Многие слышали о процессе литографии. Но если вы считаете, что изготовление процессорного кристалла только из него и состоит, то вы ошибаетесь. Да, литография это жизненно важная часть процесса, но для современных техпроцессов 45нм и 32нм, не говоря о 22нм Fin-FET, это лишь один из сотен этапов. После того, как поверхность кремния была подвергнута литографии, на ней выращиваются транзисторы и их соединения, с использованием комбинации гальванических процессов, ионной имплантации, химического осаждения, молекулярного наслаивания и многих других. Кроме того, большинство этих операций могут быть разбиты на десятки шагов.
В интернете есть множество видеороликов, которые показывают производство микропроцессоров (например: этот).
Все эти операции выполняются не одной машиной, например, для того, чтобы создать FinFET транзистор, требуется, по крайней мере, семь различных установок. Необходимо перемещать кремниевые пластины между этими установками, причем делать это в вакууме. Имея дело со слоями high-k диэлектрика, который толщиной всего лишь 10 атомов, даже один посторонний атом может испортить весь процессор.
Установка для нанесения изолирующей пленки на стеклянную поверхность при производстве ЖК-экранов.
На крупных фабриках весь процесс практически полностью автоматизирован – с использованием ПО, поставляемого Applied Materials. Чтобы получить некоторое представление о масштабах: фабрика, оперирующая пластинами диаметром 300мм, стоит по разным версиям от 5 до 15 млрд. долларов. Каждая установка производства Applied Materials имеет размеры порядка офисного стола и стоит от 2 до 6 млн. долларов. При средней цене 4 млн. это означает, что на одной фабрике может находиться более тысячи установок, и все они расположены в чистой комнате (площадью несколько тысяч кв. м.).
Fab 42 — фабрика Intel в Аризоне ($5 млрд.), строительство завершится в этом году
Любой каприз за ваши деньги
Если каждая компания-производитель имеет доступ к одному и тому же оборудованию Applied Materials, то откуда же берется столь чудовищная разница в используемых техпроцессах? Почему Intel переходит на 22нм технологию с использованием FinFET, в то время как Global Foundries застряли где-то между 32нм и 45нм?
На то есть две причины. Первая, как уже упоминалось, Applied Materials предоставляет оборудование, но разработка конкретного процесса остается за производителем чипов или фабрикой. Intel может использовать 8 слоев металлизации для соединения транзисторов, а AMD только 6. Intel может обнаружить вариант оксида гафния, который служит лучшим диэлектриком, чем используемый на TSMC и т.д. Каждый производитель микропроцессоров пользуется услугами лучших химиков мира, чтобы оставаться на острие конкуренции. И это их работа разбираться в возможностях и ограничениях оборудования Applied Materials и с его помощью получать лучший результат.
Второе, хоть Applied Materials и поставляет стандартное оборудование – за $50млн можно купить полный комплект и немедленно начать производство по 45нм технологии! Но компания также работает с конкретными производителями, и обеспечивает требуемые им модификации. Если Intel необходимо изменить форму одной из насадок, или улучшить пьезоэлектрический преобразователь — Applied Materials с радостью возьмет на себя эту работу. Чем-то напоминает поход в автосалон: покупатель может захотеть форсировать двигатель или тонировать стекла. По сути своей, все автомобили идентичны, но доработаны согласно пожеланиям клиентов.
Великий раздел.
Получается, Intel не удалось бы достигнуть 22нм отметки без тесного сотрудничества с инженерами и химиками из Applied Materials. Но, с другой стороны, Applied Materials также известны и самые тёмные секреты о последних достижениях AMD. Нетрудно представить масштаб конфликта интересов, который имеет тут место. Что произойдет, если один из инженеров случайно выдаст один из секретов FinFET технологии сотрудникам другой компании?
Чтобы избежать подобных проблем, в Applied Materials существуют отдельные команды, которые работают с каждым из крупных клиентов и никак не взаимодействуют друг с другом. В теории, инженер Applied Materials работающий с Intel никогда не встретит инженера работающего с AMD. Если в информационном пространстве это достигается разграничением прав доступа и подобными мерами, то насчет разграничения, происходящего в реальном мире, ничего конкретно неизвестно. Существуют ли отдельные кафетерии и рабочие помещения для каждой из команд? И не выглядит ли кампус Applied Materials в Санта-Кларе как дворец из одной детской книжки?
Учитывая, что Applied Materials работает подобным образом уже более 40 лет, то вероятно они знают, как убедить своих клиентов в надежной защите их интеллектуальной собственности.
Кто вспомнит, из какой книги этот дворец?
Подобный уровень сотрудничества и доверия позволяет Applied Materials заключать многомиллиардные соглашения о создании оборудования и обмену интеллектуальной собственностью. И только благодаря этому на свет появляются технологии 22нм, 14нм и, в недалеком будущем 10нм.
22нм и дальше
Несомненно, мы уже подбираемся к границам возможностей кремниевой электроники (расстояние между двумя атомами кремния составляет 0.5 нм). Но такие технологии, как multi-patterning, иммерсионная литография и FinFET транзисторы, позволяют ожидать появления 14нм и 10нм процессоров в ближайшие несколько лет.
По мере того, как размеры транзисторов сокращаются, растет точность операций по их изготовлению, а значит и стоимость изготовления одной пластины растет. Например, при переходе от 45нм к 14нм стоимость удваивается из-за сложностей создания FinFET-транзисторов, роста числа слоев металлизации, использования multi-patterning'а.
При всём при этом Applied Materials продолжает делать свою часть работы, увеличивая выход годных кристаллов и снижая цену.
Например, следующее поколение оборудования будет рассчитано на использование пластин, диаметром 450мм. Что снизит себестоимость отдельно взятого микропроцессора.
Рост диаметра пластин, самые первые пластины в диаметре были всего лишь 25мм
Или, создание новых подходов к изоляции проводящих связей (внутри микропроцессора в общей сложности находится более 100 км медного провода, который повинен в 30% энергопотребления и тепловыделения кристалла) позволяющих снизить на несколько процентов общее потребление процессора. Не так уж плохо, если учесть, что сейчас одна из основных метрик – время жизни батареи.
Вот такая она: Applied Materials. Неизвестный герой Кремниевой долины, стоявший на острие прогресса полупроводниковой электроники еще до того, как Intel выпустила свой первый микропроцессор.
Судя по текущему положению дел, опыту и портфелю технологий, компания находится в отличной форме, и способна продолжить свой путь к пределам кремниевой электроники, и за эти пределы.
