Производство полупроводниковых изделий ежегодно совершенствуется. Уменьшается размер кристаллов и чипов, повышаются значения основных параметров и характеристик, чему способствует освоение более тонких технологических процессов. Из статьи вы узнаете, что такое технологический процесс, на что влияет и как позволяет улучшить возможности полупроводниковой продукции.
Что такое технологический процесс
Под техпроцессом следует понимать упорядоченную последовательность действий при изготовлении полупроводниковых изделий: мобильных и настольных процессоров, графических ускорителей, диодов, интегральных схем и т.д. Усовершенствование технологии и освоение новых норм способствует улучшению характеристик, в частности: увеличению производительности, плотности упаковки, снижению энергопотребления и тепловыделения, и т.д.
Норма техпроцесса
В основе производства полупроводников лежит изготовление транзисторов или ещё транзисторных затворов. Количество транзисторов определяется исходя из условий эксплуатации, обычно исчисляется миллионами и миллиардами на одном кристалле кремния. Суть работы транзистора заключается в захвате и удержании электрона при подаче энергии. Соответственно затвор находится в открытом или закрытом состоянии, либо же 0 и 1 в двоичной системе. По такой схеме работают процессоры, графические ускорители, память и прочие компоненты в компьютерах, смартфонах и другой электронике.
Норма техпроцесса определяет размер транзиторного затвора в нанометрах – нм. Чем тоньше технологический процесс, тем меньше размер транзистора и больше затворов умещается на единице площади кристалла. Для сравнения возьмем два процессора для настольного компьютера – Intel i7-2600 и i7-4771. Модель 2600 изготовлена по норме техпроцесса 32 нм, благодаря чему вмещает 1.160 млн. транзисторов на кристалле площадью 216 мм2. А вот модель 4771 изготовлена по норме 22 нм, благодаря чему на кристалле 177 мм2 умещается 1.400 млн транзисторов.
Процесс производства
Для изготовления полупроводниковой продукции используется кристаллический кремний электронного качества. После обработки на станках с ЧПУ получаются тонкие круглые пластины диаметром 100, 150, 200 или 300 мм. Подложка каждого диаметра позволяет изготовить определенное количество чипов. Чем меньше размер чипа, тем больше выходной продукции получается с одной пластины.
Производство транзисторных затворов достигается путем фотолитографии. На поверхность пластины наносится фоточувствительная полимерная пленка. Затем через шаблон пропускается свет для формирования «рисунка». В дальнейшем пластина обрабатывается в несколько этапов для получения транзисторного затвора.
В процессе работы важна максимальная стерильность в рабочей зоне. Наличие неровностей, пыли или других инородных элементов на пластине препятствует формированию транзисторных затворов. В результате кристалл приходит в негодность и отбраковывается. В лучшем случае удается отключить часть блоков и получить частично рабочий продукт с урезанными возможностями.
Преимущества и недостатки уменьшения техпроцесса
Освоение новых норм производства несет следующие преимущества:
- Повышение производительности. Объясняется увеличением числа транзисторов, благодаря чему процессор, видеоускоритель или другая микросхема позволяет выполнить больше операций.
- Снижение энергопотребления. По мере уменьшения размеров транзисторов требуется подавать меньше напряжения. Благодаря этому для работы требуется меньше энергии. В частности актуально для устройств с автономным питанием – ноутбуки, смартфоны, планшеты и т.д.
- Понижение тепловыделения. Одновременно с уменьшением потребления питания снижается выделение тепла. Для отвода тепла требуются менее массивные системы охлаждения. Электроника работает дольше в режиме максимальной нагрузки, обеспечивая наилучшее быстродействие.
- Уменьшение размера кристалла. Сокращение физических размеров кристалла позволяет произвести больше продукции с одной кремневой пластины. Это способствует уменьшению себестоимости при производстве и снижению издержек конечной продукции.
Отрицательные моменты следующие:
- Высокая себестоимость продукции. Использование новых норм техпроцесса требует внедрения новых методов производства. Помимо установки нового оборудования, производителю требуется выстроить новые производственные линии либо же соорудить дополнительные помещения. Поэтому требуется время, что бы окупить издержки на производство, что в свою очередь перекладывается на готовую продукцию.
- Низкий выход годной продукции. Новый техпроцесс требует отладки, а иногда и доработки.
Текущее освоение норм технологического процесса
В 2018 году началось первое производство мобильных процессоров для смартфонов и планшетов по норме 7 нм. Тогда как массовое производство процессоров для ПК и видеокарт пришлось на текущий год. Как отмечает компания TSMC – тайваньский производитель полупроводниковой продукции, переход к 6 нм позволит повысить плотность упаковки на 18 %. А переход к 5 нм повысить плотность упаковки на 80 % и быстродействие на 15 %. При этом продукцию с нормой 5-6 или 3 нм не стоит ожидать раньше 2021-2022 года.
Дальнейшие перспективы
На данный момент предел технологического процесса – 1 нм. Получить транзисторы меньшего размера не представляется возможным из-за квантовой неопределенности. Да и с размером 3-1 нм придется повременить, поскольку текущие опытные образцы нестабильны. Поэтому для производства полупроводников меньше 5 нм придется искать совершенно другие материалы, вроде графена, а так же разрабатывать новые методы производства.
Нельзя исключать, что вскоре наступит технологический кризис. Производители исчерпают возможности дальнейшего улучшения продукции. А единственный доступный выход – оптимизация готовых технологий, например, путем расширения вычислительных блоков для работы искусственного интеллекта. Так же увеличения числа процессорных ядер, что наблюдается в сегменте настольных процессоров. Если раньше для домашнего использования предлагались 4-8 ядерные решения, то сегодня доступны варианты с числом ядер 12, 16 и более.
Ещё один выход из грядущего кризиса – использование квантовых систем. В таких устройствах для хранения информации используются кубиты, что допускают два состояния одновременно, а не только 0 или 1. Пока же квантовые компьютера нестабильные, громоздкие и чрезвычайно дорогие, что сопоставимо с первыми ламповыми компьютерами.
Вывод
В статье подробно описано, что такое технологический процесс. Норма производства определяет технологию производства. Чем современнее техпроцесс, тем лучше характеристики полупроводниковой продукции. При этом покупая готовое изделие, не стоит ориентироваться только на техпроцесс, а учитывать общие возможности и другие параметры.
А как вы относитесь к регулярному освоению новых техпроцессов? Делитесь мнением в комментариях под статьей.