Technologia procesorów - Sobczak

5/12/2018 Technologia procesorów - Sobczak - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/technologia-procesorow-sobczak 1/10

Politechnika Rzeszowska

studia doktoranckie

Praca zaliczeniowa z przedmiotu

WYBRANE ZAGADNIENIA MECHANIKI WSPÓŁCZESNEJ

Temat pracy zaliczeniowej

Technologia wytwarzania mikro- i nanoprocesorów.

Autor pracy

Maksymilian Sobczak

Rzeszów rok akad. 2009/2010



1 Wstęp do mikro- i nanotechnologii procesorów.

Mikro- jest to przedrostek oznaczający jedną milionową część całości; nano- jest to

przedrostek oznaczający jedną miliardową część całości — w przypadku technologi mikro- i nano-

oznaczają kolejno jedną milionową i jedną miliardową część metra.

Mikroelektronika — dział elektroniki zajmujący się opracowywaniem układów scalonych,

budowanych w pojedynczych obszarach półprzewodnikowych o wymiarach rzędu 0,1 mikrometra

lub 100 nanometrów.

Nanoelektronika — nauka zajmująca się badaniem i produkcją układów tworzonych przy

użyciu technologii i materiałów innych niż krzemowe i wykorzystująca do tego celu znacznie

różniący się zbiór zasad: montowane są przy użyciu elementów zbudowanych z kilkuset atomów.

Procesor

to urządzenie cyfrowe sekwencyjne (rys.1), które pobiera dane z pamięci,interpretuje je i wykonuje jako rozkazy.

Rys.1. Schemat ideowy układu sekwencyjnego [2]

Procesory wykonywane są zwykle jako układy scalone zamykające w hermetycznej

obudowie (rys.2) od kilku tysięcy do kilkuset milionów tranzystorów [1].

Rys.2. Zdjęcie procesowa Intel Pentium [1].



2 Mikro- i nanotechnologia procesorów.

Technologia wytwarzania procesorów, a ogólniej układów scalonych, jest dość obszernym

tematem kryjącym w sobie wiele nieznanych ogółowi szczegółów. Najłatwiej omówić ten temat na

wybranym przykładzie, który i tak zawiera wiele elementów wspólnych technologi

mikroelektroniki: „technologia procesorów INTEL”.

2.1 Piasek – materiał wyjściowy na procesory.

Po tlenie, krzem jest najpopularniejszym na Ziemi pierwiastkiem. 25% masy skorupy

ziemskiej to właśnie krzem. Piasek, a zwłaszcza kwarc, zawiera dużą ilość tego pierwiastka, który

występuje w nim w formie dwutlenku krzemu (SiO2) i jest obecnie podstawowym materiałem

wykorzystywanym w przemyśle półprzewodnikowym [4].

Rys.3. Zdjęcie: piasku, topionego i odlanego krzemu [4].

2.2 Krzem – zamiana piasku na materiał technologiczny.

Krzem jest starannie oczyszczany z niepożądanych domieszek w wieloetapowym procesie.

Może on zawierać zaledwie jeden atom zanieczyszczeń na każdy miliard atomów krzemu. Czysty,

stopiony krzem jest wykorzystywany do hodowania ogromnych kryształów tego pierwiastka

w procesie powolnego wyciągania kryształu-zarodka. W rezultacie powstaje wielki monokryształ

krzemu (sztaba) [4], który waży on około 100 kilogramów i zawiera 99, 9999% krzemu.

Monokryształ jest cięty na cienkie dyski (rys. 4), które są polerowane dopóki nie uzyskają prawie

idealnie płaskiej i gładkiej jak lustro powierzchni [4].



Rys.4. Cięcie monokryształy krzemu na plastry [4].

2.3 Wytwarzanie struktury tranzystorów w krzemie.

Płynny materiał światłoczuły jest nakładany na obracający się plaster krzemu (rys.5). Jest

proces podobny do stosowanego w produkcji klasycznych, analogowych błon fotograficznych.

Ruch obrotowy plastra jest stosowany by uzyskać bardzo cienką i równomierną warstwę materiałuświatłoczułego [4].

Rys.5. Nakładanie warstwy światłoczułej i naświetlanie [4].



Warstwa światłoczuła jest naświetlana przy wykorzystaniu promieniowania ultrafioletowego

(rys.5) i staje się rozpuszczalna. Do naświetlania stosuje się maski umożliwiające odwzorowanie

struktury obwodów i elementów elektronicznych [4].

Rys.6. Wypłukiwanie warstwy światłoczułej [4].

Zmodyfikowana w procesie naświetlania część warstwy światłoczułej jest wypłukiwana

przez odpowiedni rozpuszczalnik (rys.6) i poddawana działaniu środków chemicznych, które trawią

jego powierzchnię, bez materiału światłoczułego, ujawniając kształt zaprojektowanego układu.

