Как на самом деле производят процессоры

Песок. В наших ком­пью­те­рах в бук­валь­ном смыс­ле песок, вер­нее — состав­ля­ю­щий его крем­ний. Это основ­ной эле­мент, бла­го­да­ря кото­ро­му в ком­пью­те­рах всё рабо­та­ет. А вот как из пес­ка полу­ча­ют­ся ком­пью­те­ры.

Что такое процессор

Про­цес­сор — это неболь­шой чип внут­ри ваше­го ком­пью­те­ра или теле­фо­на, кото­рый про­из­во­дит все вычис­ле­ния. Об осно­ве вычис­ле­ний мы уже писа­ли — это тран­зи­сто­ры, кото­рые собра­ны в сум­ма­то­ры и дру­гие функ­ци­о­наль­ные бло­ки.

Если очень упро­щён­но — это слож­ная систе­ма кра­нов и труб, толь­ко вме­сто воды по ним течёт ток. Если пра­виль­ным обра­зом соеди­нить эти тру­бы и кра­ны, ток будет течь полез­ным для чело­ве­ка обра­зом и полу­чат­ся вычис­ле­ния: сна­ча­ла сум­мы, потом из сумм мож­но полу­чить более слож­ные мате­ма­ти­че­ские опе­ра­ции, потом чис­ла­ми мож­но зако­ди­ро­вать текст, цвет, пик­се­ли, гра­фи­ку, звук, 3D, игры, ней­ро­се­ти и что угод­но ещё.

Кремний

Почти все про­цес­со­ры, кото­рые про­из­во­дят­ся в мире, дела­ют­ся на крем­ни­е­вой осно­ве. Это свя­за­но с тем, что у крем­ния под­хо­дя­щая внут­рен­няя атом­ная струк­ту­ра, кото­рая поз­во­ля­ет делать мик­ро­схе­мы и про­цес­со­ры прак­ти­че­ски любой кон­фи­гу­ра­ции.

Самый доступ­ный источ­ник крем­ния — песок. Но крем­ний, кото­рый полу­ча­ет­ся из пес­ка, на самом пер­вом эта­пе недо­ста­точ­но чистый: в нём есть 0,5% при­ме­сей. Может пока­зать­ся, что чисто­та 99,5% — это кру­то, но для про­цес­со­ров нуж­на чисто­та уров­ня 99,9999999%. Такой крем­ний назы­ва­ет­ся элек­трон­ным, и его мож­но полу­чить после цепоч­ки опре­де­лён­ных хими­че­ских реак­ций.

Когда цепоч­ка закан­чи­ва­ет­ся и оста­ёт­ся толь­ко чистый крем­ний, мож­но начи­нать выра­щи­вать кри­сталл.

Кристалл и подложка

Кри­стал­лы — это такие твёр­дые тела, в кото­рых ато­мы и моле­ку­лы веще­ства нахо­дят­ся в стро­гом поряд­ке. Про­ще гово­ря, ато­мы в кри­стал­ле рас­по­ло­же­ны пред­ска­зу­е­мым обра­зом в любой точ­ке. Это поз­во­ля­ет точ­но пони­мать, как будет вести себя это веще­ство при любом воз­дей­ствии на него. Имен­но это свой­ство кри­стал­ли­че­ской решёт­ки исполь­зу­ют на про­из­вод­стве про­цес­со­ров.

Самые рас­про­стра­нён­ные кри­стал­лы — соль, дра­го­цен­ные кам­ни, лёд и гра­фит в каран­да­ше.

Боль­шой кри­сталл мож­но полу­чить, если крем­ний рас­пла­вить, а затем опу­стить туда зара­нее под­го­тов­лен­ный малень­кий кри­сталл. Он сфор­ми­ру­ет вокруг себя новый слой кри­стал­ли­че­ской решёт­ки, полу­чив­ший­ся слой сде­ла­ет то же самое, и в резуль­та­те мы полу­чим один боль­шой кри­сталл. На про­из­вод­стве он весит под сот­ню кило­грамм, но при этом очень хруп­кий.


Гото­вый кри­сталл крем­ния.

