Ви коли-небудь замислювалися, як одна і та ж компанія може 23 роки поспіль лідирувати на ринку мікропроцесорів? Або чому протягом тих же двох десятків років ми, купуючи комп'ютер для будинку або офісу, вибираємо між процесорами за все двох марок (за рідкісними винятками), незважаючи на антимонопольне законодавство і конкуренцію?
Виробництво мікросхем - дуже непроста справа, і закритість цього ринку диктується в першу чергу особливостями чільної в наші дні технології фотолітографії. Мікроскопічні електронні схеми проектуються на кремнієву пластину через фотошаблони, вартість кожного з яких може досягати $ 200 000. А тим часом для виготовлення одного чіпа потрібно не менше 50 таких масок. Додайте до цього вартість «проб і помилок» при розробці нових моделей, і ви зрозумієте, що виробляти процесори можуть тільки дуже великі компанії дуже великими тиражами.
А що робити науковим лабораторіям і високотехнологічним стартапам, яким необхідні нестандартні схеми? Як бути військовим, для яких закуповувати процесори у «ймовірного противника» - м'яко кажучи, не комільфо?
Ми побували на російському виробничому ділянці голландської компанії Mapper, завдяки якій виготовлення мікросхем може перестати бути долею небожителів і перетвориться в заняття для простих смертних. Ну або майже простих. Тут, на території Технополісу «Москва» за фінансової підтримки корпорації «Роснано» проводиться ключовий компонент технології Mapper - електронно-оптична система.
Однак перш ніж розбиратися в нюансах безмасочной літографії Mapper, варто згадати основи звичайної фотолітографії.
Принципова схема установки Mapper
неповороткий світло
На сучасному процесорі Intel Core i7 може розташовуватися близько 2 млрд транзисторів (в залежності від моделі), розмір кожного з яких - 14 нм. У гонитві за обчислювальною потужністю виробники щорічно зменшують розміри транзисторів і збільшують їх число. Ймовірним технологічним межею в цій гонці можна вважати 5 нм: на таких відстанях починають проявлятися квантові ефекти, через які електрони в сусідніх осередках можуть вести себе непередбачувано.
Щоб нанести на кремнієву пластину мікроскопічні напівпровідникові структури, використовують процес, схожий на роботу з Фотозбільшувачі. Хіба що мета у нього рівно зворотна - зробити зображення якомога менше. Пластину (або захисну плівку) покривають фоторезистом - полімерним фоточутливим матеріалом, який змінює свої властивості при опроміненні світлом. Необхідний малюнок чіпа експонують на фоторезист через маску і збирає лінзу. Надруковані пластини, як правило, в чотири рази менше, ніж маски.
Транзисторний лікнеп Такі речовини, як кремній або германій, мають по чотири електрона на зовнішньому енергетичному рівні. Вони утворюють красиві кристали, схожі на метал. Але, на відміну від металу, вони не проводять електричний струм: всі їхні електрони задіяні в потужних ковалентних зв'язках і не можуть рухатися. Проте все міняється, якщо додати до них трохи донорної домішки з речовини з п'ятьма електронами на зовнішньому рівні (фосфору або миш'яку). Чотири електрона вступають в зв'язок з кремнієм, а один залишається вільним. Кремній з донорной домішкою (n-типу) - непоганий провідник. Якщо додати до кремнію акцепторну домішка з речовини з трьома електронами на зовнішньому рівні (бор, індій), аналогічним чином утворюються «дірки», віртуальний аналог позитивного заряду. У такому випадку мова йде про полупроводнике p-типу. Поєднавши провідники p- і n-типу, ми отримаємо діод - напівпровідниковий прилад, що пропускає струм тільки в одному напрямку. Комбінація pnp або npn дає нам транзистор - через нього струм протікає тільки в тому випадку, якщо на центральний провідник подається певна напруга.
Свої корективи в цей процес вносить дифракція світла: промінь, проходячи через отвори маски, трохи заломлюється, і замість однієї точки експонується серія концентричних кіл, як від кинутого у вир каменю. На щастя, дифракція знаходиться в зворотній залежності від довжини хвилі, чим і користуються інженери, застосовуючи світло ультрафіолетового діапазону з довжиною хвилі 195 нм. Чому не ще менше? Просто коротша хвилі не буде переломлюватися збирає лінзою, промені будуть проходити наскрізь, чи не фокусуючись. Збільшити збирає здатність лінзи теж не можна - не дозволить сферична аберація: кожен промінь буде проходити оптичну вісь у своїй точці, порушуючи фокусування.
