Смартфоны и компьютеры уже умеют отвечать человеческим языком на любой вопрос, показывать реалистичную графику в играх, обрабатывать сотни кадров в секунду для создания одной фотографии.

«Мозгами» всей техники служат процессоры, развитие которых и помогает индустрии на наших глазах делать прыжки в технологиях.

Вы, наверное, не раз слышали, что чипы сделаны из обычного кремния, 14-го элемента в таблице Менделеева с обозначением Si.

Петербург, отпечатанный методом литографии. Ниже поймёте, причем тут он

Apple даже решила не париться и называет свои процессоры для Mac просто Apple Silicon, «Кремний от Apple».

Это второй самый распространённый элемент на планете после кислорода.

Но найти его в чистом виде почти невозможно. Только выделить.

А вот как сырой минерал превращают в технологичные пластины с узором глубиной в молекулу, расскажу ниже. На всё уходит три больших этапа.

Почему кремний? Его добывают из кварца, которого навалом

Кремний используют как базу для процессоров, потому что он является полупроводником – в зависимости от химических элементов рядом может быть как изолятором, так и проводником электричества. Отсюда и приставка в названии «полу-».

В природе кремний (Si) добывают из кварца (SiO2).

Кварца по всей планете полно, процесс добычи дешевый, и это ещё одна причина популярности именно кремния.

Песок с его содержанием можно найти на любом континенте планеты, но наиболее богаты им страны с песчаными пляжами океанов и рек.

🤯🌍 Земная кора больше, чем на четверть (28%) состоит из кремния (Si).

Среди лидеров по производству США, Австралия, Бельгия.

Главные заказчики это Китай, Канада, Япония, Италия.

Весь процесс создания чипов делится на три больших этапа: превращение сырого материала в чистейший и правильной структуры, подготовка пластин из него и печать процессора.

Этап 1. Песок варят, парят, а потом плавят

Производство металлургического кремния

Металлургический кремний

Чтобы материал стал пригодным для работы с ним, добытый песок проходит три обработки разными веществами под высокими температурами.

По формуле кварца (SiO2) видно, что в нём кремний (Si) химически связан с кислородом (O).

Чтобы отделить одно от другого и получить чистый кремний, песок смешивают с углём (C) и насыпают в электродуговую печь.

В смесь опускают стержни и дают по ним мощный разряд. За счёт нагрева до 1900ºC происходит реакция, из которой получается ядовитый газ монооксид углерода (CO) и жидкий кремний (Si) с примесями. Далее он застывает и получается металлургический кремний.

Его применяют в создании солнечных панелей, алюминиевых сплавов, производстве красок, но не для чипов.

Чистота элемента на этом этапе составляет до 99%, но оставшийся процент критически необходимо убрать.

Производство поликристалического кремния

Поликристаллический кремний

Для этого металлургический кремний под высокой температурой смешивают с ядовитым газом хлороводородом (HCl), благодаря чему получается газ трихлорсилан (HCl3Si).

Когда газ остывает до 20ºС, он становится жидкостью.

На создание чистого кремния для чипов уходит всего 1% мирового производства металлургического кремния.

Далее трихлорсилан испаряют в другом реакторе и смешивают с водородом (H). Происходит реакция (называется «химическое осаждение из паровой фазы»), и чистейший кремний оседает на подготовленные в реакторе стержни. Выделившиеся хлор и водород выводятся в виде газа.

Мы почти на последнем этапе.

Вот такое вытягивание кристалла кремния занимает около 140 дней

Кристалл кремния с правильной структурой в центре

Получившийся кремний называют поликристаллическим. Он подходит для создания, например, солнечных панелей. Но его молекулярная структура хаотичная и потому хрупкая.

Чтобы создать чистый кристалл кремния, материал топят, а затем в течение 140 дней наращивают на стержень, постепенно вытягивая его из ёмкости. Чистота этого кремния такая, что только 1 атом из 10 млн атомов не является кремнием.