Rys.7. Implantacja jonów [4].



Powierzchnia tworzonej struktury ponownie jest pokrywana materiałem światłoczułym,

podobnie jak wcześniej naświetlana przy wykorzystaniu odpowiedniej maski, a następnie

zmodyfikowana przez promieniowanie UV warstwa jest wypłukiwana. Pozostały na powierzchni

materiał światłoczuły ma tym razem chronić przed implantacją jonów, która jest kolejnym

elementem procesu produkcyjnego.Implantacja jonów to jedna z postaci procesu nazywanego domieszkowaniem, która polega

na bombardowaniu materiału, w tym wypadku krzemu, przez jony innych pierwiastków lub

związków chemicznych. Jony te zostają wstrzyknięte w obszary krzemu nieosłonięte pozostałymi

na jego powierzchni elementami warstwy światłoczułej i zmieniają ich parametry elektryczne.

Powierzchnia plastra jest bombardowana przez strumienie jonów o ogromnej prędkości. Są one

przyspieszane do ponad 300 000 km/godz. przez pola elektryczne o dużym natężeniu.

Po zakończeniu procesu implantacji jonów, pozostała na powierzchni plastra warstwamateriału światłoczułego jest usuwana.

Rys.8. Proces galwanizacji [4].

W warstwie izolacyjnej powyżej tranzystora istnieją wytrawione otwory. W kolejnym etapie

zostaną one wypełnione miedzią, która umożliwi utworzenie połączeń elektrycznych tranzystora z

innymi elementami układu. Odbywa się to poprzez kąpiel w roztworze siarczanu miedzi – proces

galwanizacji (pokrywanie miedzią). Do powierzchni wytwarzanej struktury podłączone jest źródło

napięcia stałego, jako katody przyciągającej jony miedzi, które osadzają się na niej.

Po zakończeniu procesu galwanizacji atomy miedzi tworzą na powierzchni plastra cienką

warstwę materiału przewodzącego (rys.8), której nadmiar jest usuwany przez polerowanie.



Rys.9. Wyprowadzenia tranzystora i struktura ścieżek [4].

Na powierzchni mikroprocesora tworzonych jest wiele warstw z metalicznymi ścieżkami,

które łączą różne tranzystory. Struktura tych połączeń jest określona przez architekturę układu

opracowaną przez zespół inżynierów, który projektował funkcjonalność danego mikroprocesora.

Procesory są bardzo płaskie, ale w rzeczywistości składają się z ponad 20 warstw, które tworzą

bardzo złożony układ połączeń elektrycznych (rys.9).

Rys.10. Testy funkcjonalne i cięcie dysków ze strukturą mikroprocesorów [4].



Plaster z gotowymi mikroprocesorami jest poddawany pierwszemu testowi funkcjonalności.

W procesie tym do każdego z układów znajdujących się na plastrze przykładane są odpowiednio

zaprojektowane sygnały testowe, a odpowiedzi układów monitorowane i porównywane z wzorcem

w celu sprawdzenia czy są prawidłowe. Następnie plaster jest cięty na kawałki w formie płytek

krzemowych zawierające pełną strukturę półprzewodnikową pojedynczych mikroprocesorów(rys.10). Tylko te układy, które wygenerowały prawidłową odpowiedź na wszystkie sygnały

testujące przechodzą do kolejnego etapu, w którym tworzone są połączenia zewnętrzne i obudowa.

Rys.11. Zamykanie mikroprocesora w obudowę [4].

Na kompletny procesor składa się płytka krzemowa ze strukturą układu zamkniętą w

obudowę (rys.11). Jest to najbardziej skomplikowany produkt wytwarzany obecnie przez

człowieka. Naukowcy Intela opracowali technologię, która pozwala na wytworzenie tranzystorów o

tak małych wymiarach, że na główce szpilki zmieściłoby się ich aż 30 milionów. Jego proces

produkcyjny składa się w rzeczywistości z kilkuset różnych etapów realizowanych w najbardziej

sterylnym i czystym środowisku, jakie istnieje na świecie - fabryce układów półprzewodnikowych.

Ostateczne testy mikroprocesorów obejmują pomiary ich najważniejszych parametrów

takich jak: maksymalna częstotliwość taktowania i poziom ciepła generowanego w czasie pracy. Na

podstawie wyników testów procesory są sortowane i układy o takich samych parametrach trafiają

do jednej, określonej linii transportowej.

Wyprodukowane i przetestowane procesory są umieszczane w opakowaniach zbiorczych

przeznaczonych dla producentów systemów komputerowych lub też pudełkach (rys.12), które trafia

do sklepów zajmujących się sprzedażą detaliczną.



