Aquesta és la tercera entrega de la nostra sèrie de disseny de CPU. A la primera part, vam tractar l'arquitectura de l'ordinador i el funcionament d'un processador des del nivell superior. La segona part va examinar com es dissenyen i s’implementen alguns components d’un xip. El tercer capítol fa un pas més per veure com els dissenys arquitectònics i esquemàtics es transformen en xips físics.

Com es converteix una pila de sorra en un processador avançat? Anem a esbrinar.

Com hem comentat anteriorment, els processadors i tota la lògica digital estan fets a partir de transistors. Un transistor és un interruptor controlat electrònicament que podem encendre i apagar aplicant o eliminant tensió de la porta. Vam discutir com són els dos transistors principals: dispositius nMOS que permeten corrent quan la porta està oberta i dispositius pMOS que permeten corrent quan la porta està tancada. L’estructura bàsica d’un processador on es col·loquen els transistors és el silici. Silici, Semiconductor perquè no transmet ni aïlla completament; en algun lloc del mig.

Enginyers de fabricació per convertir una hòstia de silici en un circuit útil afegint transistors dopatge. El procés de dopatge consisteix en afegir impureses acuradament seleccionades al substrat de silici base per alterar-ne la conductivitat. L’objectiu aquí és canviar el comportament dels electrons per poder controlar-los. Com hi ha dos tipus de transistors, hi ha dos tipus principals de dopatge corresponents.




El procés de fabricació d’una hòstia abans d’envasar les xips. Crèdit fotogràfic: Evan Lissoos




Si afegim quantitats controlades amb precisió d’elements donadors d’electrons com ara arsènic, antimoni o fòsfor, podem crear una regió de tipus n. Com que hi ha més electrons a la regió del silici on s’apliquen aquests elements, es carregarà negativament. Aquí ve el nom de tipus n i la "n" a nMOS. Afegint elements acceptors d’electrons com el bor, l’indi o el gal al silici, podem crear una regió de tipus p amb càrrega positiva. D’aquí ve la "p" del tipus p i pMOS. Procediments específics per afegir aquestes impureses al silici, Implantació d'ions ve propagació i estan fora de l’abast d’aquest article.

Ara que podem controlar la conductivitat elèctrica de certes parts del nostre silici, podem combinar les propietats de diverses regions per formar transistors. Els transistors que s’utilitzen en circuits integrats coneguts com a MOSFET (transistors d’efecte de camp de semiconductors d’òxid de metall) tenen quatre connexions. El corrent que controlem circula per la font i el drenatge. En un dispositiu de canal n, normalment entra en un canal de drenatge i, mentre que en un dispositiu de canal p, flueix cap a i fora del desguàs. La porta és l’interruptor que s’utilitza per encendre i apagar el transistor. Finalment, el cos del dispositiu no està relacionat amb el processador, de manera que no en parlarem aquí.







Estructura física d’un inversor en silici. Cada regió de colors té diferents propietats de conductivitat. Fixeu-vos en com els diferents components de silicona corresponen al diagrama de la dreta.

Els detalls tècnics de com funcionen els transistors i de com interactuen les diferents regions són suficients per omplir un curs universitari de grau superior, així que repassarem els conceptes bàsics. Una bona analogia de com funcionen és un pont penjant sobre un riu. Els cotxes amb electrons al transistor volen fluir d’un costat a l’altre del riu, la font i la descàrrega del transistor. Utilitzant un dispositiu nMOS com a exemple, quan la porta no està carregada, el pont penjant està enlairat, els electrons no poden circular pel canal. Quan baixem el pont penjant, creem una carretera al riu i els cotxes poden circular lliurement. El mateix passa amb un transistor. En carregar la porta es crea un canal que permet que el corrent flueixi entre la font i el drenatge.




Fabricants com Intel i TSMC controlen amb precisió on es troben les diferents regions p i n del silici fotolitografi. Es tracta d’un procés de diversos passos extremadament complex, i les empreses gasten milers de milions de dòlars, cosa que el fa perfecte per crear transistors més petits, més ràpids i amb més eficiència energètica. Penseu en una impressora molt precisa que es pot utilitzar per dibuixar patrons de cada zona amb silicona.

El procés de conversió dels transistors en un xip comença amb una hòstia de silici pur. Després s’escalfa en un forn per fer créixer una fina capa de diòxid de silici a la part superior de l’hòstia. S’aplica un polímer fotoresistent fotosensible al diòxid de silici. Brillant llum sobre la resistència fotogràfica a determinades freqüències, podem pelar la fotoresistència a les zones que volem dopar. Aquest és el pas de la litografia i és similar a com funcionen les impressores per aplicar tinta a una escala molt menor a zones específiques de la pàgina.

