Технологија за производство на чипови за таблети
Перформансите на модерниот таблет во голема мера се определени од чипот во внатрешноста - обично SoC (Систем на чип) кој комбинира процесор, графичка картичка, NPU/AI акцелератор, модем (кај мобилни модели), процесор за слика (ISP) и мемориски контролер во еден пакет. Зад можноста за извршување на апликации со големи барања, играње игри, цртање со пенкало или мултитаскинг стои долг процес наречен технологија за производство на чипови. Оваа статија дискутира за тоа како се прават чипови за таблети, што значи „нанометар“, зошто процесот на производство е важен за ефикасноста на батеријата и индустриските трендови што ги обликуваат денешните таблети.
Од дизајн до силикон: Преглед на процесот на изработка
Производството на чипови започнува долго пред силиконската плочка да влезе во фабриката. Компании како Apple, Qualcomm, MediaTek или Samsung обично дизајнираат SoC архитектури користејќи јазици за опис на хардвер (HDL) и алатки за електронска автоматизација на дизајнот (EDA). Откако ќе се потврди логичкиот дизајн, се вршат синтеза, поставување и рутирање, временска анализа и анализа на потрошувачката на енергија. Конечниот дизајн потоа се претвора во сет на маски - серија фотолитографски „печати“ кои ги пренесуваат транзисторските шеми и патеките за меѓусебно поврзување до плочката.
Откако дизајнот е готов, леарниците за полупроводници како TSMC или Samsung Foundry го извршуваат процесот на производство во чисти простории со екстремна контрола на честичките. Една зрнца прашина може да оштети повеќе чипови на плочката поради екстремно малата големина на карактеристиките на транзисторот.
Силиконски плочки: Платно за транзистори
Чиповите се градат на силиконски плочки - дискови од ултрачист силициум, обично со дијаметар од 300 mm. Овие плочки се полираат до совршена рамност, а потоа се премачкуваат со разни тенки филмови од материјал преку процеси како што се:
– Оксидација: формира слој од силициум диоксид.
– CVD/PVD/ALD: расте или таложи слоеви како што се нитрид, високо-k диелектрик или метал.
– Јонска имплантација: „исфрлање“ на јони за да се формираат регионите од n-тип и p-тип потребни за транзисторот.
– Жарење: загревање за подобрување на кристалната решетка и активирање на допантот.
Овие чекори се повторуваат постојано, формирајќи ја структурата на транзисторите, а потоа мрежата од метални жици (меѓуврски) што поврзуваат милијарди транзистори во комплетен компјутерски систем.
Фотолитографија: Цртање кола со светлина
Срцето на модерното производство е фотолитографијата, која пренесува шема од маска на плочка со помош на светлина. Плочката е обложена со фоторезист (материјал чувствителен на светлина) и потоа е изложена низ високо прецизен оптички систем. Потоа, плочката се мие (развива) за да се растворат одредени делови од резистот, оставајќи зад себе шема што потоа може да се користи во последователните процеси на бакирање или таложење.
Колку е помал шаблонот што може да се испечати, толку е поголема густината на транзисторот. Тука влегуваат во игра технологии како DUV (длабоко ултравиолетово) и EUV (екстремно ултравиолетово):
– DUV (193 nm): се користи долго време и сè уште е доминантен за многу слоеви. За мали јазли, DUV често бара повеќекратно обликување (печатење на повторувачки шеми со повеќе маски) што ги зголемува трошоците и комплексноста.
– EUV (13,5 nm): овозможува печатење на помали карактеристики со помалку чекори, помагајќи да се намалат варијациите во процесот и да се зголеми приносот кај напредните јазли.
Чиповите за таблети од висока класа обично се произведуваат со процеси што користат EUV за да се постигне најдобра густина и ефикасност.
Што значи „нанометар“ во процесот на производство?
Термини како 7 nm, 5 nm и 3 nm често се користат за групирање на генерации на процеси. Сепак, модерниот број „nm“ повеќе не е единствена, буквална мерка (на пр., должина на транзисторскиот гејт). Тој претставува пакет технолошки подобрувања: густина на транзисторот, енергетска ефикасност, перформанси и правила за дизајн.
Генерално, помалите јазли дозволуваат:
– Повеќе транзистори во истата област → побогати карактеристики (поголем графички процесор, помоќен непроводен процесор).
– Помала потрошувачка на енергија при еквивалентни перформанси → подолго траење на батеријата.
– Повисоки перформанси при еквивалентна моќност → побрз таблет без прегревање.
Сепак, помалите јазли се исто така поскапи и потешки за производство, па затоа обично се користат за премиум таблети со SoC.
Еволуција на структурата на транзисторот: Планарна → FinFET → GAAFET
За да се „контролираат“ транзисторите при мали димензии, нивната физичка структура еволуирала:
1. Планарен MOSFET: класичен рамен транзистор кој почнува да има тешкотии со справувањето со протекување како што неговата големина се намалува.
2. FinFET: транзистор со перки кои ја подобруваат контролата на портата преку каналот, потиснувајќи го истекувањето и зголемувајќи ја ефикасноста. Многу таблет чипови од 16nm до 5nm се потпираат на варијации на FinFET.
3. GAAFET (Gate-All-Around): следната генерација по FinFET, каде што портата го опкружува каналот (честопати нанолист) за уште подобра контрола. Оваа технологија е насочена кон ефикасност и понатамошно скалирање на многу мали јазли.
