Jak vzniká procesor - moderní výrobní technologie
21.9.2006, Lukáš Petříček, článek
Řada technologií dnes ovlivňuje dosažitelné frekvence procesorů a miniaturizaci výrobní technologie nebo výkon tranzistorů. Bez moderních technologií, nových materiálů a pokročilé litografie by byl další pokrok současným tempem ve vývoji procesorů nemožný.
Kapitoly článku:
- Jak vzniká procesor - moderní výrobní technologie
- Budoucí trendy a nové materiály
- Trendy v oblasti fotolitografie
- Kdy přijdou 450 mm wafery?
Volně tedy navážeme na předešlý článek o vniku procesoru Jak vzniká procesor aneb procesorová kuchařka.
Výrobní technologie a výroba procesorů samotných se již řadu let potýká s mnoha problémy. Ať již na poli možné rychlosti tranzistorů, jejich spotřeby nebo s miniaturizací samotné výrobní technologie. To se snaží řešit řada technologií výroby moderních procesorů. Některé technologie umožňují dosažení vyšších frekvencí čipu, jiné snižují jeho spotřebu a potřebné napětí k fungování čipu nebo řeší řadu dalších problémů, jako jsou proudové úniky apod. Nasazení těchto technologií je postupné a navazuje prakticky na snahu řešit konkrétní problémy moderních procesorů a jejich výroby.
Měděné mezispoje
Prvním významnějším krokem, který v minulých letech ovlivnil trh s procesory a jejich další vývoj, byl právě přechod od hliníku k mědi a zavádění měděných mezispojů. V případě x86 procesorů jsou měděné mezispoje AMD běžně používány od uvedení jádra Athlon. Intel nahradil hliník mědí při přechodu na 130 nm výrobní technologii.
Měď má kromě lepší vodivosti také schopnost tvořit užší spoje, a tím pádem fakticky umožňuje další miniaturizaci výrobní technologie. Mezi další výhody měděných mezispojů patří nižší ztrátové teplo, vyšší dosažitelné frekvence procesoru a menší zpoždění signálů na mezispojích tranzistorů.
Athlon vyrobený 180 nm výrobní technologií, 6 vrstev měděných mezispojů a 130 nm Opteron, 9 vrstev měděných mezispojů
Ještě větší rozdíly ve zpoždění signálů na mezispojích má vůči kombinaci hliníku (respektive mědi) s oxidem křemičitým použití v kombinaci s Low-k dielektrikem. To byl mimochodem jeden z důvodů počátečních problémů architektury AMD64, respektive její výtěžnosti. Architektura AMD64 spojovovala první nasazení 130 nm výrobní technologie s níže zmíněnou technologií SOI a Low-k dielektrikem (s nižší dielektrickou konstantou). Ačkoliv Low-k materiálů je celá řada, vybrat bylo nutné zejména s ohledem na prodloužení životnosti v současnosti používané technologie depozice z plynné fáze (CVD, Chemical Vapor Deposition). Pro informaci, dříve používaný oxid křemičitý SiO2 má dielektrickou konstantu k = 3.9. V případě AMD64 bylo fluorované křemičité sklo FTEOS s k = 3.6 nahrazeno uhlíkem dopovaným oxidem křemičitým SiCOH s k = 2.8. Kombinace Low-k dielektrika a mědi redukuje RC zpoždění. V případě architektury AMD64 na 130 nm a nahrazení FTEOS pomocí SiCOH došlo k redukci zpoždění o 15-20%.
Silicon On Insulator
Další z dnes používaných technologií je takzvaný „křemík na izolantu“. První komerční nasazení na poli x86 procesorů má na svědomí AMD s uvedením architektury AMD64, zejména díky kooperaci s IBM. SOI dále používá například procesor VIA C7 od VIA Technologies nebo Cell od IBM. Hlavním dodavatelem 300 mm SOI waferů je firma Soitec, která vlastní řadu patentů, včetně technologie Smart Cut (dnes nejrozšířenější technologie pro masovou produkci SOI waferů).
Princip křemíku na izolantu je poměrně jednoduchý – tranzistor se od samotného waferu oddělí vrstvou izolantu, například oxidem křemičitým SiO2, na které je opět superčistá vrstvička křemíku. Sníží se tak parazitní jevy, úniky proudu a čas nabíjení. Tranzistor je schopen dosáhnout vyšších frekvencí přepínání, což se také pozitivně promítne na samotné dosažitelné frekvenci procesoru. Nižší energie nutná ke spínání tranzistorů s technologií SOI zároveň snižuje spotřebu čipu.