La hòstia es grava amb àcid fluorhídric per dissoldre el diòxid de silici del qual es va eliminar la fotoresistència. A continuació, s’elimina el fotoresistent i només queda la capa d’òxid inferior. Els ions dopants es poden aplicar a l'hòstia i implantar-se només on hi ha buits a l'òxid.




Aquest procés d’emmascarament, imatge i dopatge es repeteix desenes de vegades per crear lentament cada nivell de propietat al semiconductor. Un cop fet el nivell de silici base, es faran connexions metàl·liques a la part superior per connectar diferents transistors junts. Explicarem una mica més sobre aquestes connexions i capes metàl·liques.

Per descomptat, els fabricants de xips no només fan el procés de fabricació de transistors un per un. Quan es dissenya un nou xip, produiran màscares per a cada pas del procés de fabricació. Aquestes màscares contindran la ubicació de cada element dels milers de milions de transistors en un xip. Diverses fitxes s’agrupen i es fabriquen en una sola matriu a la vegada.

Una vegada que es fabrica una hòstia, es motlleen i envasen motlles individuals. Depenent de la mida d’un xip, cada hòstia pot encabir-ne centenars o més. Normalment, com més fort és el xip, més gran és el motlle que fa que el productor pugui obtenir menys xips de cada hòstia.

És fàcil pensar que hem de fabricar xips enormes amb centenars de nuclis súper potents, però això no és possible. Actualment, el factor més important que ens impedeix fer xips cada vegada més grans són els defectes del procés de fabricació. Els xips moderns tenen milers de milions de transistors i, si es trenca una sola part, és possible que s’hagi de descartar tot el xip. A mesura que augmentem la mida dels processadors, augmenta la possibilitat que falli un xip.

Els rendiments reals que obtenen les empreses dels seus processos de fabricació es mantenen en secret, però és una bona estimació entre el 70% i el 90%. És freqüent que les empreses sobreenginyin els seus xips amb una funcionalitat addicional, ja que saben que algunes parts no funcionaran. Per exemple, Intel podria dissenyar un xip de 8 nuclis, però només el podria vendre com un xip de 6 nuclis perquè suposava que un o dos nuclis es podrien trencar. Sovint es reserven xips amb pocs defectes per vendre-los a un preu més alt en un procés conegut. agrupació.

Un dels termes de màrqueting més grans associats a la fabricació de xips és la mida de les funcions. Per exemple, Intel treballa en un procés de 10 nm, AMD utilitza un procés de 7 nm per a algunes GPU i TSMC ha començat a treballar en un procés de 5 nm. Què volen dir tots aquests números? Tradicionalment, la mida de la característica representa l'amplada mínima entre el drenatge d'un transistor i la seva font. A mesura que la tecnologia avançava, vam reduir els nostres transistors perquè encaixessin més en un sol xip. Com més petits són els transistors, cada vegada són més ràpids.

En mirar aquests números, és important tenir en compte que algunes empreses poden basar les seves dimensions de procés en dimensions diferents de l’amplada estàndard. Això significa que processos de diferents mides d’empreses separades poden donar lloc a un transistor de la mateixa mida. D’altra banda, no tots els transistors d’un procés determinat tenen la mateixa mida. Els dissenyadors poden optar per fer alguns transistors més grans que d’altres en funció de certes variacions. Per a un procés de disseny determinat, un transistor més petit serà més ràpid perquè triga menys temps a carregar i descarregar la porta. No obstant això, els transistors més petits només poden executar poques sortides. Si la lògica farà servir alguna cosa que requereix molta energia, com ara un pin de sortida, la part en particular s’ha de fer més gran. Aquests transistors de sortida poden ser ordres de magnitud més grans que els transistors lògics interns.

La mort d’un nou processador AMD Zen. Diversos milions de transistors conformen aquest disseny.

El disseny i construcció de transistors és només la meitat del xip. Hem de fer cables per connectar-ho tot segons l’esquema. Aquestes connexions es fan mitjançant capes metàl·liques als transistors. Imagineu-vos una intersecció autopista de diversos nivells amb rampes, rampes i carreteres diferents que es creuen. És exactament el que passa dins d’un xip, encara que a una escala molt menor. Diferents processos tindran diferents nombres de capes d’enllaç metàl·lic als transistors. Com més petits són els transistors, més capes de metall són necessàries per dirigir tots els senyals. Hi ha 15 capes metàl·liques informades en el proper procés de 5 nm de TMSC. Penseu en una intersecció de la carretera vertical de 15 nivells i us ajudarà a entendre el complex que és la ruta dins d’un xip.

