Как делают процессоры: от песка до чипа

Процессор — это «мозг» компьютера. Вы держите его в руках, когда собираете ПК, и знаете, что от него зависит скорость всего, что вы делаете. Но как кусок металла с ножками превращается в устройство, которое обрабатывает миллиарды операций в секунду? История начинается с того, что буквально под ногами — с песка.

Песок, из которого делают мозг

Не любой песок подходит. Нужен кварцевый песок — тот, в котором много диоксида кремния. Кремний — четвёртый по распространённости элемент в земной коре, так что сырья хватит надолго.

Из песка сначала выделяют кремний в чистом виде. Настолько чистом, что на миллион атомов приходится меньше одного атома примесей. Для сравнения: если бы вы пытались собрать столько же чистого сахара из мешка, в котором перемешаны все сладости мира, — это примерно та же задача.

Получившийся чистый кремний плавят и вытягивают из расплава огромный кристалл — слиток. Он выглядит как серебристая колбаса диаметром около 30 сантиметров и длиной до двух метров. Весит такая «колбаса» около ста килограммов.

Хлеб нарезали — получились вафли

Слиток режут тонким алмазным диском на диски толщиной меньше миллиметра. Эти диски называют вафлями, или пластинах (по-английски — wafer). Одна вафля — основа для десятков будущих процессоров.

Вафлю полируют до зеркального блеска. Если бы вы положили её рядом с настоящим зеркалом, то не отличили бы. Поверхность должна быть идеально ровной, потому что дальше на неё будут «печатать» схемы.

Почему именно кремний

Кремний — полупроводник. Это значит, что он может и проводить электрический ток, и не проводить — в зависимости от условий. Обычный металл всегда проводит, пластик всегда не проводит, а кремний — как выключатель на стене: хочет — пропустит ток, хочет — нет.

Эта способность «включаться и выключаться» — основа всего. Из неё строят транзисторы — крошечные переключатели, которые работают как дверцы для электрического сигнала. Один транзистор пропускает ток или блокирует его, и это уже ноль или единица — кусочек информации.

Миллиарды выключателей на ногте

На современном процессоре — миллиарды транзисторов. Когда вы читаете эту строчку, внутри вашего телефона или ноутбука переключаются миллионы таких дверц ежесекундно. Каждый из них занимает место меньше, чем бактерия.

Представьте выключатель света в комнате. А теперь представьте, что таких выключателей — двадцать миллиардов, и все они размещены на площади размером с ноготь большого пальца. Вот это и есть современный процессор.

Как «печатают» чипы: литография

Самое интересное начинается, когда вафлю нужно превратить в набор транзисторов. Для этого используют литографию — процесс, похожий на печать фотографии в старой проявочной.

Фотография работает так: свет проходит через негатив и засвечивает плёнку, где нужно. Литория работает так же, только вместо плёнки — слой химического вещества на вафле, а вместо негатива — фотошаблон (маска) с рисунком схемы процессора.

Свет проходит через маску, проецируется на вафлю и меняет свойства покрытия в нужных местах. Потом вафлю травят химикатами: где свет засветил — материал смывается, где не засветил — остаётся. Так слой за слоем формируется рисунок из проводников и транзисторов.

Один процессор — это несколько десятков таких слоёв, нанесённых друг на друга. Каждый слой — отдельный цикл печати, травления и проверки.

Нанометры: почему меньше — значит лучше

Вы наверняка слышали: «3 нанометра», «5 нанометров», «технологический процесс 7 нанометров». Что это значит?

Нанометр — это миллионная доля миллиметра. Нанометр настолько мал, что в одном миллиметре уместится около ста тысяч нанометров. Для сравнения: толщина человеческого волоса — примерно 80 000 нанометров.

Когда говорят «технологический процесс 5 нанометров», имеют в виду примерный размер одного транзистора. Чем меньше транзистор, тем больше их поместится на чипе. Больше транзисторов — больше вычислительной мощности. Кроме того, маленькие транзисторы переключаются быстрее и потребляют меньше энергии.

Именно поэтому производители постоянно соревнуются: кто сделает транзисторы мельче, тот получит более мощный и энергоэффективный процессор.

EUV: печать невидимым светом

Чтобы «напечатать» транзисторы размером в несколько нанометров, нужен очень тонкий «карандаш». Обычный свет для этого слишком грубый — его волна слишком длинная. Поэтому придумали EUV-литографию (extreme ultraviolet — экстремальный ультрафиолет).

EUV — это свет с очень короткой длиной волны. Настолько короткой, что его не видно ни глазом, ни обычными камерами. Он позволяет прорисовать детали настолько мелкие, что прежние методы печати с ними не справлялись.

Проблема в том, что EUV-оборудование невероятно сложное. Свет такой длины волны поглощается всем — даже воздухом. Поэтому «печать» происходит в вакууме, а линзы там не работают (только специальные зеркала). Один такой аппарат весит 180 тонн и стоит около 300 миллионов долларов.

Кто всё это делает

В мире чипов есть разделение труда, и это важно понимать.

ASML (Нидерланды) — единственная в мире компания, которая делает EUV-литографы. Те самые машины за сотни миллионов. Никто другой пока не умеет. Если у вас есть завод по производству чипов по передовой технологии — на нём стоит аппарат от ASML.

TSMC (Тайвань) — крупнейший в мире производитель чипов. Они не придумывают дизайн процессоров — они делают чужие. Apple, AMD, Nvidia и многие другие придумывают процессор, а TSMC физически его изготавливает на своих заводах.

Intel (США) — и придумывает процессоры, и производит их сама. Долгое время они были лидерами, но последние годы пытаются догнать TSMC по технологии.

Есть и другие игроки: Samsung (Южная Корея), GlobalFoundries, китайские заводы. Но оборудование для передовых технологий — всё равно от ASML.

Почему это безумно дорого

Один современный завод по производству чипов стоит около 20 миллиардов долларов. Это не опечатка. Столько стоит построить одно здание, equip его оборудованием и настроить процессы.

Внутри — «чистые комнаты», где воздух фильтруется настолько тщательно, что в одном кубическом метре находится меньше пылинок, чем в операционной. Одна пылинка на вафле — и процессор испорчен.

Завод работает 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Вафли проходят через сотни операций за два-три месяца, прежде чем превратиться в готовые процессоры. Из одной вафли получают десятки чипов — но не все из них годные. Доля рабочих — это выход годных, и когда вы осваиваете новую технологию, поначалу брак может составлять половину.

От вафли к коробке

Когда вафля готова, её режут на отдельные чипы — кристаллы. Каждый кристалл — это готовый процессор, только без упаковки. Кристаллы проверяют: годные — отправляются на сборку, бракованные — в утиль.

Годный кристалл устанавливают на подложку, припаивают контакты, закрывают металлической крышкой для отвода тепла. Теперь это процессор, который вы видите в магазине — с маркировкой, ножками или контактами на нижней стороне.

Итого

Путь от песка до процессора — это плавка, резка, полировка, многослойная печать светом, травление химикатами, резка на чипы и упаковка. Каждый шаг — точность на уровне нанометров и чистота на уровне операционной. И за всем этим стоят машины стоимостью сотни миллионов и заводы стоимостью миллиарды.

В следующий раз, когда ваш телефон откроет приложение за долю секунды, вспомните: это работает миллиард выключателей, напечатанных светом на куске очищенного песка.