Максимальна ширина контуру, яку можна відобразити за допомогою фотолітографії, - 70 нм. Чіпи з більш високою роздільною здатністю друкують в кілька прийомів: наносять 70-нанометрові контури, протруюють схему, а потім експонують наступну частину через нову маску.
Зараз в розробці знаходиться технологія фотолітографії в глибокому ультрафіолеті, із застосуванням світла з екстремальної довжиною хвилі близько 13,5 нм. Технологія передбачає використання вакууму і багатошарових дзеркал з відображенням на основі межслойной інтерференції. Маска теж буде не просвічує, а відображає елементом. Дзеркала позбавлені явища заломлення, тому можуть працювати зі світлом будь-якої довжини хвилі. Але поки це лише концепція, яку, можливо, стануть застосовувати в майбутньому.
Як сьогодні роблять процесори
13 000 телевізорів
Альтернативою фотолитографии вважають електролітографію, коли експонують не світить, а електронами, і не фото-, а електрорезіст. Електронний пучок легко фокусується в точку мінімального розміру, аж до 1 нм. Технологія нагадує електронно-променеву трубку телевізора: сфокусований потік електронів відхиляється керуючими котушками, малюючи зображення на кремнієвій пластині.
До останнього часу ця технологія не могла конкурувати з традиційним методом через низьку швидкості. Щоб електрорезіст зреагував на опромінення, він повинен прийняти певну кількість електронів на одиницю площі, тому один промінь може експонувати в кращому випадку 1 см2 / ч. Це прийнятно для одиничних замовлень від лабораторій, проте не застосовується в промисловості.
На жаль, вирішити проблему, збільшивши енергію променя, неможливо: однойменні заряди відштовхуються, тому при збільшенні струму пучок електронів стає ширше. Зате можна збільшити кількість променів, виставляючи кілька зон одночасно. І якщо кілька - це 13 000, як в технології Mapper, то, згідно з розрахунками, можна друкувати вже десять повноцінних чіпів на годину.
Звичайно, об'єднати в одному пристрої 13 000 електронно-променевих трубок було б неможливо. У разі Mapper випромінювання з джерела спрямовується на Коліматорні лінзу, яка формує широкий паралельний пучок електронів. На його шляху встає апертурная матриця, яка перетворює його в 13 000 окремих променів. Промені проходять через матрицю бланкеров - кремнієву пластину з 13 000 отворів. Біля кожного з них розташовується відхиляє електрод. Якщо на нього подається струм, електрони «промахуються» повз свого отвори, і один з 13 000 променів вимикається.
Пройшовши бланкери, промені направляються до матриці дефлекторів, кожен з яких може відхиляти свій промінь на пару мікронів вправо або вліво щодо руху пластини (так що Mapper все ж нагадує 13 000 кінескопів). Нарешті, кожен промінь додатково фокусується власної мікролінз, після чого направляється до електрорезісту. На сьогоднішній день технологія Mapper пройшла тестування у французькому науково-дослідному інституті мікроелектроніки CEA-Leti і в компанії TSMC, яка виробляє мікропроцесори для провідних гравців ринку (в тому числі і для Apple iPhone 6S). Ключові компоненти системи, включаючи кремнієві електронні лінзи, виробляються на московському заводі.
Технологія Mapper обіцяє нові перспективи не тільки дослідним лабораторіям і дрібносерійним (в тому числі військовим) виробництвам, а й великим гравцям. В даний час для тестування прототипів нових процесорів доводиться виготовляти точно такі ж фотошаблони, як для масового виробництва. Можливість щодо швидкого прототипування схем обіцяє не тільки знизити вартість розробки, але і прискорити прогрес в цій області. Що в кінцевому рахунку на руку масовому споживачеві електроніки, тобто всім нам.
Стаття «крафтового процесор» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2016 ).
А що робити науковим лабораторіям і високотехнологічним стартапам, яким необхідні нестандартні схеми?Як бути військовим, для яких закуповувати процесори у «ймовірного противника» - м'яко кажучи, не комільфо?
Чому не ще менше?