Rys.12. Pakowanie procesorów w pudełka [4].

3 Głębszych słów kilka na temat struktury nano.

Technologi przedstawiona w punkcie 2 odnosi się do znanej nam i rozwijanej od kilku

dziesiątek lat technologi krzemu. Poprzez rozmiary mikro technologia ta przybliża się do

rozmiarów nano, jednak ludzkość wydaje się być przesycona już tą technologią, jej zbliżającym się

kresem możliwości i oczekuje więcej. Odpowiedzią na te wymagania wydają się być badania nad

pojedynczymi cząstkami.

3.1 Tranzystor z pojedynczych cząstek chemicznych.

W czerwcu 2002 roku dwie grupy badaczy niezależnie od siebie doniosły, że udało im się

skonstruować tranzystory z pojedynczych cząsteczek związku chemicznego. Obie grupy

naukowców jako podstawy swojej konstrukcji użyły złotego drutu o średnicy zaledwie 200

nanometrów (wielokrotnie cieńszego od ludzkiego włosa) ułożonego na podłożu z krzemu. Grupa

z Cornell wybrała duży kompleksowy związek organiczny zawierający w środku atom kobaltu,

grupa z Harvardu cząsteczkę z dwoma atomami wanadu połączonymi łańcuchami atomów węglai azotu [5].



3.2 Komputer kwantowy.

Klasyczny bit przyjmuje tylko jedną z dwóch wartości: zero albo jedynkę. Nowa teoria

kwantowa wprowadza odpowiednik klasycznego bitu zwany qubitem. Układ, który znajduje się w

stanie kwantowym, jest swoistą kombinacją klasycznego zera i jedynki. Mówiąc w przybliżeniu,

qubit może być trochę jedynką i trochę zerem jednocześnie! Komputer kwantowy może więc

jednocześnie wykonać wiele rachunków równolegle.

Zespół z IBM po raz pierwszy zbudował prymitywny komputer kwantowy, którego

cząsteczka znajduje się obok. Realizuje on algorytm Petera Shora rozkładający liczbę 15 na

czynniki pierwsze. Każdy z pięciu atomów fluoru i obydwa atomy węgla 13C działają jako qubity.

Programowanie odbywa się przy użyciu fal radiowych, odczytywanie wyników wymaga

zastosowania techniki jądrowego rezonansu magnetycznego [5].

4 Podsumowanie.

Wraz z biegiem lat poszerza się wiedza człowieka na temat otaczającej go przyrody.

Wiadomości na temat nowych badań dotyczących nanotechnologii poszerzają naszą wyobraźnię,

ale i nasze możliwości jako ludzkości. Czy zdziwiłaby nas wiadomość, za powiedzmy 30 lat,

o badaniach nad pikotechnologią? Sama nazwa wydaje się śmieszyć, ale chyba nas żyjącychw obecnym czasie. Czy możliwe wydaje się zestawienie obecnej technologi jako tak przestarzałej

dla przyszłych pokoleń, jak technologia lat początków komputeryzacji dla nas żyjących obecnie?

Czy nie oznacza to czasem, że kolejna technologia ma możliwość wprowadzić samopiszący

długopis o mocy obliczeniowej równej komputerom współczesnym w ilości zalegającej regał

biurowy? Oczywiście, jeśli przyszłość przewiduje coś takiego jak 'długopis'.

5 Bibliografia.

(1) http://pl.wikipedia.org/wiki/Procesor (2) http://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_sekwencyjny(3) Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej, 28.06.2005, Opinia Europejskiego Komitetu

Ekonomiczno-Społecznego w sprawie komunikatu Komisji dotyczącego europejskiejstrategii w dziedzinie nanotechnologii, COM(2004) 338 końcowy, (2005/C 157/03)

(4) http://hw.owned.pl/artykuly/151/Jak_produkuje_sie_procesory_u_Intela_-_artykul/(5) http://www.fizyka.net.pl/index.html?

menu_file=aktualnosci/m_aktualnosci.html&former_url=http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t2.html

http://pl.wikipedia.org/wiki/Procesor

http://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_sekwencyjny

http://hw.owned.pl/artykuly/151/Jak_produkuje_sie_procesory_u_Intela_-_artykul/

http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=aktualnosci/m_aktualnosci.html&former_url=http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t2.html



http://pl.wikipedia.org/wiki/Procesor

http://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_sekwencyjny

http://hw.owned.pl/artykuly/151/Jak_produkuje_sie_procesory_u_Intela_-_artykul/




Technologia procesorów - Sobczak

Documents

Transcript of Technologia procesorów - Sobczak