Мозг из песка: Как производятся процессоры
Процессор есть в каждом электронном устройстве и является центром его управления. В техническом плане это сложнейший производственный продукт. Рассказываем, как процессоры пришли к своей современной форме, как их производят и как они изменятся в будущем.
Если бы инженеры первой половины 20 века заглянули в современный компьютер, многое удивило бы их, но больше всего — процессор. Конечно, все составляющие современных машин стали намного компактнее, но дело не только в размере. До начала 1960-х годов в качестве процессоров в компьютерах использовались электромеханические реле с вакуумными лампами. Лампы работали как диоды — их состояние менялось за счет понижения или повышения напряжения в цепи.
Чтобы запустить даже самую простую вычислительную программу, таким компьютерам требовались сотни процессоров. Процессор одного из самых мощных компьютеров 1940-х ENIAC состоял из 1500 реле и 18 000 вакуумных ламп, а вся конструкция весила 5 тонн и занимала стойку шкафов 15 метров в длину.
Вся гигантская конструкция из реле и ламп могла выполнять лишь 5000 операций сложения, 357 умножений или 38 делений в секунду, что для того времени было рекордной мощностью. Для сравнения, процессор с частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион операций в секунду.
По-настоящему процессоры начали «взлетать» с разработкой транзисторов. В конце 1940-х появились биполярные и точечные транзисторы, а к середине 1950-х компания Texas Instrument выпустила первый кремниевый транзистор. Окончательно направление для современных процессоров закрепил в 1959 году швейцарский ученый Жан Хорни. Он разработал первый плоский кремниевый транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.
В своей самой базовой форме компьютер «общается» на языке из двух состояний — включено и выключено, или 0 и 1. Процессор получает эту информацию в виде электрического тока и представляет ее в виде чисел. Ключевой компонент процессора — часть, которая отвечает за переключение состояний.
Изначально эту работу в компьютерах выполняли массивные, но при этом маломощные электрические реле, которые обслуживали большие команды технических специалистов. Транзистор — это намного более быстрый и, главное, автоматический переключатель электричества.
В дальнейшей гонке процессоров ведущие компании стремились сделать транзисторы более компактными и разместить их плотнее друг с другом. В 1960-х их начали помещать в микрочипы — электронные схемы произвольной сложности, изготовленные на полупроводниковой подложке.
Из нескольких таких микрочипов с транзисторами, резисторами и конденсаторами и состояли процессоры. К 1985 году процессор Intel 386 содержал 275 тысяч транзисторов в квадрате 10 на 10 мм.
Сейчас даже такой размер кажется гигантским. Самые маленькие современные транзисторы достигают высоты в 50 нанометров — в 6 раз меньше вируса.
Успех транзисторов и процессоров, построенных из них, не был бы возможен без одного ключевого игрока — кремния. Этот скромный химический элемент (Si, Silicium в таблице Менделеева) до сих пор является ключевым в производстве. И в честь него назван самый знаменитый ИТ-центр в мире — Кремниевая долина.
Секретное оружие кремния — в строении его атома. У него есть четыре электрона, благодаря которым он образует ковалентные связи с близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока электроны находятся в связи, часть из них способна двигаться через кристаллическую решетку. Благодаря этому переходу электронов кремний является полупроводником.
В самом кремнии движение электронов слишком слабое, чтобы обеспечивать работу транзисторов, поэтому ученые повышают производительность за счет дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов — этот процесс называется легированием.
Если кремниевую пластину с одной стороны легировать фосфором, то получится полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). Если с другой стороны легировать ее бором, то кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.
Если соединить кристаллы с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов из кристалла n-типа перетекает в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует отверстия в зоне контакта. Так создается диод — электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Транзистор можно представить как два состыкованных друг с другом диода.
