КЪДЕ се произвеждат процесорите Intel?

Както писах в предишна публикация, в момента Intel има 4 фабрики, способни да произвеждат масово процесори, използващи 32nm технология: D1D и D1C в Орегон, Fab 32 в Аризона и Fab 11X в Ню Мексико.
Да видим как работят

Височината на всеки завод за производство на процеси на Intel е sor на 300 mm силициеви пластини е 21 метър, а площта достига 100 хиляди квадратни метра ров В сградата на завода има 4 основни нива вня: Ниво на вентилационна система Микропроцесорът се състои от милиони транзистори - най-малката прашинка, която попада върху силиция - вафла, е в състояние да унищожи хиляди транзистори ров Следователно най-важното условие за производството на микро- roprocessors е стерилната чистота на помещението ню. Нивото на вентилационната система е разположено отгоре на пода - тук има специални системи, които извършват 100% пречистване на въздуха, контрол регулиране на температурата и влажността в производствените помещения помещения. Така наречените „чисти стаи“ се разделят на класове (в зависимост от броя на праховите частици за единица обем) и най-доброто (клас 1) приблизително 1000 пъти по-чист от хирургична операционна зала. За за премахване на вибрациите са разположени чисти стаи на собствена устойчива на вибрации основа. Ниво на чиста стая Подът покрива площта на няколко футболни игрища - Тук се правят микропроцесорите. спе- циал автоматизирана системаизвършва движение на плочи от едно производство станция към друга. През него се подава пречистен въздух вентилационна система, разположена на тавана, и се излива през специални отвори, разположени в пода. В допълнение към повишените изисквания за стерилност на помещенията, Разбира се, човекът, който работи там, също трябва да бъде "чист" sonal - само на това ниво работят специалисти в стерилни костюми, които предпазват (благодарение на вградена система за филтриране, захранвана от батерии контейнери) силициеви пластини от текстилни микрочастици прах, частици коса и кожа. По-ниско ниво Проектиран за системи, поддържащи работата на фа- тухли (помпи, трансформатори, силови шкафове и др.) Големите тръби (канали) предават различни технологии химически газове, течности и отработен въздух. Специалист- облекло на служителите това нивовключва каска, предпазни очила, ръкавици и специални обувки. Инженерно ниво

За изграждането на фабрика от такова ниво са необходими около 3 години и около 5 милиарда - това е сумата, която заводът ще трябва да „възвърне“ през следващите 4 години (докато се появи нов технологичен процес и архитектура, необходимата производителност за това са около 100 работни силиконови пластини на час). За изграждането на завод ще ви трябва:
— повече от 19 000 тона стомана
— повече от 112 000 кубически метра бетон
— повече от 900 километра кабел

КАК се правят микропроцесорите

Технически, съвременният микропроцесор е направен под формата на една ултра-голяма интегрална схема, състояща се от няколко милиарда елемента - това е една от най-сложните структури, създадени от човека. Ключовите елементи на всеки микропроцесор са дискретни ключове - транзистори. Блокиране и пропускане електричество(включено-изключено), те позволяват на компютърните логически схеми да работят в две състояния, тоест в двоична система. Размерите на транзисторите се измерват в нанометри. Един нанометър (nm) е една милиардна от метъра.

Накратко, процесът на производство на процесор изглежда така: цилиндричен монокристал се отглежда от разтопен силиций с помощта на специално оборудване. Полученият слитък се охлажда и се нарязва на „палачинки“, чиято повърхност е внимателно изравнена и полирана до огледален блясък. След това в „чистите стаи“ на заводите за полупроводници се създават интегрални схеми върху силициеви пластини с помощта на фотолитография и ецване. След повторно почистване на вафлите, лабораторните специалисти извършват селективно тестване на процесорите под микроскоп - ако всичко е наред, тогава готовите вафли се нарязват на отделни процесори, които по-късно се затварят в корпуси.

Нека разгледаме целия процес по-подробно.

Първоначално SiO2 се приема под формата на пясък, който се редуцира с кокс в дъгови пещи (при температура около 1800°C):
SiO2 + 2C = Si + 2CO

Такъв силиций се нарича "технически" и има чистота 98-99,9%. Производствените процесори изискват много по-чиста суровина, наречена „електронен силиций“, която не трябва да съдържа повече от един чужд атом на милиард силициеви атома. За да се пречисти до това ниво, силицият буквално се „ражда отново“. Чрез хлориране на технически силиций се получава силициев тетрахлорид (SiCl4), който впоследствие се превръща в трихлорсилан (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3

Тези реакции, използвайки рециклирането на получените странични продукти, съдържащи силиций, намаляват разходите и премахват екологичните проблеми:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2

Полученият водород може да се използва на много места, но най-важното е, че се получи "електронен" силиций, чист, много чист (99,9999999%). Малко по-късно семето („точка на растеж“) се спуска в стопилката на такъв силиций, който постепенно се изтегля от тигела. В резултат на това се образува така наречената "була" - единичен кристал с височина колкото възрастен. Теглото е подходящо - при производство такъв буле тежи около 100 кг.

Слитъкът се шлайфа с "нула" :) и се реже с диамантен трион. Резултатът е вафли (с кодово наименование „вафла“) с дебелина около 1 mm и 300 mm в диаметър (~12 инча; това са тези, използвани за 32nm процес с HKMG, High-K/Metal Gate технология).

Сега най-интересното е, че е необходимо да се прехвърли структурата на бъдещия процесор в полирани силиконови пластини, тоест да се въведат примеси в определени области на силиконовата пластина, които в крайна сметка образуват транзистори. Как да го направим?

Проблемът се решава с фотолитографска технология - процес на селективно ецване на повърхностния слой с помощта на защитна фотомаска. Технологията е изградена на принципа „светлина-шаблон-фоторезист” и протича по следния начин:
— Върху силиконовия субстрат се нанася слой от материал, от който трябва да се формира модел. Върху него е нанесен фоторезист - слой от полимерен светлочувствителен материал, който променя своите физични и химични свойства при облъчване със светлина.
— Извършва се експониране (осветяване на фотослоя за точно зададен период от време) през фотомаска
— Отстраняване на отработен фоторезист.
Желаната структура се изчертава върху фотомаска - като правило това е плоча от оптично стъкло, върху която фотографски се нанасят непрозрачни зони. Всеки такъв шаблон съдържа един от слоевете на бъдещия процесор, така че трябва да бъде много точен и практичен.

Пластината се облъчва от поток от йони (положително или отрицателно заредени атоми), които на определени места проникват под повърхността на пластината и променят проводимите свойства на силиция (зелените зони са вградени чужди атоми).

Във фотографията светлината преминава през негативен филм, удря повърхността на фотографската хартия и променя нейните химични свойства. Във фотолитографията принципът е подобен: светлината преминава през фотомаска върху фоторезист и в местата, където преминава през маската, отделните участъци от фоторезиста променят свойствата си. През маските се предава светлинно лъчение, което се фокусира върху подложката. За прецизно фокусиране е необходима специална система от лещи или огледала, която може не само да намали изображението, изрязано върху маската, до размера на чипа, но и да го проектира точно върху детайла. Отпечатаните вафли обикновено са четири пъти по-малки от самите маски.

Целият отработен фоторезист (променил разтворимостта си под въздействието на облъчване) се отстранява със специален химичен разтвор - заедно с него се разтваря и част от субстрата под осветения фоторезист. Частта от субстрата, която е била защитена от светлина от маската, няма да се разтвори. Той образува проводник или бъдещ активен елемент - резултатът от този подход са различни схеми на веригата на всеки слой на микропроцесора.