Получается монокристалл кремния – конечная форма материала, который попадёт в ваш смартфон.

Этап 2. Каменные блины делают идеально плоскими

Не считая двух последних, это все этапы превращения кристалла кремния в базу для чипов

Чипы «печатают» на пласте кремния, который получают из этого кристалла. Чтобы сделать его идеально гладким, камень проходит несколько этапов.

Из-за «вытягивания» кристалл имеет плечи, которые отрезают мощной пилой, а из-за вибраций во время выращивания он неровный, что решается шлифовкой внешнего слоя.

Далее кремний нарезают на тонкие блины с помощью алмазной проволоки. Затем пластины полируют алмазным же станком. Их края закругляют, чтобы панели не раскололись при дальнейших жёстких нагрузках во время печати. Их будут нагревать, окислять, испарять и облучать десятки раз.

Нарезание кристалла на вафли

Шлифовка вафель из кремния

С помощью химических ванн и центрифуг полированные «вафли» очищают от металлических загрязнений и пыли.

Они проходят стадии очистки как жидкими, так и газовыми соединениями, чтобы получилась идеально ровная поверхности для следующего этапа.

В итоге получаются блины диаметром до 300 миллиметров и толщиной не больше миллиметра.

Немного базы. Как кремний обращают в нули и единицы

На нарезанных вафлях кремния видны отпечатанные чипы с миллиардами транзисторов

Выдам базу, чтобы вы поняли последний этап.

Транзисторы играют роль базовых строительных блоков в любом современном чипе. Чем их больше, тем лучше. В одном процессоре их может быть миллиарды, о чём, например, Apple рассказывает на каждой своей презентации.

Кроме количества транзисторов важны их размер, строение, материалы, чувствительность, сопряжение друг с другом.

От эффективности в дизайне всех этих переменных и зависит скорость работы чипа.

У этого строительного блока простой механизм работы. Когда подаётся достаточно много тока, транзистор прогоняет заряд через себя – это «единица». Если тока пришло недостаточно, транзистор не проводит заряд – получается «ноль».

В зависимости от того, сколько энергии требуется транзистору для «активации», формируется та самая энергоэффективность чипа. Чувствительность, в свою очередь, зависит от размеры транзистора.

Сделал для вас простую схему транзистора. По факту они разной структуры и состава материалов

На картинке выше видно, что по белому контакту в центре ток не идёт. Транзистор в покое.

За работу транзистора отвечает три базовых элемента: источник (отрицательный заряд), база (полупроводник n‑типа + ворота из поликристаллического кремния) и коллектор (положительный заряд).

К каждому элементу подведены контакты. В современных процессорах роль контактов играет нанометровый слой металла.

Полупроводник p-типа — кремний, насыщенный бором. В таком материале есть места для свободных электронов, поскольку в боре (B) на 1 внешний электрон меньше, чем у кремния (три против четырёх).

На картинке выше их два: на источник подаётся отрицательный заряд, на коллектор положительный.

Полупроводник n-типа – кремний, насыщенный фосфором. В этом материале один электрон лишний, поскольку у фосфора пять внешних электронов против четырёх у кремния.

На картинке выше он один, это база.

Красным выделены «ворота» из поликристаллического кремния. Через них и проходит активация. Если на этот центральный элемент попадает достаточно энергии, он начинает притягивать электроны из большой оранжевой n-кремниевой базы к центру.

Реальное фото транзистора. Слева коллектор, в центре «ворота», справа источник

Получается мост между двумя p-проводниками, и ток между ними оказывается зациклен. Цепь замкнута, состояние «единицы».

И таких операций происходит миллиарды за секунду в вашем процессоре смартфона, часов, компьютера и наушников.

Но как весь этот конструктор собирают на молекулярном уровне?

Этап 3. Процессоры выжигают по трафаретам

Чипы печатают разными технологиями, здесь одна из самых новых – с несколькими масками одновременно. Одна такая машина компании ASML стоит около $200 млн

Поскольку речь идёт о структуре размером в нанометры, механическими инструментами объединить все её составляющие элементы нельзя.