Silicon On Insulator od lídra v oboru - IBM (technologii SOI pro čipy PowerPC IBM používá již od roku 1999)
Mírnou nevýhodou SOI waferů je jejich vyšší cena, a to kvůli jejich náročnější výrobě. Podle tvrzení například AMD vzhledem k lepším charakteristikám výstupu a s ohledem na dosažitelné frekvence při použití SOI technologie tyto dodatečné náklady hravě vyváží. Pro 90 nm výrobní proces se uvádí výsledky lepší až o 46% v případě statické a až o 38% lepší výsledky v případě dynamické spotřeby. Podle předpokladů oblíbenost křemíku na izolantu dále poroste. Předpokládá se, že koncem desetiletí SOI technologie dosáhne celosvětově 10% trhu s wafery.
Strained Silicon
Česky řečeno, technologie „napnutého“ křemíku. Používají ji dnes oba hlavní výrobci x86 procesorů, Intel i AMD. Umožňuje dosažení vyšších frekvencí čipů díky vyššímu výkonu tranzistorů při použití této technologie. Na rozdíl od SOI, která se poměrně rychle rozšířila i na jiné oblasti, SS se drží spíše v oblasti procesorů, kde je požadován co nejvyšší výkon a vysoké frekvence čipu.
Technologie „napnutého“ křemíku - germanium je navázáno na vrstvičku křemík-germania
Technologie napnutého křemíku je založena na napnutí vrstvičky křemíku kanálu podél struktury sloučeniny křemíku a germania (Silicon-Germanium, krátce SiGe). Díky větším mezerám mezi atomy takto navázaného křemíku mají elektrony možnost snazšího proudění. Při napnutí křemíku navázaného na křemík-germanium (s 20% germania) lze dosáhnout zrychlení proudění elektronů až o 70-80% a zrychlení přepínání tranzistoru až o 35%. Poslední generace SS, která kombinuje předchozí zkušenosti s napnutým křemíkem (Dual Stress Lines, stress memorization SM a eSiGe), slibuje s 65nm výrobní technologií zvýšit výkon tranzistoru až o 42 %.
Kombinace výše zmíněných technologií - DSL, SM, embedded SiGe a technologie SOI
Běžné je dnes kombinování SOI a SS technologie - pak hovoříme o tak zvaném SSOI (Strained Silicon On Insulator), napnutém křemíku na izolantu. Možné jsou i kombinace s řadou dalších technologií. Všechny tyto výrobní technologie samozřejmě prochází vývojem a s každou generací dojde alespoň k mírnému zlepšení na poli spotřeby nebo výkonu tranzistoru. Kombinace těchto technologií přináší výhody bez nutnosti měnit samotnou technologii výroby, a tak při postupné změně materiálů dochází pouze k mírnému navýšení ceny takového řešení. Technologie „křemíku“ je levná a snadno dostupná, a proto výrobci procesorů a polovodičový průmysl zůstanou u křemíku co nejdéle.
Výrobní technologie a výroba procesorů samotných se již řadu let potýká s mnoha problémy. Ať již na poli možné rychlosti tranzistorů, jejich spotřeby nebo s miniaturizací samotné výrobní technologie. To se snaží řešit řada technologií výroby moderních procesorů. Některé technologie umožňují dosažení vyšších frekvencí čipu, jiné snižují jeho spotřebu a potřebné napětí k fungování čipu nebo řeší řadu dalších problémů, jako jsou proudové úniky apod. Nasazení těchto technologií je postupné a navazuje prakticky na snahu řešit konkrétní problémy moderních procesorů a jejich výroby.
Používané výrobní technologie
Měděné mezispoje
Prvním významnějším krokem, který v minulých letech ovlivnil trh s procesory a jejich další vývoj, byl právě přechod od hliníku k mědi a zavádění měděných mezispojů. V případě x86 procesorů jsou měděné mezispoje AMD běžně používány od uvedení jádra Athlon. Intel nahradil hliník mědí při přechodu na 130 nm výrobní technologii.
Měď má kromě lepší vodivosti také schopnost tvořit užší spoje, a tím pádem fakticky umožňuje další miniaturizaci výrobní technologie. Mezi další výhody měděných mezispojů patří nižší ztrátové teplo, vyšší dosažitelné frekvence procesoru a menší zpoždění signálů na mezispojích tranzistorů.