В интерес на истината, всички предишни стъпки бяха необходими, за да се създадат полупроводникови структури на необходимите места чрез въвеждане на донорно (n-тип) или акцепторно (p-тип) примес. Да кажем, че трябва да създадем област на концентрация на носители от p-тип в силиций, тоест зона на проводимост на дупки. За да направите това, пластината се обработва с устройство, наречено имплантатор - борни йони с огромна енергия се изстрелват от ускорител с високо напрежение и се разпределят равномерно в незащитени зони, образувани по време на фотолитографията.

Там, където диелектрикът е отстранен, йоните проникват в слоя незащитен силиций - в противен случай те се „забиват“ в диелектрика. След следващия процес на ецване, останалият диелектрик се отстранява и върху плочата остават зони, в които има локален бор. Ясно е, че съвременните процесори могат да имат няколко такива слоя - в този случай върху получената снимка отново се отглежда диелектричен слой и след това всичко следва утъпканата пътека - нов слой фоторезист, процесът на фотолитография (с нова маска) , ецване, имплантиране...

Логическите елементи, които се образуват по време на процеса на фотолитография, трябва да бъдат свързани помежду си. За да направите това, плочите се поставят в разтвор на меден сулфат, в който под въздействието на електрически ток металните атоми се „утаяват“ в останалите „проходи“ - в резултат на този галваничен процес се образуват проводими зони , създавайки връзки между отделните части на „логиката“ на процесора. Излишното проводящо покритие се отстранява чрез полиране.

Ура - най-трудното свърши. Остава само хитър начин за свързване на „останките“ от транзистори - принципът и последователността на всички тези връзки (шини) се нарича архитектура на процесора. Тези връзки са различни за всеки процесор - въпреки че веригите изглеждат напълно плоски, в някои случаи могат да се използват до 30 нива на такива „проводници“.

Когато обработката на вафлите приключи, вафлите се прехвърлят от производството в цеха за монтаж и тестване. Там кристалите се подлагат на първите тестове, а тези, които преминат теста (а това е по-голямата част), се изрязват от субстрата със специално устройство.

На следващия етап процесорът се опакова в субстрат (на фигурата - процесорът Intel Core i5, състоящ се от процесор и HD графичен чип).

Субстратът, кристалът и капакът за разпределение на топлината са свързани заедно - това е продуктът, който ще имаме предвид, когато кажем думата „процесор“. Зеленият субстрат създава електрически и механичен интерфейс (златото се използва за електрическо свързване на силициевия чип към корпуса), което прави възможно инсталирането на процесора в гнездото дънна платка- всъщност това е просто платформа, на която се маршрутизират контакти от малък чип. Капакът за разпределение на топлината е термичен интерфейс, който охлажда процесора по време на работа - именно към този капак ще бъде прикрепена охладителната система, било то по-хладен радиатор или здрав воден блок.

Сега си представете, че една компания обяви, например, 20 нови процесора. Всички те са различни - броят на ядрата, размерите на кеша, поддържаните технологии... Всеки модел процесор използва определен брой транзистори (броят се в милиони и дори милиарди), собствен принцип на свързване на елементите... И всичко това трябва да бъде проектирано и създадено/автоматизирано - шаблони, лещи, литография, стотици параметри за всеки процес, тестване... И всичко това трябва да работи денонощно, в няколко фабрики едновременно... В резултат на това трябва да се появят устройства, които нямат място за грешки в работата... И цената на тези технологични шедьоври трябва да е в границите на приличието...

Почти всеки знае, че в компютъра основният елемент сред всички „хардуерни“ компоненти е централният процесор. Но кръгът от хора, които разбират как работи един процесор, е много ограничен. Повечето потребители нямат представа за това. И дори когато системата изведнъж започне да се забавя, мнозина смятат, че процесорът не работи добре и не придават значение на други фактори. За да разберем напълно ситуацията, нека разгледаме някои аспекти на работата на процесора.

Какво е централен процесор?

От какво се състои процесорът?

Ако говорим за това как работи процесор на Intel или неговия конкурент AMD, трябва да погледнете как са проектирани тези чипове. Първият микропроцесор (между другото, той беше от Intel, модел 4040) се появи през 1971 г. Можеше да извършва само най-простите операции за събиране и изваждане с обработка само на 4 бита информация, т.е. имаше 4-битова архитектура.

Съвременните процесори, подобно на първородния, са базирани на транзистори и са много по-бързи. Те са направени чрез фотолитография от определен брой отделни силициеви пластини, които образуват единичен кристал, в който са отпечатани транзистори. Веригата е създадена на специален ускорител с помощта на ускорени борни йони. Във вътрешната структура на процесорите основните компоненти са ядра, шини и функционални частици, наречени ревизии.

Основни характеристики

Както всяко друго устройство, процесорът се характеризира с определени параметри, които не могат да бъдат пренебрегнати при отговора на въпроса как работи процесорът. На първо място това:

• Брой ядра;
• брой нишки;
• размер на кеша (вътрешна памет);
• тактова честота;
• скорост на гумата.

Засега нека се съсредоточим върху тактовата честота. Не напразно процесорът се нарича сърцето на компютъра. Подобно на сърцето, той работи в пулсационен режим с определен брой удари в секунда. Тактовата честота се измерва в MHz или GHz. Колкото по-високо е, толкова повече операции може да извърши устройството.

На каква честота работи процесорът, можете да разберете от декларираните му характеристики или да погледнете информацията в Но по време на обработка на команди честотата може да се промени, а по време на овърклок (overlock) може да се увеличи до крайни граници. По този начин декларираната стойност е само среден показател.

Броят на ядрата е показател, който определя броя на центровете за обработка на процесора (да не се бърка с нишките - броят на ядрата и нишките може да не е еднакъв). Благодарение на това разпределение е възможно да се пренасочат операциите към други ядра, като по този начин се увеличи общата производителност.

Как работи процесорът: обработка на команди

Сега малко за структурата на изпълнимите команди. Ако погледнете как работи процесорът, трябва ясно да разберете, че всяка команда има два компонента - оперативен и операнд.

Оперативната част определя какво трябва да прави компютърната система в момента; операндът определя върху какво трябва да работи процесорът. Освен това ядрото на процесора може да съдържа два изчислителни центъра (контейнери, нишки), които разделят изпълнението на команда на няколко етапа:

• производство;
• декриптиране;
• изпълнение на команди;
• достъп до паметта на самия процесор
• запазване на резултата.

Днес се използва отделно кеширане под формата на използване на две нива на кеш паметта, което избягва прихващането от две или повече команди за достъп до един от блоковете памет.

Въз основа на вида на обработка на командите процесорите се разделят на линейни (изпълнение на команди в реда, в който са написани), циклични и разклонени (изпълнение на инструкции след обработка на условията на разклоняване).

Извършени операции

Сред основните функции, възложени на процесора, по отношение на изпълняваните команди или инструкции, се разграничават три основни задачи:

• математически операции на базата на аритметично-логическо устройство;
• преместване на данни (информация) от един тип памет в друг;
• вземане на решение за изпълнение на дадена команда и въз основа на това избор за преминаване към изпълнение на други набори от команди.

Взаимодействие с памет (ROM и RAM)

В този процес компонентите, които трябва да се отбележат, са шината и каналът за четене и запис, които са свързани към устройствата за съхранение. ROM съдържа постоянен набор от байтове. Първо, адресната шина изисква определен байт от ROM, след това го прехвърля към шината за данни, след което каналът за четене променя състоянието си и ROM предоставя искания байт.

