プロセッサは実際にどのように機能しますか？解析

最新のプロセッサはどのように作成されますか？このプロセスはどれほど複雑で興味深いものであり、なぜある種のExtreme UVリソグラフィがそれほど重要なのですか？今回は本当に深く掘り下げて、このテクノロジーの魔法についてお話しする準備ができています。快適に、それは面白いでしょう。



これがあなたのための種です-真空中の30キロワットのレーザーが一滴のスズを発射し、それをプラズマに変えます-素晴らしいと思いますか？



そして、それがどのように機能するかを理解し、Apple、AMD、Intel、Qualcomm、Samsungなどのすべての巨人の背後にある影として立っているヨーロッパの1つの会社について説明します。これがなければ、新しいプロセッサはありません。いいえ、残念ながら、これはCheboksary ElectronicsPlantではありません。





極限紫外線リソグラフィーのプロセスを理解するには、まずフォトグラフィーとは何かを理解する必要があります。プロセス自体は、写真がフィルムネガから写真用紙に印刷される方法と非常に似ています！私を信じないでください-今、私たちはすべてを説明します。

フォトリソグラフィー

簡単な例から始めましょう-透明なガラスを取り、それにある種の幾何学的なパターンを適用し、一部の領域にはペイントを残しません。基本的にはステンシルを作りましょう。このガラス片を懐中電灯に取り付けて、電源を入れます。ガラスに適用したのとまったく同じシャドウパターンが得られます。 プロセッサの製造では、このパターン化されたガラス片はマスクと呼ばれます。マスクを使用すると、あらゆる材料の表面に、あらゆる平面形状の「露出オーバーおよび露出アンダー」領域を取得できます。











わかりました-表面に描画がありますが、それは単なる影です。どういうわけかそこに保存する必要があります。このために、フォトレジストと呼ばれる特殊な感光層がシリコンウェーハの表面に適用されます。簡単にするために、ここではポジとネガのフォトフォトについては説明しません。なぜこれらがこのように反応するのか、結局のところ、物理化学のレッスンではありません。これは、特定の周波数、つまり特定の波長で光が当たると特性が変化する物質であるとだけ言っておきましょう。 繰り返しますが、写真フィルムや写真紙の場合と同じように、特殊な材料の層が光に反応します！











シリコン上の必要な領域を照らした後、残りの領域、つまり照らされていない領域をそのままにして、それらを削除できます。その結果、思い通りの絵ができました。これがフォトグラフィーです！



もちろん、フォトグラフィーに加えて、エッチングや堆積などの他のプロセスがプロセッサーの製造に関与します。実際、これらのプロセスをフォトグラフィーと組み合わせることにより、トランジスターは、いわば、シリコン上に層ごとに印刷されます。



この技術は新しいものではなく、1960年代以降のほとんどすべてのプロセッサーはフォトグラフィーを使用して製造されています。電界効果トランジスタの世界とすべての現代のマイクロエレクトロニクスへの道を開いたのはこの技術でした。



しかし、この分野での本当に大きな飛躍は最近起こったばかりです！ EUVへの移行に伴い。そして、すべて13.5nmの波長のためです。心配しないで、今から説明します！ 私たちの「懐中電灯」が光る波長は、非常に重要なパラメーターです。クリスタルの要素をどれだけ小さくできるかを決めるのは彼女です。 ルールは可能な限り単純です。波長が短いほど解像度が高くなり、プロセス技術が少なくなります。 写真に注意してください。 90年代初頭から2019年までのすべてのプロセッサは、DeepUVリソグラフィプロセスまたはDUVリソグラフィを使用して製造されました。これがExtreme以前の状態です。























これは、193ナノメートルの波長の光を放射するフッ化アルゴンレーザーの使用に基づいていました。この光は深紫外線の領域にあります-それ故に名前。



レンズシステム、マスクを通過し、フォトフォトでコーティングされたクリスタルに到達して、目的のパターンを作成します。 しかし、このテクノロジーには、物理​​学の基本法則に関連した制限もありました。 可能な最小限の技術的プロセスは何ですか？式を見てみましょう（心配しないでください）：







 















ここで、ラムダは私たちの波長であり、CDは重要な寸法、つまり結果として得られる構造の最小サイズです。つまり、「古い」DUVリソグラフィーを使用すると、少なくとも約50nmの構造を得ることができます。しかし、どうすればこれを尋ねることができますか？結局のところ、メーカーはDUVリソグラフィーを使用して14nmと10nmの両方、さらには7nmを完全に実行しました。