После того, как кри­сталл готов, его наре­за­ют спе­ци­аль­ной пилой на дис­ки тол­щи­ной в мил­ли­метр. При этом диа­метр тако­го дис­ка полу­ча­ет­ся око­ло 30 сан­ти­мет­ров — на нём будет созда­вать­ся сра­зу несколь­ко десят­ков про­цес­со­ров.

Каж­дую такую пла­стин­ку тща­тель­но шли­фу­ют, что­бы поверх­ность полу­чи­лась иде­аль­но ров­ной. Если будут зазуб­ри­ны или шеро­хо­ва­то­сти, то на сле­ду­ю­щих эта­пах диск забра­ку­ют.


Гото­вые отпо­ли­ро­ван­ные пла­сти­ны крем­ния.

Печатаем транзисторы

Когда дис­ки отпо­ли­ро­ва­ны, на них мож­но фор­ми­ро­вать про­цес­со­ры. Про­цесс очень похож на то, как рань­ше печа­та­ли чёрно-белые фото­гра­фии: бра­ли плён­ку, све­ти­ли свер­ху лам­пой, а сни­зу кла­ли фото­бу­ма­гу. Там, куда попа­дал свет, бума­га ста­но­ви­лось тём­ной, а те места, кото­рые закры­ло чёр­ное изоб­ра­же­ние на плён­ке, оста­ва­лись белы­ми.

С тран­зи­сто­ра­ми всё то же самое: на диск нано­сят спе­ци­аль­ный слой, кото­рый при попа­да­нии све­та реа­ги­ру­ет с моле­ку­ла­ми дис­ка и изме­ня­ет его свой­ства. После тако­го облу­че­ния в этих местах диск начи­на­ет про­во­дить ток чуть ина­че — силь­нее или сла­бее.

Что­бы так поме­нять толь­ко нуж­ные участ­ки, на пути све­та поме­ща­ют фильтр — пря­мо как плён­ку в фото­пе­ча­ти, — кото­рый закры­ва­ет те места, где менять ниче­го не надо.

Потом полу­чив­ший­ся слой покры­ва­ют тон­ким сло­ем диэлек­три­ка — это веще­ство, кото­рое не про­во­дит ток, типа изо­лен­ты. Это нуж­но, что­бы слои про­цес­со­ра не вза­и­мо­дей­ство­ва­ли друг с дру­гом. Про­цесс повто­ря­ет­ся несколь­ко десят­ков раз. В резуль­та­те полу­ча­ют­ся мил­ли­о­ны мель­чай­ших тран­зи­сто­ров, кото­рые теперь нуж­но соеди­нить меж­ду собой.

Соединяем всё вместе

То, как соеди­ня­ют­ся меж­ду собой тран­зи­сто­ры в про­цес­со­ре, назы­ва­ет­ся про­цес­сор­ной архи­тек­ту­рой. У каж­до­го поко­ле­ния и моди­фи­ка­ции про­цес­со­ров своя архи­тек­ту­ра. Все про­из­во­ди­те­ли дер­жат в сек­ре­те тон­ко­сти архи­тек­ту­ры, пото­му что от это­го может зави­сеть ско­рость рабо­ты или сто­и­мость про­из­вод­ства.

Так как тран­зи­сто­ров мно­го, а свя­зей меж­ду ними нуж­но сде­лать нема­ло, то посту­па­ют так: нано­сят токо­про­во­дя­щий слой, ста­вят фильтр и закреп­ля­ют про­вод­ни­ки в нуж­ном месте. Потом слой диэлек­три­ка и сно­ва токо­про­во­дя­щий слой. В резуль­та­те выхо­дит бутер­брод из про­вод­ни­ков, кото­рые друг дру­гу не меша­ют, а тран­зи­сто­ры полу­ча­ют нуж­ные соеди­не­ния.


Токо­про­во­дя­щие дорож­ки круп­ным пла­ном. На фото они уже в несколь­ко сло­ёв и не меша­ют друг дру­гу.

В чём сложность

Совре­мен­ные про­цес­со­ры про­из­во­дят­ся на нано­мет­ро­вом уровне, то есть раз­ме­ры эле­мен­тов изме­ря­ют­ся нано­мет­ра­ми, это очень мало.