Но процесорите могат не само да четат данни от оперативна памет, но и да ги запишете. В този случай се използва каналът за запис. Но ако го погледнете, като цяло модерните компютри, чисто теоретично, биха могли да се справят изобщо без RAM, тъй като съвременните микроконтролери са в състояние да поставят необходимите байтове данни директно в паметта на самия процесорен чип. Но без ROM няма как.

Освен всичко друго, системата започва от режима за тестване на хардуера (команди на BIOS) и едва след това контролът се прехвърля към зареждащата се операционна система.

Как да проверите дали процесорът работи?

Сега нека да разгледаме някои аспекти на проверката на производителността на процесора. Трябва ясно да се разбере, че ако процесорът не работи, компютърът изобщо няма да може да започне да зарежда.

Друг е въпросът, когато трябва да погледнете индикатора за използване на процесорните възможности в определен момент. Това може да стане от стандартния „Диспечер на задачите“ (срещу всеки процес е посочено колко процента от натоварването на процесора осигурява). За да определите визуално този параметър, можете да използвате раздела за ефективност, където промените се проследяват в реално време. Разширените опции могат да се видят с помощта на специални програминапример CPU-Z.

Освен това можете да използвате няколко процесорни ядра, като използвате (msconfig) и допълнителни параметри за зареждане.

Възможни проблеми

И накрая, няколко думи за проблемите. Много потребители често питат защо процесорът работи, но мониторът не се включва? ДА СЕ централен процесортази ситуация няма нищо общо с това. Факт е, че когато включите всеки компютър, първо се тества графичният адаптер и едва след това всичко останало. Може би проблемът се крие точно в процесора на графичния чип (всички съвременни видеоускорители имат свои собствени графични процесори).

Но като използвате примера за функционирането на човешкото тяло, трябва да разберете, че в случай на сърдечен арест, цялото тяло умира. Същото с компютрите. Процесорът не работи - цялата компютърна система „умира“.

Съвременните микропроцесори са сред най-сложните устройства, произведени от човека. Производството на полупроводников кристал е много по-ресурсоемко, отколкото, да речем, изграждането на многоетажна сграда или организирането на голямо изложбено събитие. Въпреки това, благодарение на масовото производство на процесори в парично изражение, ние не забелязваме това и рядко някой се замисля за огромността на елементите, които заемат такова видно място в системния блок. Решихме да проучим подробностите за производството на процесори и да говорим за тях в този материал. За щастие днес има достатъчно информация по тази тема в Интернет, а специализирана селекция от презентации и слайдове от Intel Corporation ви позволява да изпълните задачата възможно най-ясно. Предприятията на други гиганти на полупроводниковата индустрия работят на същия принцип, така че можем уверено да кажем, че всички съвременни микросхеми преминават през идентичен път на създаване.

Първото нещо, което си струва да се спомене, е строителният материал за процесорите. Силицият е вторият най-често срещан елемент на планетата след кислорода. Той е естествен полупроводник и се използва като основен материал за производството на чипове на различни микросхеми. Повечето силиций се намират в обикновен пясък (особено кварц) под формата на силициев диоксид (SiO2).

Силицият обаче не е единственият материал. Неговият най-близък роднина и заместител е германият, но в процеса на подобряване на производството учените идентифицират добри полупроводникови свойства в съединения на други елементи и се готвят да ги тестват на практика или вече го правят.

1 Силицият преминава през многоетапен процес на пречистване: суровините за микросхеми не могат да съдържат повече примеси от един чужд атом на милиард.

2 Силиконът се разтопява в специален контейнер и след спускане на постоянно охлаждан въртящ се прът вътре, веществото се „навива“ около него благодарение на силите на повърхностното напрежение.

3 Резултатът е надлъжни заготовки (монокристали) с кръгло напречно сечение, всяка с тегло около 100 kg.

4 Заготовката се нарязва на отделни силиконови дискове - вафли, върху които ще бъдат разположени стотици микропроцесори. За тези цели се използват машини с диамантени режещи дискове или телено-абразивни инсталации.

5 Субстратите са полирани до огледално покритие, за да се премахнат всички повърхностни дефекти. Следващата стъпка е нанасянето на най-тънкия фотополимерен слой.

6 Обработеният субстрат е изложен на силно ултравиолетово лъчение. Във фотополимерния слой протича химическа реакция: светлината, преминаваща през множество шаблони, повтаря моделите на слоевете на процесора.

7 Реален размерПриложеното изображение е няколко пъти по-малко от самия шаблон.

8 Участъците, „издълбани“ от радиация, се отмиват. Върху силиконовата подложка се получава модел, който след това се залепва.

9 Следващият етап в производството на един слой е йонизацията, по време на която свободните от полимер зони от силиций се бомбардират с йони.

10 На местата, където се ударят, свойствата на електрическата проводимост се променят.

11 Останалият полимер се отстранява и транзисторът е почти готов. В изолационните слоеве се правят отвори, които благодарение на химическа реакцияпълни с медни атоми, използвани като контакти.

12 Свързването на транзисторите е многостепенно окабеляване. Ако погледнете през микроскоп, върху кристала ще забележите много метални проводници и разположени между тях атоми силиций или съвременните му заместители.

13 Част от готовия субстрат се подлага на първия тест за функционалност. На този етап към всеки от избраните транзистори се подава ток, а автоматизираната система проверява работните параметри на полупроводника.

14 Субстратът се нарязва на отделни части с помощта на най-тънките режещи колела.

15 Използваемите кристали, получени в резултат на тази операция, се използват в производството на процесори, а дефектните се изпращат на отпадъци.

16 Между основата (субстрата) на процесора и топлоразпределителния капак се поставя отделен чип, от който ще бъде направен процесора и се “опакова”.

17 По време на окончателното тестване готовите процесори се проверяват за съответствие с необходимите параметри и едва след това се сортират. Въз основа на получените данни в тях се въвежда микрокод, който позволява на системата правилно да идентифицира процесора.

18 Готови устройствасе пакетират и изпращат на пазара.

"Силиконовата долина" (Силиконовата долина, САЩ, Калифорния)

Името си получи от основния градивен елемент, използван при производството на микрочипове.

„Защо пластините на процесора са кръгли?“- сигурно ще попитате.

За производството на силициеви кристали се използва технология, която позволява получаването само на цилиндрични заготовки, които след това се нарязват на парчета. Досега никой не е успял да произведе квадратна плоча без дефекти.

Защо микрочиповете са квадратни?

Именно този вид литография позволява максимално ефективно използване на площта на вафлата.

Защо процесорите се нуждаят от толкова много пинове/щифтове?

В допълнение към сигналните линии, всеки процесор изисква стабилно захранване, за да работи. При консумация на енергия около 100-120 W и ниско напрежение през контактите може да протича ток до 100 A. Значителна част от контактите на процесора са предназначени специално за захранващата система и се дублират.

Обезвреждане на производствени отпадъци

Преди това дефектните пластини, техните останки и дефектните микрочипове отиваха на боклука. Днес текат разработки за използването им като основа за производството на слънчеви клетки.

"Костюм на зайче"

Така се наричат ​​белите гащеризони, които са длъжни да носят всички работници в производствените помещения. Това се прави с цел поддържане на максимална чистота и защита срещу случайно навлизане на прахови частици в производствените съоръжения. „Костюмът на зайче“ е използван за първи път във фабриките за процесори през 1973 г. и оттогава се е превърнал в приет стандарт.

99,9999%

Само силиций с най-висока чистота е подходящ за производство на процесори. Заготовките се почистват със специални химикали.

