RS04 Proizvodnja mikroprocesora - 1 Matematička gimnazija Beograd Računarstvo i informatika III...

RS04 Proizvodnja mikroprocesora - 1 Matematička gimnazija Beograd

Računarstvo i informatika III

Karakteristike i tehnologije proizvodnje mikroprocesora


Šta ćemo učiti

° Osnovni modeli Intel mikroprocesora familije 80x86

° Osnovni modeli Intel kompatibilnih mikroprocesora

° Projektovanje čipova

° Fabrikacija čipova

° Pakovanje mikroprocesora

U ovoj lekciji...U ovoj lekciji...


Sirovine za proizvodnju čipova

° Silicijumske oblande - vejferi (wafers)• isecaju se iz šipki hemijski čistog silicijuma

° Hemikalije i gasovi • za nagrizanje i ispiranje nepotrebnih slojeva

° Metali (aluminijum, bakar, zlato)• za povezivanje komponenti u samom čipu i za povezivanje

čipa sa spoljašnjim svetom

° Ultravioletna svetlost• za omekšavanje fotorezistora u postupku formiranja slojeva

° Maske • za zaštitu oblasti na kojima treba da ostane fotorezistor posle

osvetljavanja


Šipka hemijski čistog silikona

° Od sirovog materijala (kvarcnih stena) u složenom procesu (topljenje, destilacija) proizvode se šipke 99.999999% čistog silicijuma

° Svaka šipka dugačka je oko 1.5 m, teži stotine kg i ima prečnik 200 do 300 mm.


Isecanje silicijumskih obladi


° Tacna sa silikonskim pločicama ulaže se u peć za obradu pod visokom temperaturom

° Slika ilustruje osnovni problem proizvodnje čipova: Što je više što manjih čipova na jednoj tacni, to je proizvodnja veća, a cena manja.


Proizvodnja (Fabrication)

° Mikroprocesori se proizvode u slojevima na silicijumskoj oblandi (silicon wafer) kroz različite postupke uz korišćenje hemikalija, gasova i osvetljlavanja.

° Mada se na jednom vejferu proizvodi više mikroprocesora, naša demonstracija prikazivaće proizvodnju samo jednog od njih.


° Prvi sloj SiO2 oblaže se izlaganjem ekstremno visokoj temperaturi i gasovima. Njegov rast nalikuje pojavi korozije na metalu kada se izloži vodi.

° Sloj SiO2 na vejferu raste mnogo brže i suviše je tanak da bi se video golim okom.

° Zatim se vejfer pokriva supstancom fotorezistora.


Fotolitografija

° U procesu koji se naziva fotolitografija, UV svetlo se propušta kroz maske. Maske zaštićuju pojedine delove vejfera od osvetljavanja. Svetlo pretvara izložene oblasti fotorezistora u gnjecavu masu.

° Za svaki sloj koristi se maska sa drugačijim uzorkom.


Graviranje

° Omeškali fotorezistor se rastvara kiselinama i otkriva oblasti SiO2 koje nisu bile pokrivene maskom.

° Otkriveni SiO2 se korišćenjem hemikalija gravira - uklanja.

° Ostatak fotorezistora se ispira. Ovaj proces ostavlja grebene SiO2 na silikonskoj osnovi.


Postavljanje nove fotografske maske preko gotove stukture


Priprema maski

° U prostorijama u kojima nema ni trunke prašine radnice pomoću mikroskopa usklađuju fotografske maske pre svake faze litografskog postupka.


Slojevi

° Pri postavljanju sledećeg sloja prvo se nanosi tanak premaz SiO2 preko cele površine čipa.

° Zatim se postavlja sloj polikristala i još jedan sloj fotorezistora.

° Površina se kroz drugu masku izlaže UV svetlosti .

° Fotorezistor se rastvara kiselinom i otkriva polikristal koji se zatim sastruže korišćenjem hemikalija.

° Ostatak fotorezistora se uklanja ostavljajući grebene polikristala i SiO2.


Dopiranje (Ion Implantation)

° Kroz proces dopiranja izložene zone na vejferu se bombarduju jonima “hemijskih nećistoća” - trovalentnih ili petovalentnih elemenata. Na taj način dobijamo “zaprljane” zone koje se ponašaju kao provodnici.


Dopiranje

° Silicijumske oblande (vejferi) se u kompjuterski upravljanim vakuumskim pećima izlažu bombardovanju (dopiranju) atomima metala koji u svojoj atomskoj strukturi imaju po jedan atom više ili manje od silicijuma.


Slojevi preko slojeva

° Postavljanje slojeva i izlaganje svetlosti kroz masku se ponavlja i treba napraviti otvore kroz koje će se napraviti veza između slojeva.