Процессоры буквально печатают слой за слоем на кремний с помощью литографии. Раньше таким образом делали принты на одежде и картины, но в нашем случае процесс более тонкий.

Простая схема литографии процессоров такая:

1. Наносят слой строительного материала
2. На него полимер. Сверху ставят трафарет
3. Полимер твердеет в открытых местах под облучением ультрафиолетом
4. Очищают всё, что не затвердело (полимер+кремний)
5. Повторяют по новой сотни раз до нужной структуры.

☝️ Картины методом литографии пишут так же. Сначала один слой цвета, потом второй, и так далее. Где-то они пересекаются и получается комплексный материал.

На чистый кремний с помощью центрифуги идеально ровно наносится слой нужного материала из описанных выше. Этот компонент примет форму, задуманную инженерами – на каждом этапе используется свой элемент.

Далее поверх наносится слой полимерного светочувствительного материала. Потом накладывается трафарет, у каждого процессора на каждом этапе свой.

Ускоренная схема литографии, если бы пластину не очищали на каждом этапе от излишек после облучения. Источник тут

Лазер облучает пластину. Куда попал свет, там стало твёрдо. Куда не попал, место полностью очищают до нужного инженерам слоя: нагревают, опрыскивают химикатами, обдают газом.

Полимер убирают, элемент под ним в принятой форме остаётся, остальное вырезается.

Далее наносится новый слой с нужным элементом, поверх него снова полимер. Опять обжиг трафаретом, в этот раз новой формы. Снова очистка того, что не затвердело.

Фабрика TCMC, главного производителя процессоров Apple

Одна из стадий печати чипов

И так может быть сотня слоёв, пока на кремний не напечатают задуманную инженерами структуру процессора из миллиардов транзисторов.

В ходе этих процедур базу из кремния могут нагревать, купать и прожигать десятки раз, чтобы добиться нужного отпечатка.

После завершения всех этапов литографии пластины проверяют через микроскоп, режут и слой за слоем накладывают друг на друга в один чип.

Вот почему технологии «высокие»

В литографических лабораториях идеальная стерильность. Сотрудникам запрещено краситься, надевать кольца, курить и использовать парфюм.

Помещения без остановки очищают воздух, чтобы малейшие частицы не попали на кремниевые вафли.

Контроль качества инженеры проводят с помощью микроскопа.

И в итоге на вафлях после печати получается золотисто-радужный оттенок, потому что на поверхности камня формируется идеальный рисунок из транзисторов, в состав которого входят разные виды металлических напылений и кремниевых композитов толщиной в несколько молекул.

У прогресса транзисторов есть главная сложность: чтобы потреблять меньше тока, они должны стать более чувствительными, для этого их нужно делать миниатюрнее. Поэтому инженеры и разрабатывают новые структуры, как расположить проводники внутри каркаса умнее. Поэтому, например, Apple и рассказывает, что GPU в A17 Pro из iPhone 15 Pro полностью переделан.

И по той же причине Apple добилась высокой энергоэффективности с помощью технологии arm. Инженерам оказалось проще работать с транзисторами, которые разработанны с учётом этой архитектуры.

И по той же причине, например, A16 из iPhone 15 и iPhone 14 Pro мощнее, чем Qualcomm Snapdragon 8 Gen 2, хотя в обоих находится по 16 млрд транзисторов. Apple наверняка использовала более эффективное расположение каждого строительного блока по отношению к друг другу и тщательнее заточила под свой софт.

Потому что в тот момент, когда камень превратился в умное железо, разработчики начинают точить под него свои операционные системы.

• До ←

  В iOS 17.1 нашли упоминания Apple Pencil с USB-C

• После →

  Сравнил автономную работу iPhone 15 Pro против iPhone 14 Pro. Пока есть вопросы