300 мм

Това е диаметърът на съвременните силициеви пластини за производство на процесори.

1000 пъти

Ето колко по-чист е въздухът в помещенията на фабриките за чипове, отколкото в операционната.

20 слоя

Процесорният чип е много тънък (по-малко от милиметър), но съдържа повече от 20 слоя от сложни структурни комбинации от транзистори, които приличат на многостепенни магистрали.

2500

Точно толкова чипове на процесора Intel Atom (те имат най-малката площ сред съвременните процесори) са поставени на една 300-милиметрова пластина.

10 000 000 000 000 000 000

Сто квинтилиона транзистора, градивните елементи на микрочиповете, се доставят от заводите всяка година. Това е приблизително 100 пъти повече от изчисления брой мравки на планетата.

А

Цената за производството на един транзистор в процесор днес е равна на цената за отпечатване на една буква във вестник.

В процеса на подготовка на тази статия са използвани материали от официалния сайт на Intel Corporation, www.intel.ua

Как се правят микросхемите?

За да разберем каква е основната разлика между тези две технологии, е необходимо да направим кратка екскурзия в самата технология на производство на съвременни процесори или интегрални схеми.

Както знаете от училищен курс по физика, в съвременната електроника основните компоненти на интегралните схеми са p-тип и n-тип полупроводници (в зависимост от вида на проводимостта). Полупроводникът е вещество, чиято проводимост е по-добра от диелектриците, но по-ниска от металите. Основата на двата типа полупроводници може да бъде силиций (Si), който в чистата си форма (т.нар. вътрешен полупроводник) слабо провежда електрически ток, но добавянето (въвеждането) на определен примес в силиций може радикално да промени неговите проводими свойства . Има два вида примеси: донорни и акцепторни. Донорният примес води до образуването на полупроводници от n-тип c електронен типпроводимост, а акцепторната води до образуването на p-тип полупроводници с проводимост от дупчен тип. Контактите на p- и n-полупроводници позволяват да се образуват транзистори - основните структурни елементи на съвременните микросхеми. Тези транзистори, наречени CMOS транзистори, могат да съществуват в две основни състояния: отворени, когато провеждат електричество, и изключени, когато не провеждат електричество. Тъй като CMOS транзисторите са основните елементи на съвременните микросхеми, нека поговорим за тях по-подробно.

Как работи CMOS транзисторът?

Най-простият CMOS транзистор от n-тип има три електрода: източник, порта и изтичане. Самият транзистор е направен от p-тип полупроводник с дупкова проводимост, а n-тип полупроводници с електронна проводимост се формират в областите на източване и източник. Естествено, поради дифузията на дупки от p-областта към n-областта и обратната дифузия на електрони от n-областта към p-областта, се образуват изчерпани слоеве (слоеве, в които няма основни носители на заряд). в границите на преходите на p- и n-области. IN нормално състояние, тоест, когато към гейта не се прилага напрежение, транзисторът е в „заключено“ състояние, тоест не е в състояние да провежда ток от източника към източването. Ситуацията не се променя, дори ако се приложи напрежение между изтичането и източника (не вземаме предвид токовете на утечка, причинени от движението под въздействието на генерираните електрически полета на малцинствени носители на заряд, т.е. дупки за n-област и електрони за p-област).

Ако обаче към портата се приложи положителен потенциал (фиг. 1), ситуацията ще се промени коренно. Под въздействието на електрическото поле на портата, дупките се изтласкват дълбоко в p-полупроводника, а електроните, напротив, се изтеглят в областта под портата, образувайки богат на електрони канал между източника и изтичането. Ако се приложи положително напрежение към портата, тези електрони започват да се движат от източника към източването. В този случай транзисторът провежда ток; казва се, че транзисторът „се отваря“. Ако напрежението на затвора бъде премахнато, електроните спират да се изтеглят в зоната между източника и изтичането, проводящият канал се разрушава и транзисторът спира да пропуска ток, тоест той се „изключва“. По този начин, чрез промяна на напрежението на портата, можете да отворите или затворите транзистора, подобно на това как можете да включите или изключите обикновен превключвател, контролирайки потока на ток през веригата. Ето защо транзисторите понякога се наричат ​​електронни ключове. Въпреки това, за разлика от конвенционалните механични превключватели, CMOS транзисторите са практически без инерция и са способни да превключват от включено към изключено трилиони пъти в секунда! Именно тази характеристика, тоест способността за мигновено превключване, в крайна сметка определя производителността на процесора, който се състои от десетки милиони такива прости транзистори.

И така, една съвременна интегрална схема се състои от десетки милиони прости CMOS транзистори. Нека се спрем по-подробно на процеса на производство на микросхеми, чийто първи етап е производството на силициеви субстрати.

Стъпка 1. Отглеждане на заготовки

Създаването на такива субстрати започва с отглеждане на цилиндричен силициев монокристал. Впоследствие тези монокристални заготовки (заготовки) се нарязват на кръгли вафли (вафли), чиято дебелина е приблизително 1/40 инча и диаметърът е 200 mm (8 инча) или 300 mm (12 инча). Това са силициевите субстрати, използвани за производството на микросхеми.

При формирането на пластини от силициеви монокристали се взема предвид фактът, че за идеалните кристални структури физичните свойства до голяма степен зависят от избраната посока (свойство на анизотропия). Например съпротивлението на силициевия субстрат ще бъде различно в надлъжна и напречна посока. По същия начин, в зависимост от ориентацията на кристалната решетка, силициевият кристал ще реагира по различен начин на всякакви външни влияния, свързани с по-нататъшната му обработка (например ецване, разпръскване и т.н.). Следователно плочата трябва да бъде изрязана от единичен кристал по такъв начин, че ориентацията на кристалната решетка спрямо повърхността да се поддържа стриктно в определена посока.

Както вече беше отбелязано, диаметърът на силициевия монокристален детайл е 200 или 300 mm. Освен това диаметърът от 300 мм е сравнително нова технология, която ще разгледаме по-долу. Ясно е, че плоча с такъв диаметър може да побере повече от една микросхема, дори ако говорим за Процесор Intel Pentium 4. Наистина няколко десетки микросхеми (процесори) се формират върху една такава субстратна плоча, но за простота ще разгледаме само процесите, протичащи в малка област на един бъдещ микропроцесор.

Стъпка 2. Нанасяне на защитен филм от диелектрик (SiO2)

След образуването на силициевия субстрат започва етапът на създаване на сложна полупроводникова структура.

За да направите това, е необходимо да въведете така наречените донорни и акцепторни примеси в силиций. Възниква обаче въпросът как да се внасят примеси по точно определен образец? За да стане това възможно, зоните, където не е необходимо да се въвеждат примеси, са защитени със специален филм от силициев диоксид, оставяйки открити само тези зони, които подлежат на допълнителна обработка (фиг. 2). Процесът на формиране на такъв защитен филм с желания модел се състои от няколко етапа.

На първия етап цялата силиконова пластина е изцяло покрита с тънък филм от силициев диоксид (SiO2), който е много добър изолатор и действа като защитен филм по време на по-нататъшната обработка на силициевия кристал. Плочите се поставят в камера, където висока температура(от 900 до 1100 °C) и налягане се получава дифузия на кислород в повърхностните слоеве на пластината, което води до окисление на силиций и образуване на повърхностен филм от силициев диоксид. За да може филмът от силициев диоксид да има точно определена дебелина и да няма дефекти, е необходимо стриктно да се поддържа постоянна температура във всички точки на пластината по време на процеса на окисление. Ако не цялата пластина трябва да бъде покрита с филм от силициев диоксид, тогава върху силициевия субстрат първо се нанася Si3N4 маска, за да се предотврати нежелано окисление.