彼らはトリックに行きました。 1つのマスクを介した単一のグレアの代わりに、互いに補完するさまざまなパターンを持つ複数のマスクを使用し始めました。このプロセスは、多重露出と呼ばれます。これをパフパイの原則と呼びましょう！ はい-メーカーは直接的な物理的制限を回避しましたが、物理学はだましませんでした！











深刻な問題が発生しました。これらの追加の手順により、各チップの製造がはるかに高価になりました。そのため、拒否の数が増え、その他の問題があります。



つまり、理論的には、古いテクノロジーを引き続き使用し、マスクと露出（2倍、3倍、4倍の露出）で遊んで、サイズをさらに小さくすることができますが、これによりプロセスがゴールドになります。実際、各レイヤーで、拒否の割合がどんどん高くなり、エラーが累積します。



つまり、DUVは行き止まりだと言えます。次に何をすべきか、どのように減らすか？



そして、ここにエクストリームUVリソグラフィー、またはEUVリソグラフィーの素晴らしくて恐ろしい技術がやって来ます！







写真を見てください-それは2つの技術の違いを完全に示しています。どちらも7ナノメートルのプロセス技術を使用して取得されましたが、左側の1つは、DUVリソグラフィーを使用して取得されたもので、3つの異なるマスクを段階的に使用するという、3回の露光という非常に巧妙な方法で取得されました。右側は、1つのマスクを使用した13.5ナノメートルのEUVリソグラフィ技術です。違いは明らかです。境界がはるかに明確で、ジオメトリの制御が向上し、プロセス自体がはるかに高速で、不合格の割合が低くなります。つまり、最終的には安価になります。これが明るい未来への道です。すぐにやってみませんか。何が問題なのですか。

EUVリソグラフィーのしくみ

EUVは同じリトグラフですが、細部の内部ではすべてがはるかに複雑であり、ここで科学者やエンジニアは新しい問題に直面しました。



極端なUVリソグラフィーの技術自体は、2000年代の初めに開発され始めました。これは、13.5ナノメートルの波長の光を放射する光源を使用します。つまり、UVスペクトルの下端で、X線に近いです。



理論的には、この方法を使用して、すでに重要な寸法の構造を作成できます。非常に小さいため、もう少しすると、通常の物理法則はそれらを操作しなくなります。つまり、5 nmを超えると、量子の世界にいることになります。 しかし、この問題でさえ、現時点では解決されています。ソースがあります-それを取り、あなた自身を任意に小さなプロセッサにしてください。







 

それほど単純ではありません！

これらの短波長の問題は、ほとんどすべての材料に吸収されるため、以前は適合していなかった従来のレンズであるということです。何をすべきか？



この光を制御するために、特別な反射ミラーレンズを作成することが決定されました。そして、これらのレンズは滑らかである必要があります！とてもなめらか ！！！ほぼ完全にスムーズ！



これがあなたの例です。たとえば、ドイツのサイズにレンズを伸ばしてみましょう。その表面は非常に滑らかで、1ミリメートルを超えてはみ出さないようにする必要があります。このパラメータはレンズ粗さと呼ばれ、必要なパラメータは0.5ナノメートル未満である必要があります。これはすでにATOMのサイズに近いです！誰がノミを履くことができますか？



もちろん、Zeiss-彼らだけがそれを行うことができます！はい-レンズが私のカメラにある同じZeissの会社は、ノキアまたはソニーXperiaの旗艦にありました。 1つの問題が解決しました-レンズがあります！ 第二があります-この光は普通の空気の中でも散乱します。したがって、プロセスを正常に進めるためには、真空中で実行する必要があります。 私は通常、ほこりや汚れの粒子について静かにしています-それらがまったく存在してはならないことは明らかです。そのようなプロダクションのクリーンルームは、病院の手術室よりもはるかにクリーンです！人々は文字通り宇宙服を着て歩きます。どんなに小さな汚れ、皮膚、空気の粒子でも、マスクとミラーの両方を台無しにする可能性があります！



















そして、ソースはどうですか？特殊なレーザーを短波長に置くだけでいいのですか？問題は、電球もレーザーも、この波長で放射する他の通常の光源も、自然界には存在しないということです。