° Otvori se popunjavaju atomima metala. Tako napravljene metalne stazice omogućavaju povezivanje sa izvorom struje.

° Broj slojeva zavisi od složenosti čipa. Mikroprocesori se danas proizvode u 20-tak slojeva.


Mnoštvo procesora na vejferu

° Proizvodnja mikroprocesora je mnogo složenija od ove pojednostavljene prezentacije.

° U stvarnosti treba obaviti oko 250 koraka da se dođe do vejfera sa stotinama gotovih identičnih čipova.

° Svaki čip se testira, izrezuje, stavlja u kućište i ponovo testira.


Wafer

° Na tankoj silicijumskoj oblandi odjednom se pravi nekoliko stotina čipova koji se pomoću kompjutera kontrolišu i nakon toga razdvajaju.


Pakovanja čipova

° Mikroprocesorski čip se lepi na donji deo plastičnog kućišta, a kontakti se pomoću tankih žičica povezuju sa nožicama (pinovima) kućišta


Integralno kolo

° Kućište IC u koje je smešten čip. S obe strane kućišta vide se nožice koje služe za lemljenje čipa na štampanu ploču.

Procesorsko kućište bez čipa

Čip spojen vrlo tankim vodovima na mnogo čvršće nožice postavljene u dva reda, po jedan sa svake strane kućišta.


Integralno kolo - uvećano

° Veliko povećanje. Logički sklopovi se sastoje od nekoliko tranzistora. Oni predstavljaju arhitekturu čipa i raspoređeni su u blokovima

Zidovi su visoki samo hiljaditi deo mm. Ceo čip uvećan do razmera ove slike imao bi stranicu dugačku 6.5 km


Osnovni modeli Intelovih mikroprocesora familije 80x86


Aktuelni modeli procesora

Athlon 64 FX Athlon 64

Athlon XP 3200+ Pentium4 C

Pentium 4 EE

Radni takt 2.2 2 2.2 3.2 3.2

proces izrade 0.13 SOI 0.13 SOI 0.13 0.13 0.13

tranzistora (miliona) 105.9 105.9 37.5 55 168

napon 1.55 1.55 1.65 1.55 1.55

Setovi instrukcija

SSE/SSE2/3DNow

SSE/SSE2/3DNow

SSE/3DNow SSE /SSE2 SSE /SSE2

L1cache 64 / 64 64 / 64 64 / 64 8 + 20 8 + 20

L2 cache 1 MB 1 MB 512 KB 512 KB 512 Kb

L3 cache - - - - 2 MB

cache width 128bit 128bit 64bit 256bit 256bit


Intelovi mikroprocesori

Intel Pentium MMX

Intel Celeron sa SEPP (Slot1) konektorom

klasični Pentium (levo) I Intel Celeron PPGA (desno)

Intel Pentium II Koristi SECC (Slot1)

Intel Pentium III Katmai SECC2 (Slot1)

Intel Pentium III Coppermine FC-PGA

Intel Celeron D(Prescott core)


AMD i Cyrix (VIA) mikroprocesori

AMD K6-2 3DNow

AMD K6-III 3DNow

AMD K7-Athlon SlotA (200MHz DDR)

AMD Duron

SocketA

AMD Athlon Thunderbird

Cyrix/IBM M2 6x86

VIA Cyrix III

AMD Athlon 64 3000+ Newcastle


Proizvodnja čipova

° Projektovanje• Na specijalizovanim CAD komjuterima• Na običnim PC uz odgovarajuće programe

- U EZ - EUROCHIP obezbeđuje finansijsku i stručnu pomoć univerzitetima za brže osposobljavanje inženjera za projektovanje, distribuira sfotverske pakete SOLO 1400, SOLO 2000, CADENCE, MENTOR uz ograničenje za korišćenje softvera isključivo u obrazovne svrhe

- Na američkim univerzitetima softverski paketi dobijaju se pod povoljnijim uslovima i dozvoljeno je njihovo korišćenje u komercijalne svrhe. Najpoznatiji paketi su: Magic, Oasis, Oct tools, HYPER, ...