Стъпка 3. Нанасяне на фоторезист

След като силициевият субстрат е покрит защитно фолиосилициев диоксид, е необходимо да се отстрани този филм от онези места, които ще бъдат подложени на допълнителна обработка. Филмът се отстранява чрез ецване, а за защита на останалите участъци от ецване върху повърхността на пластината се нанася слой от т. нар. фоторезист. Терминът "фоторезисти" се отнася до съединения, които са светлочувствителни и устойчиви на агресивни фактори. Използваните състави трябва да имат, от една страна, определени фотографски свойства (под въздействието на ултравиолетова светлина те стават разтворими и се измиват по време на процеса на ецване), а от друга, резистивни, позволяващи им да издържат на ецване в киселини и основи , отопление и др. Основната цел на фоторезистите е да създадат защитен релеф с желаната конфигурация.

Процесът на нанасяне на фоторезист и по-нататъшното му облъчване с ултравиолетова светлина по даден образец се нарича фотолитография и включва следните основни операции: образуване на слой фоторезист (обработка на основата, нанасяне, сушене), формиране на защитен релеф (експониране, проявяване). , сушене) и прехвърляне на изображението върху субстрата (ецване, разпръскване и др.).

Преди нанасяне на слой фоторезист (фиг. 3) върху основата, последната се подлага на предварителна обработка, в резултат на което се подобрява нейната адхезия към слоя фоторезист. За нанасяне на равномерен слой фоторезист се използва методът на центрофугиране. Субстратът се поставя върху въртящ се диск (центрофуга) и под въздействието на центробежни сили фоторезистът се разпределя по повърхността на субстрата в почти равномерен слой. (Когато говорим за почти равномерен слой, ние вземаме предвид факта, че под въздействието на центробежни сили дебелината на получения филм се увеличава от центъра към краищата, но този метод на нанасяне на фоторезист може да издържи на колебания в слоя дебелина в рамките на ±10%.)

Стъпка 4. Литография

След нанасяне и изсъхване на слоя фоторезист започва етапът на формиране на необходимия защитен релеф. Релефът се формира в резултат на факта, че под въздействието на ултравиолетовото лъчение, попадащо върху определени области на фоторезистния слой, последният променя свойствата на разтворимост, например осветените зони престават да се разтварят в разтворителя, което премахва областите на слоят, които не са били изложени на осветяване, или обратното - осветените участъци се разтварят. Въз основа на метода на формиране на релефа фоторезистите се делят на негативни и позитивни. Отрицателните фоторезисти, когато са изложени на ултравиолетово лъчение, образуват защитни релефни зони. Положителните фоторезисти, напротив, под въздействието на ултравиолетовото лъчение придобиват свойства на течливост и се измиват от разтворителя. Съответно се образува защитен слой в тези области, които не са изложени на ултравиолетово облъчване.

За осветяване на желаните зони от слоя фоторезист се използва специален шаблон за маска. Най-често за тази цел се използват оптични стъклени плаки с непрозрачни елементи, получени фотографски или по друг начин. Всъщност такъв шаблон съдържа чертеж на един от слоевете на бъдещата микросхема (общо може да има няколкостотин такива слоя). Тъй като този шаблон е референтен, той трябва да бъде направен с голяма прецизност. Освен това, като се има предвид фактът, че много фотоплочи ще бъдат направени от една фотомаска, тя трябва да бъде издръжлива и устойчива на повреди. От това става ясно, че фотомаската е много скъпо нещо: в зависимост от сложността на микросхемата, тя може да струва десетки хиляди долари.

Ултравиолетовото лъчение, преминаващо през такъв шаблон (фиг. 4), осветява само необходимите участъци от повърхността на слоя фоторезист. След облъчване фоторезистът претърпява проява, в резултат на което се отстраняват ненужните участъци от слоя. Това разкрива съответната част от слоя силициев диоксид.

Въпреки очевидната простота на фотолитографския процес, този етап от производството на микросхеми е най-сложен. Факт е, че в съответствие с прогнозата на Мур броят на транзисторите на един чип нараства експоненциално (удвоява се на всеки две години). Такова увеличение на броя на транзисторите е възможно само поради намаляване на техния размер, но именно намаляването „почива“ на процеса на литография. За да се направят транзисторите по-малки, е необходимо да се намалят геометричните размери на линиите, нанесени върху слоя фоторезист. Но има ограничение за всичко; фокусирането на лазерен лъч в точка не е толкова лесно. Факт е, че в съответствие със законите на вълновата оптика минималният размер на петното, в което се фокусира лазерният лъч (всъщност това не е просто петно, а дифракционна картина), се определя, наред с други фактори, от дължината на вълната на светлината. Развитието на литографската технология от нейното изобретяване в началото на 70-те години е в посока намаляване на дължината на вълната на светлината. Това направи възможно намаляването на размера на елементите на интегралната схема. От средата на 80-те години фотолитографията започва да използва ултравиолетово лъчение, произведено от лазер. Идеята е проста: дължината на вълната на ултравиолетовото лъчение е по-къса от дължината на вълната на видимата светлина, следователно е възможно да се получат по-фини линии на повърхността на фоторезиста. Доскоро литографията използваше дълбоко ултравиолетово лъчение (DUV) с дължина на вълната 248 nm. Въпреки това, когато фотолитографията премина отвъд 200 nm, възникнаха сериозни проблеми, които за първи път поставиха под съмнение продължаващото използване на тази технология. Например, при дължини на вълните под 200 микрона, твърде много светлина се абсорбира от фоточувствителния слой, като по този начин усложнява и забавя процеса на прехвърляне на шаблона на веригата към процесора. Проблеми като тези карат изследователите и производителите да търсят алтернативи на традиционната литографска технология.

Новата литографска технология, наречена EUV литография (Extreme UltraViolet ultra-hard ultraviolet radiation), се основава на използването на ултравиолетово лъчение с дължина на вълната 13 nm.

Преходът от DUV към EUV литография осигурява повече от 10-кратно намаляване на дължината на вълната и преход към диапазон, в който тя е сравнима с размера само на няколко десетки атома.

Текущата литографска технология позволява модел с минимална ширина на проводника от 100 nm, докато EUV литографията прави възможно отпечатването на много по-малки ширини на линията, до 30 nm. Контролът на ултракъсото излъчване не е толкова лесен, колкото изглежда. Тъй като EUV радиацията се абсорбира добре от стъклото, новата технология включва използването на серия от четири специални изпъкнали огледала, които намаляват и фокусират изображението, получено след нанасяне на маската (фиг. 5, ,). Всяко такова огледало съдържа 80 отделни метални слоя с дебелина приблизително 12 атома.

Стъпка 5: Офорт

След излагането на слоя фоторезист, етапът на ецване започва за отстраняване на филма от силициев диоксид (фиг. 8).

Процесът на ецване често се свързва с киселинни бани. Този метод на киселинно ецване е добре познат на радиолюбителите, които сами са направили свои печатни платки. За да направите това, върху покритата с фолио печатна платка с лак се нанася модел на писти за бъдещата платка, който действа като защитен слой, след което плочата се спуска във вана с азотна киселина. Ненужните участъци от фолиото се гравират, излагайки чиста печатна платка. Този метод има редица недостатъци, основният от които е невъзможността да се контролира точно процеса на отстраняване на слоя, тъй като твърде много фактори влияят върху процеса на ецване: концентрация на киселина, температура, конвекция и др. В допълнение, киселината взаимодейства с материала във всички посоки и постепенно прониква под ръба на маската на фоторезиста, т.е. разрушава слоевете, покрити с фоторезиста отстрани. Затова при производството на процесори се използва методът на сухо ецване, наричан още плазма. Този метод позволява прецизен контрол на процеса на ецване, а разрушаването на гравирания слой става строго във вертикална посока.

