Raunarstvo i informatika III Karakteristike i tehnologije proizvodnje

Računarstvo i informatika III Karakteristike i tehnologije proizvodnje mikroprocesora RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 1 Matematička gimnazija Beograd

Šta ćemo učiti U ovoj lekciji. . . ° Osnovni modeli Intel mikroprocesora familije 80 x 86 ° Osnovni modeli Intel kompatibilnih mikroprocesora ° Projektovanje čipova ° Fabrikacija čipova ° Pakovanje mikroprocesora RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 2 Matematička gimnazija Beograd

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 RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 3 Matematička gimnazija Beograd

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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 4 Matematička gimnazija Beograd

Isecanje silicijumskih obladi RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 5 Matematička gimnazija Beograd

° 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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 6 Matematička gimnazija Beograd

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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 7 Matematička gimnazija Beograd

° Prvi sloj Si. O 2 oblaže se izlaganjem ekstremno visokoj temperaturi i gasovima. Njegov rast nalikuje pojavi korozije na metalu kada se izloži vodi. ° Sloj Si. O 2 na vejferu raste mnogo brže i suviše je tanak da bi se video golim okom. ° Zatim se vejfer pokriva supstancom fotorezistora. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 8 Matematička gimnazija Beograd

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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 9 Matematička gimnazija Beograd

Graviranje ° Omeškali fotorezistor se rastvara kiselinama i otkriva oblasti Si. O 2 koje nisu bile pokrivene maskom. ° Otkriveni Si. O 2 se korišćenjem hemikalija gravira - uklanja. ° Ostatak fotorezistora se ispira. Ovaj proces ostavlja grebene Si. O 2 na silikonskoj osnovi. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 10 Matematička gimnazija Beograd

Postavljanje nove fotografske maske preko gotove stuktu RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 11 Matematička gimnazija Beograd

Priprema maski ° U prostorijama u kojima nema ni trunke prašine radnice pomoću mikroskopa usklađuju fotografske maske pre svake faze litografskog postupka. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 12 Matematička gimnazija Beograd

Slojevi ° Pri postavljanju sledećeg sloja prvo se nanosi tanak premaz Si. O 2 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 Si. O 2. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 13 Matematička gimnazija Beograd

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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 14 Matematička gimnazija Beograd

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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 15 Matematička gimnazija Beograd

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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 16 Matematička gimnazija Beograd

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. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 17 Matematička gimnazija Beograd

Wafer ° Na tankoj silicijumskoj oblandi odjednom se pravi nekoliko stotina čipova koji se pomoću kompjutera kontrolišu i nakon toga razdvajaju. RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 18 Matematička gimnazija Beograd

Pakovanja čipova ° Mikroprocesorski čip se lepi na donji deo plastičnog kućišta, a kontakti se pomoću tankih žičica povezuju sa nožicama (pinovima) kućišta RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 19 Matematička gimnazija Beograd

Integralno kolo ° Kućište IC u koje je smešten čip. S obe strane kućišta vide se nožice koje služe za lemljenje čipa na štampanu ploču. n n RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 20 Procesorsko kućište bez čipa Čip spojen vrlo tankim vodovima na mnogo čvršće nožice postavljene u dva reda, po jedan sa svake strane kućišta. Matematička gimnazija Beograd

Integralno kolo - uvećano ° Veliko povećanje. Logički sklopovi se sastoje od nekoliko tranzistora. Oni predstavljaju arhitekturu čipa i raspoređeni su u blokovima n RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 21 Zidovi su visoki samo hiljaditi deo mm. Ceo čip uvećan do razmera ove slike imao bi stranicu dugačku 6. 5 km Matematička gimnazija Beograd

Osnovni modeli Intelovih mikroprocesora familije 80 x 86 RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 22 Matematička gimnazija Beograd

Aktuelni modeli procesora Athlon 64 FX Radni takt proces izrade Athlon 64 2. 2 0. 13 SOI tranzistora (miliona) napon Athlon XP 3200+ 2 0. 13 SOI Pentium 4 C Pentium 4 EE 2. 2 3. 2 0. 13 105. 9 37. 5 55 168 1. 55 1. 65 1. 55 Setovi instrukcija SSE/SSE 2/3 DNow SSE/SSE 2 /3 DNow SSE /SSE 2 L 1 cache 64 / 64 8 + 20 L 2 cache 1 MB 512 KB 512 Kb L 3 cache - - 2 MB cache width 128 bit 64 bit 256 bit RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 23 Matematička gimnazija Beograd

Intelovi mikroprocesori Intel Pentium II Koristi SECC (Slot 1) Intel Pentium MMX Intel Celeron sa SEPP (Slot 1) konektorom Intel Pentium III Katmai SECC 2 (Slot 1) Intel Pentium III Coppermine FC-PGA klasični Pentium (levo) I Intel Celeron PPGA (desno) Intel Celeron D(Prescott core) RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 24 Matematička gimnazija Beograd

AMD i Cyrix (VIA) mikroprocesori AMD Duron AMD Athlon 64 3000+ Newcastle Cyrix/IBM M 2 6 x 86 AMD K 6 -2 3 DNow Socket. A AMD K 6 -III 3 DNow AMD K 7 -Athlon Slot. A (200 MHz DDR) RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 25 VIA Cyrix III AMD Athlon Thunderbird. Matematička gimnazija Beograd

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); ES 2 (EZ). . . gimnazija Beograd RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 26 - Pristup ovim fabrikacionim linijama omogućen Matematička je i zemljama

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 Matematička gimnazija Beograd prototip serije nekog komercijalnog integrisanog kola RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 27

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 - 8 b mikroprocesori, RAM, ROM • VLSI (Very- 28 Large SI) > 20. 000 - 16 b i 32 b mikroprocesori Matematička gimnazija Beograd RS 04 Proizvodnja mikroprocesora

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 RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 29 Matematička gimnazija Beograd

Pitanja i zadaci 1. Navedite osnovne karakteristike članova familije Intel 80 x 86. 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; Matematička gimnazija Beograd RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 30 (b) dužine provodnika uz zadržavanje veličine tranzistora?

RS 04 Proizvodnja mikroprocesora - 31 Matematička gimnazija Beograd