Если, напри­мер, во вре­мя печа­ти очень тол­стый маль­чик упа­дёт на пол в сосед­нем цехе, еле замет­ная удар­ная вол­на про­ка­тит­ся по пере­кры­ти­ям заво­да и печат­ная фор­ма немно­го сдви­нет­ся, а напе­ча­тан­ные таким обра­зом тран­зи­сто­ры ока­жут­ся бра­ко­ван­ны­ми. Пылин­ка, попав­шая на пла­сти­ну во вре­мя печа­ти — это, счи­тай, загуб­лен­ное ядро про­цес­со­ра.

Поэто­му на заво­дах, где дела­ют про­цес­со­ры, соблю­да­ют­ся жёст­кие стан­дар­ты чисто­ты, все ходят в мас­ках и костю­мах, на всех воз­ду­хо­во­дах сто­ят филь­тры, а сами заво­ды нахо­дят­ся на сей­сми­че­ских подуш­ках, что­бы толч­ки зем­ной коры не меша­ли про­из­во­дить про­цес­со­ры.

Крышка и упаковка

Когда дорож­ки гото­вы, диск отправ­ля­ют на тесты. Там смот­рят на то, как рабо­та­ет каж­дый про­цес­сор, как он гре­ет­ся и сколь­ко ему нуж­но энер­гии, заод­но про­ве­ря­ют на брак.

В зави­си­мо­сти от резуль­та­тов про­цес­со­ры с одной пла­сти­ны могут полу­чить раз­ную мар­ки­ров­ку и про­да­вать­ся по раз­ной сто­и­мо­сти. Те про­цес­со­ры, кото­рые полу­чи­лись более удач­ны­ми, ста­но­вят­ся доро­ги­ми сер­вер­ны­ми про­дук­та­ми. Те, где кто-то рядом чих­нул или вздох­нул, име­ют неко­то­рые несо­вер­шен­ства и дефек­ты, их могут отпра­вить на потре­би­тель­скую линию.

После тестов диск раз­ре­за­ют на гото­вые про­цес­сор­ные ядра.


Пла­сти­на со мно­же­ством оди­на­ко­вых про­цес­сор­ных ядер.

Робот выре­за­ет ядра из гото­вой пла­сти­ны.

После это­го к ядру про­цес­со­ра добав­ля­ют кон­так­ты, что­бы мож­но было вста­вить его в мате­рин­скую пла­ту, и накры­ва­ют крыш­кой. Чёр­ный или метал­ли­че­ский пря­мо­уголь­ник, из кото­ро­го тор­чат нож­ки, — это как раз крыш­ка.

Крыш­ка выпол­ня­ет две функ­ции: защи­ща­ет сам кри­сталл от повре­жде­ний и отво­дит от него теп­ло во вре­мя рабо­ты. Дело в том, что мил­ли­о­ны тран­зи­сто­ров при рабо­те нагре­ва­ют­ся, и если про­цес­сор не осту­жать, то он пере­гре­ет­ся и кри­сталл может испор­тить­ся. Что­бы тако­го не про­изо­шло, на крыш­ку про­цес­со­ра ста­вят воз­душ­ные куле­ры или дела­ют водя­ное охла­жде­ние.

Система на чипе

Чипы про­цес­со­ров уже настоль­ко малень­кие, что под одной крыш­кой мож­но поме­стить какое-нибудь ещё устрой­ство. Напри­мер, видео­си­сте­му — то, что обсчи­ты­ва­ет кар­тин­ку перед выво­дом на экран. Или устрой­ство радио­свя­зи с антен­ной.

В какой-то момент на малень­ком чипе пло­ща­дью око­ло 1 см2 уже мож­но было поме­стить про­цес­сор, видео, модем и блю­тус, сде­лать всё нуж­ное для под­держ­ки памя­ти и пери­фе­рии — в общем, систе­ма на чипе. Под­клю­ча­е­те к это­му хозяй­ству экран, нуж­ное коли­че­ство антенн, пор­тов и кно­пок, а глав­ное — здо­ро­вен­ную бата­рею, и у вас гото­вый смарт­фон. По сути, все «моз­ги» ваше­го смарт­фо­на нахо­дят­ся на одном малень­ком чипе, а 80% про­стран­ства за экра­ном зани­ма­ет бата­рея.