Сухото ецване използва йонизиран газ (плазма) за отстраняване на силициевия диоксид от повърхността на пластината, който реагира с повърхността на силициевия диоксид, за да произведе летливи странични продукти.

След процедурата на ецване, тоест когато желаните участъци от чист силиций са експонирани, останалата част от фотослоя се отстранява. По този начин модел, направен от силициев диоксид, остава върху силициевия субстрат.

Стъпка 6. Дифузия (йонна имплантация)

Нека си припомним, че предишният процес на формиране на необходимия модел върху силициева подложка беше необходим, за да се създадат полупроводникови структури на правилните места чрез въвеждане на донорни или акцепторни примеси. Процесът на въвеждане на примеси се осъществява чрез дифузия (фиг. 9) равномерно въвеждане на атоми на примеси в силициевата кристална решетка. За получаване на n-тип полупроводник обикновено се използват антимон, арсен или фосфор. За да се получи полупроводник от p-тип, като примеси се използват бор, галий или алуминий.

Йонната имплантация се използва за процеса на дифузия на добавката. Процесът на имплантиране се състои в това, че йони на желания примес се „изстрелват“ от ускорител с високо напрежение и, притежавайки достатъчно енергия, проникват в повърхностните слоеве на силиций.

Така в края на етапа на йонна имплантация е създаден необходимият слой от полупроводниковата структура. В микропроцесорите обаче може да има няколко такива слоя. За да се създаде следващият слой в получения модел на веригата, се отглежда допълнителен тънък слой от силициев диоксид. След това се отлагат слой поликристален силиций и друг слой фоторезист. Ултравиолетовото лъчение преминава през втората маска и подчертава съответния модел върху фотослоя. След това отново следват етапите на разтваряне на фотослоя, ецване и йонна имплантация.

Стъпка 7. Разпрашване и отлагане

Нанасянето на нови слоеве се извършва няколко пъти, като за междуслойни връзки се оставят „прозорци“ в слоевете, които се запълват с метални атоми; В резултат на това върху кристала се създават проводими области от метални ленти. По този начин съвременните процесори установяват връзки между слоевете, които образуват сложна триизмерна верига. Процесът на отглеждане и обработка на всички слоеве продължава няколко седмици, а самият производствен цикъл се състои от повече от 300 етапа. В резултат на това върху силиконова пластина се формират стотици идентични процесори.

За да издържат на ударите, на които са изложени пластините по време на процеса на наслояване, силициевите пластини първоначално се правят доста дебели. Ето защо, преди нарязването на вафлата на отделни процесори, нейната дебелина се намалява с 33% и се отстранява замърсяването от задната страна. След това върху задната страна на субстрата се нанася слой от специален материал, за да се подобри закрепването на кристала към тялото на бъдещия процесор.

Стъпка 8. Краен етап

В края на цикъла на формиране всички процесори се тестват щателно. След това специфични кристали, които вече са преминали теста, се изрязват от субстратната плоча с помощта на специално устройство (фиг. 10).

Всеки микропроцесор е вграден в защитен корпус, който също осигурява електрическа връзка между микропроцесорния чип и външните устройства. Типът на корпуса зависи от типа и предвиденото приложение на микропроцесора.

След запечатване в кутията всеки микропроцесор се тества повторно. Дефектните процесори се отхвърлят, а работещите се подлагат на натоварващи тестове. След това процесорите се сортират въз основа на тяхното поведение при различни тактови честоти и захранващи напрежения.

Обещаващи технологии

Разгледахме технологичния процес на производство на микросхеми (по-специално процесори) по много опростен начин. Но дори такова повърхностно представяне ни позволява да разберем технологичните трудности, срещани при намаляване на размера на транзисторите.

Въпреки това, преди да разгледаме нови обещаващи технологии, ще отговорим на въпроса, поставен в самото начало на статията: какъв е стандартът за проектиране на технологичния процес и как всъщност стандартът за проектиране от 130 nm се различава от стандарта от 180 nm? Типични са 130 nm или 180 nm минимално разстояниемежду два съседни елемента в един слой на микросхемата, тоест вид стъпка на мрежата, към която са свързани елементите на микросхемата. Съвсем очевидно е, че колкото по-малък е този характерен размер, толкова повече транзистори могат да бъдат поставени в една и съща област на микросхемата.

В момента процесорите на Intel използват 0,13-микронна технология. Тази технология се използва за производството на процесор Intel Pentium 4 с ядро ​​Northwood, процесор Intel Pentium III с ядро ​​Tualatin и процесор Intel Celeron. При използване на такъв технологичен процес полезната ширина на канала на транзистора е 60 nm, а дебелината на оксидния слой на затвора не надвишава 1,5 nm. Общо процесорът Intel Pentium 4 съдържа 55 милиона транзистора.

Наред с увеличаването на плътността на транзисторите в процесорния чип, 0,13-микронната технология, която замени 0,18-микронната технология, има и други нововъведения. Първо, той използва медни връзки между отделните транзистори (при 0,18-микронната технология връзките са алуминиеви). Второ, 0,13-микронната технология осигурява по-ниска консумация на енергия. За мобилно оборудване, например, това означава, че консумацията на енергия на микропроцесорите става по-малка, а времето за работа от батерияПовече ▼.

Е, последното нововъведение, което беше внедрено по време на прехода към 0,13-микронен технологичен процес, е използването на силициеви пластини (вафла) с диаметър 300 mm. Нека си припомним, че преди това повечето процесори и микросхеми бяха произведени на базата на 200 мм пластини.

Увеличаването на диаметъра на пластината позволява да се намали цената на всеки процесор и да се увеличи добивът на продукти с подходящо качество. Наистина, площта на пластина с диаметър 300 mm е 2,25 пъти по-голяма от площта на пластина с диаметър 200 mm и съответно броят на процесорите, получени от една пластина с диаметър 300 mm е повече от два пъти по-голям.

През 2003 г. се очаква да бъде въведен нов технологичен процес с още по-малък стандарт на проектиране, а именно 90-нанометров. Новият процес, чрез който Intel ще произвежда повечето от своите продукти, включително процесори, чипсети и комуникационно оборудване, е разработен в пилотния завод за пластини D1C 300 mm на Intel в Хилсбъро, Орегон.

На 23 октомври 2002 г. Intel обяви откриването на ново съоръжение на стойност 2 милиарда долара в Рио Ранчо, Ню Мексико. Новият завод, наречен F11X, ще използва модерна технология, която ще произвежда процесори върху 300 мм пластини по технологичен процес с проектна норма 0,13 микрона. През 2003 г. заводът ще премине към технологичен процес със стандарт на проектиране 90 nm.

Освен това Intel вече обяви възобновяването на строителството на друго производствено съоръжение във Fab 24 в Leixlip (Ирландия), което е предназначено да произвежда полупроводникови компоненти върху 300 mm силициеви пластини с 90 nm стандарт за проектиране. Ново предприятие с обща площ над 1 милион квадратни метра. фута с особено чисти помещения с площ от 160 хиляди квадратни метра. фута се очаква да започне работа през първата половина на 2004 г. и ще наеме повече от хиляда служители. Цената на съоръжението е около 2 милиарда долара.