では、どのようにして必要な放射線を得るのですか？エレメンタリー、ワトソン-プラズマが必要です。



スズ蒸気を太陽の表面の温度の100倍の温度に加熱する必要があります！ただ！そして、この背後にはほぼ20年の開発があります。



別途お話しするEUVリソグラフィーを用いたプロセッサー製造設備には、特殊な二酸化炭素レーザーが設置されており、ドイツのトランプフ社とアメリカのサイマー社の2社のみが並行して製造することができます。この30キロワットのモンスターは、50キロヘルツの周波数で2つのパルスを発射します。



レーザーがブリキの滴に当たり、最初のショットは実際に平らになり、滴をパンケーキに変えます。これは、2番目のボレーの簡単なターゲットになり、点火します。そしてこれは1秒間に5万回起こります！そして、結果として生じるプラズマは、極端なUVスペクトルでこの光を放出します。 そしてもちろん、これはまさに基本ですが、私たちはこのプロセスがいかに困難でクールであるかをあなたに描いてみました。







 

すべてのプロセッサの背後にある会社

彼らは技術について話しました、それは誰かがそれを発明して実装したことを意味します、しかしその開発は非常に高価であることが判明したので、大きな巨人や大物でさえそのような予算を引き出すことができません！



結局、これを実現するためには、誰もがチップインする必要がありました-2012年にIntel、そしてTSMCとSamsungは2015年のどこかで共通のプロジェクトに参加しました。さまざまな見積もりによると、総投資額は140億ドルから210億ドルでした。そのうち約100億がオランダの単一企業ASMLに投資されました。 EUVリソグラフィー法を使用した世界中のプロセッサーのすべての生産の背後にいるのは彼女です！うわー！ ASMLとは何ですか？なぜそれについて聞いていないのですか？オランダの会社-なんて暗い馬？



問題は、ASMLがまさにツールを作成したということです。それがなければ、Apple、Samsung、Intel with AMDは、実質的に手がありません。 1億2000万ドル以上の価値のあるインストールについて話しています。それは巨大で180トンで、約1メガワットの電力を消費し、冷却するために毎分約1.5トンの水を必要とします。しかし、そのような価格でさえ、これらの機械の数十が年間に生産されるので、それらのための待ち行列は何年もの間立っていました。 ロシア人の心のかなりの貢献にも言及する価値があります。たとえば、このテクノロジーの作成者の1人は、現在ASMLの開発ディレクターであるVadim EvgenievichBaninです。また、私たちの他の同胞は会社で働いています！ この会社は、人類のすべての知識が収集され、すべてのIT巨人が一度にプロセッサを製造する、最も技術的に高度なデバイスの1つを製造していることがわかりました。



















しかし、ASMLだけが有名なIT巨人の背後にいるだけではありません。それらの設備は、世界中の1,000を超える企業によって製造された10万を超える部品で構成されています。これらの会社はすべて互いに関連しています！

未来

しかし、次に何が起こるでしょう！今日は私たちがあなたを残すと思いましたか？いいえ-私たちは未来をのぞきました！ 5nmまたは2nm後に何が起こるかについての情報を入手しました！



まず、現在、このビデオを見ている間、TSMCはすでにEUVリソグラフィーを使用して、HUAWEI、Apple、Samsung用の新しいプロセッサを開発していますが、AppleA13やKirin990の場合のように、7nmではなく、5nmプロセステクノロジーを使用しています。 ！そして、これには多くの証拠があります！そして、私たちはこの秋にそれらについて聞くでしょう。どのようにそれが好きですか-A14バイオニックは5nmになります！また、個別に説明した新しい5nmExynosおよびGoogleプロセッサもお待ちしています。 Qualcommもおそらくそれらをフォローしますが、ここにはデータがありません！



そして第二に、これは一般的に脳を爆発させます、ASMLはすでに2ナノメートルのプロセス技術でプロセッサを生産することを可能にする設備の開発を完了しています、そしてわずか4-5年でさらに少ないです！



このために、オランダの会社の人たちは、ドイツのツァイスと一緒に、高い開口値を持つ新しいミラーレンズを開発しました。これらはアナモルフィック光学系であり、さらに、解像度を上げることができます。



プロセス自体は基本的に同じEUVですが、High-NAEUVプレフィックスが付いています。そして、ユニット自体はさらに多くのスペースを占有します。これがそれらのために光学が作られている方法です！ 今年は誰にとっても難しい年ですが、同時に、テクノロジーがどのようなステップで開発を始めているかを見てください。夢にも思わなかった容量の新しいプロセッサーを待っています。











さらに、ニューロコンピューティング用に、NPUなどのまったく新しいタイプのプロセッサが開発されています。