С кремния начинается производство процессоров, и первый его шаг — создание слитков из очень чистого вещества. Кварцевый песок нагревают до состояния плавления и в результате получают его очищенную версию, пригодную для производства электроники — в песке не должно быть больше одного чужеродного атома на 10 миллиардов атомов кремния.
Из очищенного материала извлекается монокристалл в виде колонны. Алмазная пила разрезает его на тонкие слои, которые затем проходят еще несколько этапов промывки и полировки. Полученные заготовки тщательно исследуют с помощью лазерной техники на предмет дефектов и только после этого отправляют на производство.
Там кремниевые пластины хранятся в герметичных коробках, к которым тоже предъявляются самые строгие требования по чистоте: 1 кубический метр воздуха в них должен содержать не более 1 частицы в половину микрона.
После создания слитков процессоры проходят три основных этапа производства:
1) Печать транзисторов. Микросхемы с транзисторами печатаются с помощью фотолитографии — картинка формируется на кремниевой подложке по заданной топологии микросхемы.
2) Связывание дискретных переключателей. Микроэлементы соединяются в соответствии с архитектурой конкретного процессора, которая является корпоративным секретом. На этой стадии на процессоры наносится токопроводящий слой, устанавливается фильтр и крепятся транзисторы.
3) Тестирование и нарезка пластины. Пластину проверяют на брак и нарезают из них отдельные чипы. Обычно из одной пластины получается 100–150 чипов. Наконец, их закрывают крышкой, чтобы защитить кристалл от внешнего воздействия.
Производство процессоров — чрезвычайно кропотливая и осторожная работа. Кремний требует бережного отношения и соблюдения мер безопасности, иначе материал будет непригоден к работе.
Например, в кремниевую заготовку не должна попасть даже мельчайшая частица пыли. Поэтому воздух на производстве в несколько раз чище, чем в стерильных медицинских помещениях: на 1 кубический метр воздуха содержится не более 10 частиц толщиной в полмикрона.
Работники на фабрике — главный потенциальный источник загрязнения, поэтому им приходится проходить несколько этапов очистки перед началом работы. Они носят защитную униформу, им запрещено пользоваться косметикой и парфюмом.
Кремний используется в производстве процессоров больше 60 лет. В течение этого периода их развитие совпадало с законом Мура — прогнозом сооснователя Intel Гордона Мура о том, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 2 года.
Однако в последнее время процесс замедлился — плотность транзисторов удваивается каждые три года, а не два. Максимальная тактовая частота кремниевых чипов может работать на частоте 3–4 ГГц — это предельная физическая возможность кремния, и ее достигли в 2005 году.
Ученые активно ищут замену кремнию, которая сможет ускорить закон Мура, и у них уже есть несколько перспективных кандидатов.
Один из самых многообещающих материалов — графен, впервые созданный в 2004 году. Это наноматериал толщиной в один атом с гексагональной структурой кристаллической решетки. Он отличается чрезвычайной прочностью и гибкостью, а также является сверхпроводником для электричества и тепла.
В экспериментах с графеном ученым удалось продемонстрировать скорость, в тысячи раз превосходящую кремниевые чипы. Более того, графеновые процессоры более компактны и потребляют в сотни раз меньше энергии.
Однако 20 лет спустя после открытия графен по-прежнему остается исключительно лабораторным веществом. На данный момент его нельзя получить в промышленных масштабах, а разработки из него существуют исключительно в теоретической форме.
Еще один, более нишевый вариант — наномагниты. По логике работы они похожи на кремниевые чипы — используют для передачи сигналов бистабильные состояния намагниченности, которые литографически прикрепляются к архитектуре схемы. Только кремниевые транзисторы переключаются под воздействием тока, а наномагниты — за счет смены состояний намагниченности.
Наномагниты не достигают такой скорости, как графеновые компьютеры, однако их преимущество в низком энергопотреблении, так как их работа не требует применения тока. Особенно перспективными наномагниты ученые считают в работе ИИ, где они могут помочь сократить колоссальные затраты электроэнергии.