La imatge del microscopi següent mostra la gàbia formada per set capes metàl·liques. Cada capa és plana i, a mesura que augmenta, les capes es fan més grans per ajudar a reduir la resistència. Entre cada capa hi ha uns petits cilindres metàl·lics anomenats vias que s’utilitzen per saltar a una capa superior. Cada capa normalment es desvia de l'or per ajudar a reduir les capacitats no desitjades. Es poden utilitzar capes metàl·liques individuals per fer connexions horitzontals i dobles capes per fer connexions verticals.

Com podeu imaginar, tots aquests senyals i capes de metall es fan difícils de gestionar molt ràpidament. Per ajudar a solucionar aquest problema, s’utilitzen programes d’ordinador per localitzar i dirigir automàticament els transistors. Segons l’avançat disseny, els programes poden fins i tot traduir funcions del codi C d’alt nivell a les ubicacions físiques de cada cable i transistor. Normalment, els fabricants de xips permeten als ordinadors generar automàticament la major part del disseny i, després, optimitzar manualment determinades seccions crítiques.

Quan les empreses vulguin crear un nou xip, començaran els seus dissenys amb cèl·lules estàndard proporcionades per l’empresa fabricant. Per exemple, Intel o TSMC proporcionaran als dissenyadors parts essencials com ara portes lògiques o cèl·lules de memòria. Els dissenyadors poden muntar aquestes cel·les estàndard al xip que volen construir. A continuació, enviaran els xips, els dissenys dels transistors del xip i les capes metàl·liques, on el silici brut es transforma en xips de treball. Aquests dissenys es transformen en màscares utilitzades en el procés de fabricació que hem comentat anteriorment. A continuació, veurem com pot ser aquest procés de disseny per a un xip extremadament simple.

Primerament veiem la disposició d’un inversor, una cel·la estàndard. La part superior és el transistor pMOS de rectangle verd tallat i la part inferior és el transistor nMOS de rectangle verd transparent. El filferro vermell vertical és una porta de polisilici, els camps blaus són de metall 1 i les zones de color porpra són de metall 2. L’entrada A ve de l’esquerra i la sortida Y la de la dreta. Les connexions de potència i terra es fan per sobre i per sota del metall 2.

 

Quan es combinen diverses portes, aquí tenim una unitat aritmètica bàsica d’1 bit. Aquest disseny pot afegir, restar i realitzar operacions lògiques en dues entrades de 1 bit. Els fils oblics de color blau que s’executen verticalment són 3 capes de metall. Els quadrats una mica més grans als extrems dels fils són camins que connecten les dues capes.

Finalment, tenim un processador bàsic de 4 bits amb 8 bytes de RAM en quatre capes metàl·liques, que combina moltes cel·les i uns 2.000 transistors junts. Donat el complicat que és, només ens podem imaginar el repte de dissenyar una CPU de 64 bits amb megabytes de memòria cau, múltiples nuclis i més de 20 nivells de canonades. Tenint en compte que les CPU d’alt rendiment actuals poden tenir entre 5 i 10.000 milions de transistors i una dotzena de capes de metall, no és exagerat dir que són literalment un milió de vegades més complexes.

Això us ha de donar valor per què la vostra nova CPU és una tecnologia cara o per què triga tant entre les versions del producte AMD i Intel. Normalment triga de 3 a 5 anys perquè un nou xip passi del tauler de dibuix al mercat. Això significa que els xips més ràpids actuals es fabriquen amb uns quants anys de tecnologia i no veurem xips amb la moderna tecnologia de fabricació actual durant molts anys.

Amb això, ja hem acabat amb la nostra immersió profunda en com es construeixen els processadors.

Al proper quart i últim episodi de la sèrie, tornarem de l’espai físic i veurem les tendències actuals de la indústria. Què fan ara els investigadors per fer que la propera generació d’ordinadors sigui encara més ràpida?

A la tercera part de la sèrie, vam explorar la física de com funcionen els transistors, com es formen els components individuals en silici i com es connecten per crear circuits i xips útils.

Crèdit masthead: Imatge de producció de semiconductors amb macro