За таблетите, понапредните транзисторски структури значат дека високите перформанси сè уште можат да се постигнат во тесни термички граници - бидејќи таблетите немаат комори за ладење како лаптопите.
Слоеви на меѓусебно поврзување: „Автопатите“ во чипот
Транзисторите не се единствениот важен фактор. Врските меѓу блоковите (процесор, графичка картичка, кеш, контролер на меморија) бараат повеќеслојна метална мрежа. Изработката на меѓуврски вклучува:
– Диелектрик со низок k за намалување на капацитетот (намалување на моќноста и зголемување на брзината на сигналот).
– Метализација (генерално бакар, како и бариерен слој).
– CMP (Хемиско-механичко планаризација) за нивелирање на површината во секоја фаза.
Кај современите дизајни на SoC таблети, перформансите често се ограничени од „растојанието“ и отпорот на патеката, па затоа оптимизацијата на меѓусебното поврзување и топологијата (на пр., магистрала, фабричка структура или NoC) е подеднакво важна како и брзите транзистори.
Принос, кутија и квалитет: Зошто не се сите чипови исти
Откако ќе се заврши изработката на плочката, секоја чипка се тестира. Не сите чипови се совршени - микроскопските дефекти можат да предизвикаат дефект на некои единици. Приносот е процентот на чипови што функционираат правилно. Напредните јазли имаат тенденција да бидат попредизвикувачки во однос на приносот, особено рано во производството.
Покрај поминување/неуспех, чиповите се класифицираат (групираат) и врз основа на фреквенцискиот капацитет и потрошувачката на енергија. Ова е една од причините зошто може да се појават варијации во перформансите помеѓу единиците, дури и ако тие сè уште се во рамките на безбедните спецификации.
За производителите на таблети, приносот влијае на трошоците: 3nm процесот може да понуди висока ефикасност, но исто така ја зголемува цената на плочките и комплексноста на производството.
Пакување: Поврзување на чиповите со реалниот свет
Откако чипот ќе се исече од плочата (сечење), чипот влегува во фаза на пакување. Кај таблетите, пакувањето практично ја одредува големината на плочата, ефикасноста на сигналот и потрошувачката на енергија. Некои вообичаени пристапи:
– Flip-chip BGA: чипот се превртува и се поврзува со испакнато лемење на подлогата, обезбедувајќи пократка врска од жичното поврзување.
– PoP (Пакет на пакет): RAM меморијата е наредена врз SoC, скратувајќи ги патеките и заштедувајќи простор - вообичаено кај мобилните уреди.
– Напредно пакување: вклучувајќи меѓуслојки, вентилатори или посложени стекови за зголемување на пропусниот опсег и ефикасноста.
Пакувањето е клучно бидејќи таблетите бараат тенок, лесен, но компактен дизајн. Термичките перформанси се исто така засегнати: топлината мора да се пренесе од чипот до куќиштето на уредот преку материјали за термички интерфејс и распрскувачи на топлина.
Влијание на изработката врз корисничкото искуство на таблетот
Технологијата на изработка не е само фабричка работа; корисниците ја чувствуваат директно преку:
– Живот на батеријата: понапредните јазли и поефикасните транзистори ја намалуваат потрошувачката на енергија во мирување и умереното оптоварување.
– Температура и регулирање на температурата: Таблетите имаат ограничувања за ладење. Поефикасните чипови можат да ги одржуваат перформансите подолго без намалување на фреквенциите.
– Можности за вештачка интелигенција на уредот: Поголема, енергетски поефикасна NPU овозможува функции како препознавање на ракопис, интелигентно уредување фотографии или транскрипција без секогаш да се потпира на облакот.
– Графика и дисплеј: Помоќните графички процесори поддржуваат високи стапки на освежување, големи резолуции и посложено рендерирање.
Идни трендови: чиплети, 3D стекнување и екстремна ефикасност
Индустријата се движи во неколку главни насоки:
1. Чиплет и дезагрегација: разложување на голем SoC на повеќе чипови поврзани со брзи меѓусебни врски. Ова може да ја зголеми флексибилноста и продуктивноста на дизајнот, но исто така ја зголемува и комплексноста на пакувањето.
2. 3D редење: редење на чипови (логика и меморија) за скратување на растојанијата на сигналот и зголемување на пропусниот опсег - ветувачко за вештачка интелигенција и графика.
3. Оптимизирање на „перформансите по ват“: бидејќи основните ограничувања на таблетите се батеријата и топлината, иновациите во производството ќе продолжат да се фокусираат на ефикасноста, а не само на врвната фреквенција.
Затворање
Технологијата за производство на чипови за таблети е комплексна комбинација од дизајн на кола, наука за материјали, високопрецизна фотолитографија, напредни транзисторски структури, повеќеслојни меѓусебни врски и напредно пакување. Секој скок во процесот - од DUV до EUV, од FinFET до GAAFET, од традиционално до напредно пакување - на крајот води до она што корисниците го доживуваат: побрзи, поефикасни батерии и постабилни таблети. Во ерата на мобилно пресметување која сè повеќе бара вештачка интелигенција и графика со високи перформанси, производството на чипови ќе остане центар на иновации што ќе ја одреди насоката на еволуцијата на таблетите во иднина.