Athlon vyrobený 180 nm výrobní technologií, 6 vrstev měděných mezispojů a 130 nm Opteron, 9 vrstev měděných mezispojů
Ještě větší rozdíly ve zpoždění signálů na mezispojích má vůči kombinaci hliníku (respektive mědi) s oxidem křemičitým použití v kombinaci s Low-k dielektrikem. To byl mimochodem jeden z důvodů počátečních problémů architektury AMD64, respektive její výtěžnosti. Architektura AMD64 spojovovala první nasazení 130 nm výrobní technologie s níže zmíněnou technologií SOI a Low-k dielektrikem (s nižší dielektrickou konstantou). Ačkoliv Low-k materiálů je celá řada, vybrat bylo nutné zejména s ohledem na prodloužení životnosti v současnosti používané technologie depozice z plynné fáze (CVD, Chemical Vapor Deposition). Pro informaci, dříve používaný oxid křemičitý SiO2 má dielektrickou konstantu k = 3.9. V případě AMD64 bylo fluorované křemičité sklo FTEOS s k = 3.6 nahrazeno uhlíkem dopovaným oxidem křemičitým SiCOH s k = 2.8. Kombinace Low-k dielektrika a mědi redukuje RC zpoždění. V případě architektury AMD64 na 130 nm a nahrazení FTEOS pomocí SiCOH došlo k redukci zpoždění o 15-20%.
Silicon On Insulator
Další z dnes používaných technologií je takzvaný „křemík na izolantu“. První komerční nasazení na poli x86 procesorů má na svědomí AMD s uvedením architektury AMD64, zejména díky kooperaci s IBM. SOI dále používá například procesor VIA C7 od VIA Technologies nebo Cell od IBM. Hlavním dodavatelem 300 mm SOI waferů je firma Soitec, která vlastní řadu patentů, včetně technologie Smart Cut (dnes nejrozšířenější technologie pro masovou produkci SOI waferů).
Princip křemíku na izolantu je poměrně jednoduchý – tranzistor se od samotného waferu oddělí vrstvou izolantu, například oxidem křemičitým SiO2, na které je opět superčistá vrstvička křemíku. Sníží se tak parazitní jevy, úniky proudu a čas nabíjení. Tranzistor je schopen dosáhnout vyšších frekvencí přepínání, což se také pozitivně promítne na samotné dosažitelné frekvenci procesoru. Nižší energie nutná ke spínání tranzistorů s technologií SOI zároveň snižuje spotřebu čipu.
Silicon On Insulator od lídra v oboru - IBM (technologii SOI pro čipy PowerPC IBM používá již od roku 1999)
Mírnou nevýhodou SOI waferů je jejich vyšší cena, a to kvůli jejich náročnější výrobě. Podle tvrzení například AMD vzhledem k lepším charakteristikám výstupu a s ohledem na dosažitelné frekvence při použití SOI technologie tyto dodatečné náklady hravě vyváží. Pro 90 nm výrobní proces se uvádí výsledky lepší až o 46% v případě statické a až o 38% lepší výsledky v případě dynamické spotřeby. Podle předpokladů oblíbenost křemíku na izolantu dále poroste. Předpokládá se, že koncem desetiletí SOI technologie dosáhne celosvětově 10% trhu s wafery.
Strained Silicon
Česky řečeno, technologie „napnutého“ křemíku. Používají ji dnes oba hlavní výrobci x86 procesorů, Intel i AMD. Umožňuje dosažení vyšších frekvencí čipů díky vyššímu výkonu tranzistorů při použití této technologie. Na rozdíl od SOI, která se poměrně rychle rozšířila i na jiné oblasti, SS se drží spíše v oblasti procesorů, kde je požadován co nejvyšší výkon a vysoké frekvence čipu.
Technologie „napnutého“ křemíku - germanium je navázáno na vrstvičku křemík-germania
Technologie napnutého křemíku je založena na napnutí vrstvičky křemíku kanálu podél struktury sloučeniny křemíku a germania (Silicon-Germanium, krátce SiGe). Díky větším mezerám mezi atomy takto navázaného křemíku mají elektrony možnost snazšího proudění. Při napnutí křemíku navázaného na křemík-germanium (s 20% germania) lze dosáhnout zrychlení proudění elektronů až o 70-80% a zrychlení přepínání tranzistoru až o 35%. Poslední generace SS, která kombinuje předchozí zkušenosti s napnutým křemíkem (Dual Stress Lines, stress memorization SM a eSiGe), slibuje s 65nm výrobní technologií zvýšit výkon tranzistoru až o 42 %.
Kombinace výše zmíněných technologií - DSL, SM, embedded SiGe a technologie SOI
Běžné je dnes kombinování SOI a SS technologie - pak hovoříme o tak zvaném SSOI (Strained Silicon On Insulator), napnutém křemíku na izolantu. Možné jsou i kombinace s řadou dalších technologií. Všechny tyto výrobní technologie samozřejmě prochází vývojem a s každou generací dojde alespoň k mírnému zlepšení na poli spotřeby nebo výkonu tranzistoru. Kombinace těchto technologií přináší výhody bez nutnosti měnit samotnou technologii výroby, a tak při postupné změně materiálů dochází pouze k mírnému navýšení ceny takového řešení. Technologie „křemíku“ je levná a snadno dostupná, a proto výrobci procesorů a polovodičový průmysl zůstanou u křemíku co nejdéle.