Fabrikacija• Fizička realizacija je komplikovana (savršena čistoća, kontrola temperature...) • Postoje fabrikacione linije koje nude posebne usluge univerzitetima

- MOSIS, NCM, ORBIT (SAD); ES2 (EZ) ...- Pristup ovim fabrikacionim linijama omogućen je i zemljama koje ne

učestvuju u finansiranju agencija- Otvorene su i za industrijske potrebe, ali po nešto višim cenama


Savremeni trendovi u projektovanju i izradi IC

° Ranije monopol najvećih komanija• Intel, Motorola, NCR, TI, IBM, DEC,...• Veoma skupa oprema za za izradu IC• Posedovanjem fabrikacionih linija velike kompanije ostvarivale su monopol na

projektovanje

° Pojava velikog broja fabrikacionih linija• Snižavanje cene izrade prototipa IC na nekoliko stotina $ za par desetina IC

° Pojava MCP (Multiproject Chip) fabrikacionih linija• Istovremena izrada na jednoj silicijumskoj pločici potpuno različitih i

nezavisnih kola visoka cena izrade deli se na više projektanata• Svaki korisnik zahteva seriju sa malim brojem IC, pa velik broj projekata stane

na jednu silicijumsku pločicu• Izuzetno pogodno za univerzitetske potrebe (svaki student treba da projektuje

po jedno IC)

° Istovremeno procesiranje više silicijumskih ploča• Dodatno snižavanje cene, može se iskoristiti za fabrikaciju prototip serije

nekog komercijalnog integrisanog kola


Klasifikacija IC

° Prema nameni• Kola opšte namene (off-the-shelf)• Kola specifične namene (ASIC - Application Specific Integrated Circuits)

- Na tržištu IC opšte namene se ne može naći funkcionalni ekvivelent- Ako funkcionalni element postoji, predstavljen je u obliku više

standardanih komponenti (zato ih zamenjuje jedno ASIC )- Prednosti: smanjenje dimenzija, povećanje brzine rada, smanjenje

potrošnje, povećanje pouzdanosti, sniženje cene,...

° Prema broju ugrađenih tranzistora (SI - scale integration)• SSI (Small SI) < 100 - logička kola i flip-flopovi• MSI (Medium SI) 100 - 1.000 - brojači, multiplekseri, sabirači• LSI (Large SI) 1000 -20.000 - 8b mikroprocesori, RAM, ROM• VLSI (Very Large SI) > 20.000 - 16b i 32b mikroprocesori• ULSI (Ultra Large SI) >106 - 64b mikroprocesori, 128Mb memorije

Ova podela je davno nastala, većina savremenih kola su VLSI


Sprega između projektovanja i izrade IC

° Pojava sve većeg broja nekomercijalnih paketa za projektovanje

° Pojava sve većeg broja fabrikacionih linija za univerzitetske i komercijalne primene

• Za korišćenje fabrikacione linije projektant treba da zna samo osnovne karakteristike fabrikacione linije: geometrijska pravila projektovanja i parametre tranzistora za simulaciju.

• Po završetku projektovanja fabrikacionoj liniji šalje se fajl sa opisom VLSI kola u standardnom formatu (npr. CIF)

• Vreme za izradu - Nekoliko nedelja• Cena - Nekoliko stotina $ za nekoliko desetina IC


Pitanja i zadaci

1. Navedite osnovne karakteristike članova familije Intel 80x86.2. U čemu je razlika između Celeron procesora i Pentium II (Pentium III)

procesora sa istom brzinom časovnika? Koje su posledice ove razlike?3. Navedite neke Intel kompatibilne procesore koji se mogu naći na tržištu.4. Da li je za projektovanje čipova neophodno imati velika materijalna sredstva?

Važi li isto i za njihovu fabrikaciju?5. Koji materijali se koriste u procesu fabrikacije čipova?6. Opišite pravljenje čipova procesom litografije.7. Kakve prednosti u procesu litografije donosi upotreba laserskog zraka sa

manjom talasnom dužinom?8. Navedite bar tri tipa pakovanja mikroprocesora.9. Šta je izdašnost (yield) i kolika treba da bude da bi se fabrikacija čipova

smatrala uspešnom?10. Izrađen u O,xy mikronskoj tehnologiji znači da su provodnici koji se koriste

za spajanje tranzistora na čipu dužine 0,xy mikrona. Da li bolje performanse čipova mogu da se dobiju jedino smanjenjem:

(a) veličine tranzistora, uz zadržavanje dužine provodnika koji ih spaja;

(b) dužine provodnika uz zadržavanje veličine tranzistora?Kakve bi posledice bile ako bi se primenjivao samo jedan od ova dva načina?


Pogled unapred

Mikroračunarski sistemi

Modul 1: Uvod u mikroračunarske sisteme

Modul 2: Pravci razvoja

Module 6:Periferni uređaji

Modul 5:UI magistrale

Modul 4:Karakteristike izrade

mikrorocesora, mikročipovi

Modul 3:Sastav, hw resursi

RS04 Proizvodnja mikroprocesora - 1 Matematička gimnazija Beograd Računarstvo i informatika III...

Documents

Transcript of RS04 Proizvodnja mikroprocesora - 1 Matematička gimnazija Beograd Računarstvo i informatika III...