90nm процесът използва набор от модерни технологии. Това са най-малките масово произвеждани CMOS транзистори в света с дължина на затвора 50 nm (фиг. 11), което осигурява повишена производителност, като същевременно намалява консумацията на енергия, и най-тънкия оксиден слой на затвора от всеки транзистор, произвеждан някога - само 1,2 nm (фиг. 12), или по-малко от 5 атомни слоя, и първото в индустрията внедряване на високоефективна напрегната силициева технология.

От изброените характеристики може би само понятието „напрегнат силиций“ се нуждае от коментар (фиг. 13). В такъв силиций разстоянието между атомите е по-голямо, отколкото в конвенционален полупроводник. Това от своя страна позволява на тока да тече по-свободно, подобно на това как трафикът се движи по-свободно и по-бързо на път с по-широки ленти.

В резултат на всички иновации работниците се подобряват с 10-20%. транзисторни характеристики, с увеличение на производствените разходи само с 2%.

Освен това 90nm процесът използва седем слоя върху чипа (Фигура 14), един слой повече от 130nm процес, както и медни връзки.

Всички тези характеристики, комбинирани с 300 мм силициеви пластини, осигуряват на Intel предимства в производителността, производствения обем и разходите. Потребителите също печелят, тъй като новата технология на Intel позволява на индустрията да продължи да се развива в съответствие със закона на Мур, увеличавайки производителността на процесора отново и отново.

Откакто се помня, винаги съм мечтал да направя процесор. Най-накрая успях вчера. Не Бог знае какво: 8 бита, RISC, текущата работна честота е 4 kHz, но работи. Досега в програмата за моделиране на логически схеми, но всички знаем: "днес - в модела, утре - в действителност!"

Под изрезката има няколко анимации, кратко въведение в бинарната логика за най-малките, кратка история за логическите чипове на основния процесор и всъщност електрическата схема.

Двоична логика

Двоичната бройна система (за тези, които не са запознати) е бройна система, в която няма цифри, по-големи от единица. Това определение обърква мнозина, докато не си спомнят, че в десетична системаНяма числа, по-големи от девет на брой.

Двоичната система се използва в компютрите, защото числата в нея лесно се кодират с напрежение: има напрежение, което означава едно; без напрежение означава нула. Освен това „нула“ и „едно“ могат лесно да бъдат разбрани като „фалшиво“ и „вярно“. Освен това повечето устройства, работещи в двоичната бройна система, обикновено третират числата като масив от „истини“ и „лъжи“, тоест те работят с числа като логически величини. За най-малките и тези, които не знаят, ще разкажа и покажа как работят най-простите елементи на двоичната логика.

Буферен елемент

Представете си, че седите в стаята си, а вашият приятел е в кухнята. Викаш му: „Приятелю, кажи свети ли лампата в коридора?“ Приятелят отговаря: „Да, гори!“ или „Не, не е включено“. Вашият приятел е буфер между източника на сигнал (крушката в коридора) и приемника (вие). Освен това вашият приятел не е просто обикновен буфер, а управляван буфер. Той би бил обикновен буфер, ако постоянно викаше: „Крушката свети“ или „Крушката не свети“.

Елемент „Не“ - НЕ

Сега си представете, че вашият приятел е шегаджия, който винаги лъже. И ако светлината в коридора свети, той ще ви каже: „Не, в коридора е много, много тъмно“, а ако не свети, тогава „Да, светлината в коридора свети“. Ако наистина имате такъв приятел, тогава той е въплъщение на елемента „Не“.

Елемент “Или” - ИЛИ

За съжаление, една електрическа крушка и един приятел не са достатъчни, за да обяснят същността на елемента „Или“. Имате нужда от две електрически крушки. И така, имате две електрически крушки в коридора - подова лампа, например, и полилей. Викаш: „Приятелю, кажи ми, свети ли поне една крушка в коридора?“, а приятелят ти отговаря „Да“ или „Не“. Очевидно, за да отговорите с „Не“, всички светлини трябва да бъдат изключени.

Елемент “И” - И

Същият апартамент, вие, приятел в кухнята, подова лампа и полилей в коридора. На въпроса ви „И двете лампи в коридора светят ли?“ получавате отговор „Да“ или „Не“. Поздравления, вашият приятел вече е елементът „Аз“.

Изключителен или елемент - XOR

Нека повторим експеримента отново за елемента „Или“, но преформулираме въпроса си към приятел: „Приятелю, кажи ми, има ли само една крушка в коридора?“ Един честен приятел ще отговори на такъв въпрос с „Да“, само ако наистина има само една крушка в коридора.

Разширители

Суматор за четвъртинки

Елементът „Изключително Или“ се нарича суматор на четвърт. Защо? Нека да го разберем.
Нека създадем таблица за събиране на две числа в двоичната бройна система:
0+0= 0
0+1= 1
1+0= 1
1+1= 10

Сега нека напишем таблицата на истината на елемента „Изключително Или“. За целта обозначаваме светещата крушка с 1, угасналата крушка с 0 и отговорите на приятеля „Да”/„Не” съответно с 1 и 0.
0 XOR 0 = 0
0 XOR 1 = 1
1 XOR 0 = 1
1 XOR 1 = 0

Много подобно, нали? Таблицата на добавяне и таблицата на истината на „Изключително Или“ съвпадат напълно, с изключение на един единствен случай. И този случай се нарича "Преливане".

Половин суматор

Когато възникне препълване, резултатът от добавянето вече не се поставя в същия брой цифри, в който са били поставени термините. Членовете са две едноцифрени числа (една значеща цифра, разбирате ли?), а сумата вече е двуцифрено число (две значещи цифри). Вече не е възможно да се предадат два номера с една крушка („Вкл.“/„Изкл.“). Имате нужда от две електрически крушки. Трябва ни - ще го направим!

В допълнение към XOR, имаме нужда от AND елемент за суматора.
0 XOR 0 = 0 0 И 0 = 0
0 XOR 1 = 1 0 И 1 = 0
1 XOR 0 = 1 1 И 0 = 0
1 XOR 1 = 0 1 И 1 = 1

тадам!
0+0= 00
0+1= 01
1+0= 01
1+1= 10

Нашият полусуматор wunderwaffle работи. Може да се счита за най-простият специализиран процесор, който събира две числа. Полусуматорът се нарича полусуматор, защото не може да вземе предвид пренасянето (резултатът от друг суматор), т.е. невъзможно е да се добавят три недвусмислени двоични числа. В тази връзка е невъзможно да се направи един многобитов полусуматор от няколко еднобитови полусуматора.

Няма да навлизам в подробности за това как работят пълните и многобитовите суматори, просто се надявам да схванете основната идея.

По-сложни елементи

Мултиплексор

Предлагам отново да използвате въображението си. Така че представете си това. Живеете в частна къща с един апартамент, близо до вратата на тази къща е вашият Пощенска кутия. Докато се разхождате, забелязвате странен пощальон, който стои близо до тази пощенска кутия. И ето какво прави: вади куп писма от чантата си, прочита номера на пощенската кутия и в зависимост от номера на кутията хвърля някое или друго писмо в нея. Пощальонът работи като мултиплексор. Той определя по определен начин (номерът на плика) кой сигнал (писмо) да изпрати по сигналната линия (пощенска кутия).

Мултиплексорите обикновено се състоят само от комбинации от елементи "И", "Или" и "Не". Еднобитовият мултиплексор има един вход, наречен "избор на адрес", два входа с общо наименование "входен сигнал" и един изход, който се нарича "изходен сигнал".

Когато 0 се приложи към "избор на адрес", "изходният сигнал" става същият като първия "входен сигнал". Съответно, когато 1 се приложи към „избора“, „изходният сигнал“ става равен на втория „входен сигнал“.

Демултиплексор

Но това нещо работи точно обратното. За “избор на адрес” даваме адреса, за “въвеждане на данни” даваме данните, на изхода с числото “адрес” имаме данните от входа.

Брояч

За да разберете как работи измервателният уред, отново ще имате нужда от вашия приятел. Обадете му се от кухнята (надявам се, че не му е било много скучно там и, най-важното, не е изял цялата ви храна) и го помолете да направи следното: нека запомни числото 0. Всеки път, когато го докоснете , той трябва да добави единица към числото, което помните, да каже резултата и да го запомни. Когато резултатът е (да кажем) 3, той трябва да извика "Абракадабра!" и отговорете следващия път, когато докосне, че сега си спомня числото 0. Малко трудно? Вижте:

Докосваш приятел. Приятелят казва „Едно“.
Докосваш приятел. Приятелят казва „Две“.
Докосваш приятел. Приятелят казва "Три". Един приятел вика " Хабрахабр!" Критична атака! Вие сте временно парализирани и не можете да се движите.
Докосваш приятел. Приятелят казва "Нула".

Е, и така нататък. Много просто, нали?
Вие, разбира се, разбрахте, че вашият приятел вече е контра. Докосването на приятел може да се счита за „сигнал за време“ или, просто казано, сигнал за продължаване на броенето. Викът „Абракадабра“ показва, че съхранената стойност в брояча е максималната и че следващият тактов сигнал ще постави брояча на нула. Има две разлики между двоичния брояч и вашия приятел. Първо, истинският двоичен брояч извежда съхранената стойност в двоична форма. Второ: той винаги прави само това, което му кажете да направи, и никога не се спира на глупави шеги, които биха могли да нарушат работата на цялата процесорна система.

памет

Тригер

Нека продължим да се подиграваме на вашия нещастен (може би дори въображаем) приятел. Нека сега си спомни числото нула. Когато докоснете лявата му ръка, той трябва да запомни числото нула, а когато докоснете дясната му ръка, той трябва да запомни числото едно. На въпроса „Кой номер помниш?“ приятел винаги трябва да отговаря с числото, което е запомнил - нула или едно.
Най-простата клетка с памет е RS тригер ("тригер" означава "превключвател"). RS тригерът може да съхранява един бит данни („нула“/„едно“) и има два входа. Входът Set (също като лявата ръка на вашия приятел) пише „едно“ на спусъка, а входът Reset (съответно дясната ръка) пише „нула“.

Регистрирам

Регистърът е малко по-сложен. Вашият приятел се превръща в регистър, когато го помолите да си спомни нещо и тогава кажете: „Хей, напомни ми какво ти казах да запомниш?“ и вашият приятел отговаря правилно.

Един регистър обикновено може да съхранява малко повече от един бит. Той задължително има вход за данни, изход за данни и вход за разрешаване на запис. От изходните данни можете да прочетете какво е записано в този регистър по всяко време. Можете да предоставите входните данни, които искате да запишете в този регистър. Можете да изпращате данни, докато не ви омръзне. Така или иначе нищо няма да бъде записано в регистъра, докато едно не бъде приложено към входа за разрешение за запис, тоест „логическо“.

Shift регистър

Стоял ли си някога на опашка? Вероятно са били. Така че можете да си представите какво е да си данни в регистър за смяна. Хората идват и застават в края на опашката. Първият от опашката влиза в офиса на голямата фигура. Този, който е бил втори по ред, става първи, а този, който е бил трети, сега е втори и т.н. Опашката е толкова сложна смяна регистър, от които „данните“ (добре, т.е. хората) могат да избягат по работа, като предварително са предупредили своите съседи на свой ред. Разбира се, в един истински регистър за изместване „данните“ не могат да избягат от опашката.

И така, регистърът за смяна има вход за данни (чрез който данните влизат в „опашката“) и изход за данни (от който може да бъде прочетен първият запис в „опашката“). Регистърът за смяна също има вход за "регистър за смяна". Веднага щом на този вход пристигне „логическа единица“, цялата опашка се измества.

Има една важна разлика между опашка и регистър за смяна. Ако регистърът за смяна е проектиран за четири записа (например четири байта), тогава първият запис в опашката ще достигне изхода от регистъра само след четири сигнала към входа на „регистър за смяна“.

RAM

Ако много, много тригери се комбинират в регистри и много, много регистри се комбинират в един чип, получавате RAM чип. Чипът с памет обикновено има адресен вход, двупосочен вход за данни (т.е. този вход може да се записва и чете от) и вход за разрешаване на запис. Предоставяме някакво число на входа на адреса и това число ще избере конкретна клетка от паметта. След това на входа/изхода на данните можем да прочетем какво е записано точно в тази клетка.
Сега едновременно ще приложим към входа/изхода на данни това, което искаме да напишем в тази клетка, и към входа за разрешение за запис - „логическо“. Резултатът е малко предсказуем, нали?

процесор

BitBitJump

Процесорите понякога се разделят на CISC - тези, които могат да изпълняват много различни команди, и RISC - тези, които могат да изпълняват малко команди, но ги изпълняват добре. Една хубава вечер си помислих: би било страхотно, ако беше възможно да се направи пълноценен процесор, който може да изпълнява само една команда. Скоро научих, че има цял клас процесори с една инструкция - OISC, най-често те използват Subleq (изваждане, и ако е по-малко или равно на нула, тогава върви) или Subeq (изважда се, и ако е равно на нула, тогава отидете) инструкция. Докато изучавах различни опции за OISC процесори, намерих уебсайта на Олег Мазонка, който разработи най-простия език с една команда BitBitJump. Единствената команда на този език се нарича BitBitJump (копирайте малко и отидете на адреса). Този със сигурност езотеричен език е завършен на Тюринг – тоест всеки компютърен алгоритъм може да бъде внедрен в него.

Подробно описание BitBitJump и асемблер за този език могат да бъдат намерени на уебсайта на разработчика. За да се опише алгоритъмът на работа на процесора, е достатъчно да се знае следното:

1. При включване на процесора в регистрите PC, A и B се записва 0
2. Прочетете клетката от паметта с PC адреса и запишете прочетеното в регистър A
3. Увеличете PC
4. Прочетете клетката от паметта с PC адреса и запишете прочетеното в регистър B
5. Увеличете PC
6. Записваме съдържанието на бита с адрес A в клетката с адреса, записан в регистър B.
7. Прочетете клетката от паметта с PC адреса и запишете прочетеното в регистър B
8. Запишете съдържанието на регистър B в регистъра на компютъра
9. Да преминем към точка 2 от нашия план
10. ПЕЧАЛБА!!!

За съжаление алгоритъмът е безкраен и следователно ПЕЧАЛБА няма да бъде постигната.

Всъщност схемата

Схемата е изградена спонтанно, така че страхът, ужасът и хаосът властват. Въпреки това работи и работи добре. За да включите процесора, трябва:

1. Въведете програмата в RAM
2. Натиснете превключвателя
3. Задайте брояча на позиция 4 (това може да се направи хардуерно, но веригата ще стане още по-тромава)
4. Активирайте часовников генератор

Както можете да видите, се използват един регистър, един регистър за смяна, един RAM чип, два двоични брояча, един демултиплексор (представен от компаратори), два мултиплексора и малко чиста логика.