերությունը զարգանում է մի քանի հիմնական ուղղություններով.
1. Չիպլետ և ապաագրեգացում. մեծ SoC-ի բաժանումը մի քանի մատրիցների, որոնք միացված են արագ միջմիավորներով: Սա կարող է մեծացնել դիզայնի ճկունությունը և արտադրողականությունը, բայց նաև մեծացնում է փաթեթավորման բարդությունը:
2. 3D շերտավորում. դրոշմների (տրամաբանական և հիշողության) շերտավորում՝ ազդանշանների հեռավորությունը կրճատելու և թողունակությունը մեծացնելու համար, ինչը խոստումնալից է արհեստական բանականության և գրաֆիկայի համար։
3. «Վատտի հաշվով կատարողականի» օպտիմալացում. քանի որ պլանշետների հիմնական սահմանափակումները մարտկոցն ու ջերմությունն են, արտադրության նորարարությունը կշարունակի կենտրոնանալ արդյունավետության վրա, այլ ոչ թե միայն գագաթնակետային հաճախականության վրա։
Penutup
Պլանշետների համար չիպերի արտադրության տեխնոլոգիան սխեմաների նախագծման, նյութագիտության, բարձր ճշգրտության լուսանկարչության, առաջադեմ տրանզիստորային կառուցվածքների, բազմաշերտ միջկապերի և առաջադեմ փաթեթավորման բարդ համադրություն է: Յուրաքանչյուր գործընթացային թռիչք՝ DUV-ից մինչև EUV, FinFET-ից մինչև GAAFET, ավանդականից մինչև առաջադեմ փաթեթավորում, ի վերջո հանգեցնում է այն բանին, ինչ օգտատերերը զգում են. ավելի արագ, ավելի մարտկոցի խնայող և ավելի կայուն պլանշետներ: Բջջային հաշվարկների դարաշրջանում, որն ավելի ու ավելի է պահանջում արհեստական բանականություն և բարձր արդյունավետության գրաֆիկա, չիպերի արտադրությունը կմնա նորարարության կենտրոն, որը կորոշի պլանշետների էվոլյուցիայի ուղղությունը ապագայում:
