VAR tillverkas Intel-processorer?

Som jag redan skrev i ett tidigare inlägg, på det här ögonblicket Intel har 4 fabriker som kan massproduktion av processorer med 32nm-teknik: D1D och D1C i Oregon, Fab 32 i Arizona och Fab 11X i New Mexico.
Låt oss se hur de fungerar

Höjden på varje processtillverkningsanläggning för Intel är sor på 300 mm kiselskivor är 21 meter, och området når 100 tusen kvadratmeter dike I växtbyggnaden finns 4 huvudvåningar vnya: Ventilationssystemets nivå Mikroprocessorn består av miljontals transistorer - den minsta dammfläcken som hamnar på kisel - på plattan, kan förstöra tusentals transistorer dike Därför är det viktigaste villkoret för produktion av mikro- roprocessorer är den sterila renheten i rummet ny. Ventilationssystemets nivå är placerad överst på golvet - det finns speciella system här, som utför 100% luftrening, kontroll reglera temperatur och luftfuktighet i produktionsområden lokal. De så kallade "rena rummen" är indelade i klasser (beroende på antalet dammpartiklar per volymenhet) och de allra bästa (klass 1) ungefär 1000 gånger renare än en operationssal. För för att eliminera vibrationer finns rena rum på en egen vibrationssäker grund. Renrumsnivå Golvet täcker området för flera fotbollsplaner – Det är här mikroprocessorer tillverkas. Spe- cial automatiserat system Utför förflyttning av tallrikar från en produktion station till en annan. Renad luft tillförs genom ventilationssystem placerat i taket, och hälls genom speciella hål placerade i golvet. Utöver de ökade kraven på sterilitet av lokaler, enligt vår uppfattning ska den som arbetar där också vara "ren" sonal - endast på denna nivå arbetar specialister i sterila dräkter som skyddar (tack vare inbyggt filtreringssystem som drivs av batterier behållare) kiselwafers från textila mikropartiklar damm, hår och hudpartiklar. Lägre nivå Designad för system som stöder driften av fa- tegelstenar (pumpar, transformatorer, elskåp, etc.) Stora rör (kanaler) överför olika tekniker kemiska gaser, vätskor och frånluft. Specialist- anställdas kläder denna nivå inkluderar en hjälm, skyddsglasögon, handskar och specialskor. Ingenjörsnivå

Att bygga en fabrik på denna nivå tar det cirka 3 år och cirka 5 miljarder - det här är det belopp som anläggningen måste "återvinna" under de kommande 4 åren (när en ny teknisk process och arkitektur dyker upp krävs produktiviteten för detta är cirka 100 fungerande kiselskivor per timme). För att bygga en växt behöver du:
— mer än 19 000 ton stål
— mer än 112 000 kubikmeter betong
— mer än 900 kilometer kabel

HUR tillverkas mikroprocessorer

Tekniskt sett är en modern mikroprocessor gjord i form av en ultra-stor integrerad krets, bestående av flera miljarder element - detta är en av de mest komplexa strukturerna som skapats av människan. Nyckelelementen i varje mikroprocessor är diskreta omkopplare - transistorer. Blockering och passning elektricitet(på-av), de gör det möjligt för datorlogikkretsar att fungera i två tillstånd, det vill säga i ett binärt system. Transistorstorlekar mäts i nanometer. En nanometer (nm) är en miljarddels meter.

Kortfattat ser processen att tillverka en processor ut så här: en cylindrisk enkristall odlas från smält kisel med hjälp av specialutrustning. Det resulterande götet kyls och skärs i "pannkakor", vars yta är noggrant jämn och polerad till en spegelglans. Sedan, i de "rena rummen" i halvledarfabriker, skapas integrerade kretsar på kiselskivor med hjälp av fotolitografi och etsning. Efter att ha rengjort skivorna på nytt, utför laboratoriespecialister selektiv testning av processorerna under ett mikroskop - om allt är "OK", skärs de färdiga skivorna i individuella processorer, som senare innesluts i höljen.

Låt oss titta på hela processen mer i detalj.

Inledningsvis tas SiO2 i form av sand, som reduceras med koks i ljusbågsugnar (vid en temperatur av ca 1800°C):
SiO2 + 2C = Si + 2CO

Sådant kisel kallas "tekniskt" och har en renhet på 98-99,9%. Att tillverka processorer kräver ett mycket renare råmaterial som kallas "elektroniskt kisel", som inte bör innehålla mer än en främmande atom per miljard kiselatomer. För att rena till denna nivå är kisel bokstavligen "född på nytt". Genom att klorera tekniskt kisel erhålls kiseltetraklorid (SiCl4), som sedan omvandlas till triklorsilan (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3

Dessa reaktioner, med användning av återvinning av de resulterande biprodukterna som innehåller kisel, minskar kostnaderna och eliminerar miljöproblem:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2

Det resulterande vätet kan användas på många ställen, men det viktigaste är att ”elektroniskt” kisel erhölls, rent, mycket rent (99,9999999%). Lite senare sänks ett frö ("tillväxtpunkt") i smältan av sådant kisel, som gradvis dras ut ur degeln. Som ett resultat bildas en så kallad "boule" - en enda kristall lika lång som en vuxen. Vikten är lämplig - i produktion väger en sådan boule cirka 100 kg.

Tackan slipas med en "nolla" :) och skärs med en diamantsåg. Utgången är wafers (kodnamnet "wafer") cirka 1 mm tjocka och 300 mm i diameter (~12 tum; dessa är de som används för 32nm-processen med HKMG, High-K/Metal Gate-teknologi).

Nu är det mest intressanta att det är nödvändigt att överföra strukturen hos den framtida processorn till polerade kiselskivor, det vill säga att införa föroreningar i vissa områden av kiselskivan, som i slutändan bildar transistorer. Hur man gör det?

Problemet löses med hjälp av fotolitografiteknik - en process av selektiv etsning av ytskiktet med hjälp av en skyddande fotomask. Tekniken är byggd på principen "light-template-photoresist" och fortsätter enligt följande:
— Ett lager av material appliceras på kiselsubstratet av vilket ett mönster ska formas. En fotoresist appliceras på den - ett lager av polymert ljuskänsligt material som ändrar sina fysikaliska och kemiska egenskaper när det bestrålas med ljus.
— Exponering utförs (belysning av fotolagret under en exakt inställd tidsperiod) genom en fotomask
— Borttagning av förbrukad fotoresist.
Den önskade strukturen ritas på en fotomask - som regel är detta en platta av optiskt glas på vilket ogenomskinliga områden appliceras fotografiskt. Varje sådan mall innehåller ett av lagren i den framtida processorn, så det måste vara mycket exakt och praktiskt.

Skivan bestrålas av en ström av joner (positivt eller negativt laddade atomer), som på specificerade ställen tränger in under skivans yta och ändrar kiselets ledande egenskaper (gröna områden är inbäddade främmande atomer).

Vid fotografering passerade ljus genom negativfilm, träffade ytan på fotopapperet och ändrade dess kemiska egenskaper. Inom fotolitografi är principen liknande: ljus passerar genom en fotomask till en fotoresist, och på de ställen där det passerar genom masken ändrar individuella sektioner av fotoresisten egenskaper. Ljusstrålning överförs genom maskerna, som fokuseras på substratet. För exakt fokusering krävs ett speciellt system med linser eller speglar, som inte bara kan reducera bilden utskuren på masken till chipets storlek, utan också projicera den exakt på arbetsstycket. De tryckta waferna är vanligtvis fyra gånger mindre än själva maskerna.

All förbrukad fotoresist (som har ändrat sin löslighet under inverkan av bestrålning) avlägsnas med en speciell kemisk lösning - tillsammans med den löses också en del av substratet under den upplysta fotoresisten. Den del av substratet som skyddades från ljus av masken kommer inte att lösas upp. Det bildar en ledare eller ett framtida aktivt element - resultatet av detta tillvägagångssätt är olika kretsmönster på varje lager av mikroprocessorn.

Faktum är att alla tidigare steg var nödvändiga för att skapa halvledarstrukturer på de nödvändiga platserna genom att introducera en donator (n-typ) eller acceptor (p-typ) förorening. Låt oss säga att vi behöver skapa ett område med koncentration av p-typ bärare i kisel, det vill säga en hålledningszon. För att göra detta bearbetas skivan med en anordning som kallas implanterare - borjoner med enorm energi avfyras från en högspänningsaccelerator och fördelas jämnt i oskyddade zoner som bildas under fotolitografi.

Där dielektrikumet har tagits bort tränger jonerna in i lagret av oskyddat kisel - annars "fastnar" de i dielektrikumet. Efter nästa etsningsprocess avlägsnas det kvarvarande dielektrikumet, och zoner kvarstår på plattan där det finns lokalt bor. Det är tydligt att moderna processorer kan ha flera sådana lager - i det här fallet odlas ett dielektriskt lager igen på den resulterande bilden och sedan följer allt den vältrampade vägen - ytterligare ett lager av fotoresist, fotolitografiprocessen (med en ny mask) , etsning, implantation...

Logiska element som bildas under fotolitografiprocessen måste kopplas till varandra. För att göra detta placeras plattorna i en lösning av kopparsulfat, där metallatomer under påverkan av en elektrisk ström "sätter sig" i de återstående "passagerna" - som ett resultat av denna galvaniska process bildas ledande områden , skapa kopplingar mellan enskilda delar av processorns "logik". Överskott av ledande beläggning avlägsnas genom polering.

Hurra - den svåraste delen är över. Allt som återstår är ett listigt sätt att ansluta "resterna" av transistorer - principen och sekvensen för alla dessa anslutningar (bussar) kallas processorarkitektur. Dessa anslutningar är olika för varje processor - även om kretsarna verkar helt platta, kan i vissa fall upp till 30 nivåer av sådana "ledningar" användas.

När waferbearbetningen är klar, överförs wafers från produktion till monterings- och testverkstaden. Där genomgår kristallerna de första testerna, och de som klarar testet (och det här är de allra flesta) skärs från substratet med en speciell anordning.

I nästa steg paketeras processorn i ett substrat (på bilden - en Intel Core i5-processor, bestående av en CPU och ett HD-grafikchip).

Substratet, kristallen och värmefördelningshöljet är sammankopplade - det här är produkten vi kommer att mena när vi säger ordet "processor". Det gröna substratet skapar ett elektriskt och mekaniskt gränssnitt (guld används för att elektriskt ansluta kiselchipset till höljet), tack vare vilket det blir möjlig installation CPU till socket moderkort- i själva verket är detta bara en plattform på vilken kontakter från ett litet chip dirigeras. Värmefördelningskåpan är ett termiskt gränssnitt som kyler processorn under drift - det är till detta lock som kylsystemet kommer att ligga intill, vare sig det är en svalare radiator eller ett hälsosamt vattenblock.

Föreställ dig nu att ett företag tillkännager till exempel 20 nya processorer. De är alla olika - antalet kärnor, cachestorlekar, teknologier som stöds... Varje processormodell använder ett visst antal transistorer (räknat i miljoner och till och med miljarder), sin egen princip för att ansluta element... Och allt detta måste vara designad och skapad/automatiserad - mallar, linser, litografi, hundratals parametrar för varje process, testning... Och allt detta ska fungera dygnet runt, i flera fabriker samtidigt... Som ett resultat bör enheter dyka upp som inte har någon utrymme för fel i drift... Och kostnaden för dessa tekniska mästerverk borde ligga inom anständighetens gränser...

Nästan alla vet att i en dator är huvudelementet bland alla "hårda" komponenter den centrala processorn. Men kretsen av människor som förstår hur en processor fungerar är mycket begränsad. De flesta användare har ingen aning om detta. Och även när systemet plötsligt börjar sakta ner tror många att det är processorn som inte fungerar bra och inte lägger vikt vid andra faktorer. För att helt förstå situationen, låt oss titta på några aspekter av CPU-drift.

Vad är en central enhet?

Vad består processorn av?

Om vi ​​pratar om hur en Intel-processor eller dess konkurrent AMD fungerar måste du titta på hur dessa chips är designade. Den första mikroprocessorn (förresten, den var från Intel, modell 4040) dök upp redan 1971. Den kunde endast utföra de enklaste additions- och subtraktionsoperationerna med bearbetning av endast 4 bitar av information, dvs den hade en 4-bitars arkitektur.

Moderna processorer, som de förstfödda, är baserade på transistorer och är mycket snabbare. De är gjorda genom fotolitografi från ett visst antal individuella kiselskivor som utgör en enda kristall i vilken transistorer är intryckta. Kretsen skapas på en speciell accelerator med hjälp av accelererade borjoner. I den interna strukturen av processorer är huvudkomponenterna kärnor, bussar och funktionella partiklar som kallas revisioner.

Huvuddragen

Som alla andra enheter kännetecknas processorn av vissa parametrar, som inte kan ignoreras när man svarar på frågan om hur processorn fungerar. Först av allt detta:

• Antal kärnor;
• antal trådar;
• cachestorlek (internt minne);
• klockfrekvens;
• däckhastighet.

Låt oss nu fokusera på klockfrekvensen. Det är inte för inte som processorn kallas datorns hjärta. Liksom hjärtat fungerar det i pulsationsläge med ett visst antal slag per sekund. Klockfrekvensen mäts i MHz eller GHz. Ju högre den är, desto fler operationer kan enheten utföra.

Vid vilken frekvens processorn arbetar kan du ta reda på dess deklarerade egenskaper eller titta på informationen i Men under bearbetning av kommandon kan frekvensen ändras, och under överklockning (överlockning) kan den öka till extrema gränser. Således är det deklarerade värdet bara en genomsnittlig indikator.

Antalet kärnor är en indikator som bestämmer antalet bearbetningscentra för processorn (inte att förväxla med trådar - antalet kärnor och trådar kanske inte är detsamma). På grund av denna fördelning är det möjligt att omdirigera operationer till andra kärnor och därigenom öka den totala prestandan.

Hur en processor fungerar: kommandobearbetning

Nu lite om strukturen för körbara kommandon. Om du tittar på hur en processor fungerar måste du tydligt förstå att varje kommando har två komponenter - en operativ och en operand.

Operativdelen anger vad datorsystemet ska göra för tillfället operand anger vad processorn ska arbeta med. Dessutom kan processorkärnan innehålla två beräkningscentra (behållare, trådar), som delar upp exekveringen av ett kommando i flera steg:

• produktion;
• dekryptering;
• kommandoexekvering;
• åtkomst till minnet på själva processorn
• sparar resultatet.

Idag används separat cachelagring i form av att använda två nivåer av cacheminne, vilket undviker avlyssning av två eller flera kommandon för att komma åt ett av minnesblocken.

Baserat på typen av kommandobearbetning delas processorer in i linjära (exekvering av kommandon i den ordning som de är skrivna), cykliska och förgrening (exekvering av instruktioner efter bearbetning av grenvillkor).

Utförda operationer

Bland huvudfunktionerna som tilldelats processorn, när det gäller de kommandon eller instruktioner som utförs, urskiljs tre huvuduppgifter:

• matematiska operationer baserade på en aritmetisk-logisk enhet;
• flytta data (information) från en typ av minne till en annan;
• fatta ett beslut om exekvering av ett kommando, och på grundval av det, välja att byta till exekvering av andra uppsättningar av kommandon.

Interaktion med minne (ROM och RAM)

I denna process är de komponenter som ska noteras bussen och läs-skrivkanalen, som är anslutna till lagringsenheterna. ROM innehåller en konstant uppsättning byte. Först begär adressbussen en specifik byte från ROM, överför den sedan till databussen, varefter läskanalen ändrar sitt tillstånd och ROM tillhandahåller den begärda byten.

Men processorer kan inte bara läsa data från random access minne, men skriv också ner dem. I detta fall används inspelningskanalen. Men om man tittar på det, i stort sett skulle moderna datorer rent teoretiskt klara sig utan RAM alls, eftersom moderna mikrokontroller kapabla att placera de erforderliga byten med data direkt i minnet på själva processorchippet. Men det finns inget sätt att göra utan ROM.

Systemet startar bland annat från hårdvarutestläget (BIOS-kommandon), och först därefter överförs kontrollen till det laddade operativsystemet.

Hur kontrollerar jag om processorn fungerar?

Låt oss nu titta på några aspekter av att kontrollera processorns prestanda. Det måste vara tydligt att om processorn inte fungerade, skulle datorn inte kunna börja ladda alls.

Det är en annan sak när du behöver titta på indikatorn för användningen av processorkapacitet vid ett visst tillfälle. Detta kan göras från standarden "Task Manager" (mittemot vilken process som helst anges hur många procent av processorbelastningen den ger). För att visuellt bestämma denna parameter kan du använda fliken prestanda, där ändringar spåras i realtid. Avancerade alternativ kan ses med hjälp av specialprogram, till exempel CPU-Z.

Dessutom kan du använda flera processorkärnor med (msconfig) och ytterligare startparametrar.

Möjliga problem

Till sist några ord om problemen. Många användare frågar ofta, varför fungerar processorn, men skärmen slås inte på? TILL central processor denna situation har ingenting med saken att göra. Faktum är att när du slår på vilken dator som helst testas grafikadaptern först, och först sedan allt annat. Kanske ligger problemet just i grafikkretsens processor (alla moderna videoacceleratorer har sina egna grafikprocessorer).

Men genom att använda exemplet med människokroppens funktion måste du förstå att i händelse av hjärtstopp dör hela kroppen. Samma sak med datorer. Processorn fungerar inte - hela datorsystemet "dör".

Moderna mikroprocessorer är bland de mest komplexa enheterna som tillverkas av människan. Produktionen av en halvledarkristall är mycket mer resurskrävande än till exempel konstruktionen av en flervåningsbyggnad eller anordnandet av ett större utställningsevenemang. Men tack vare massproduktionen av processorer i monetära termer märker vi inte detta, och sällan tänker någon på hur enorma de element som upptar en så framträdande plats inuti systemenhet. Vi bestämde oss för att studera detaljerna i processorproduktion och prata om dem i det här materialet. Lyckligtvis finns det tillräckligt med information om detta ämne på Internet idag, och ett specialiserat urval av presentationer och bilder från Intel Corporation låter dig slutföra uppgiften så tydligt som möjligt. Företagen i andra jättar i halvledarindustrin arbetar på samma princip, så vi kan med säkerhet säga att alla moderna mikrokretsar går igenom en identisk skapelseväg.

Det första som är värt att nämna är byggmaterialet för processorer. Kisel är det näst vanligaste grundämnet på planeten efter syre. Det är en naturlig halvledare och används som huvudmaterial för produktion av chips av olika mikrokretsar. Mest kisel finns i vanlig sand (särskilt kvarts) i form av kiseldioxid (SiO2).

Kisel är dock inte det enda materialet. Dess närmaste släkting och substitut är germanium, men i processen att förbättra produktionen identifierar forskare goda halvledaregenskaper i föreningar av andra grundämnen och förbereder sig för att testa dem i praktiken eller gör det redan.

1 Kisel går igenom en reningsprocess i flera steg: råmaterial till mikrokretsar kan inte innehålla fler föroreningar än en främmande atom per miljard.

2 Kisel smälts i en speciell behållare och efter att ha sänkt en konstant kyld roterande stav inuti, "lindas" ämnet runt det tack vare ytspänningskrafter.

3 Resultatet är longitudinella ämnen (enkristaller) med cirkulärt tvärsnitt, som var och en väger cirka 100 kg.

4 Arbetsstycket skärs i individuella kiselskivor - wafers, på vilka hundratals mikroprocessorer kommer att finnas. För dessa ändamål används maskiner med diamantkapskivor eller trådslipande installationer.

5 Underlaget är polerat till en spegelfinish för att eliminera alla ytdefekter. Nästa steg är att applicera det tunnaste fotopolymerskiktet.

6 Det behandlade substratet utsätts för hård ultraviolett strålning. En kemisk reaktion inträffar i fotopolymerskiktet: ljus, som passerar genom många stenciler, upprepar mönstren i CPU-lagren.

7 Faktiska storleken Den applicerade bilden är flera gånger mindre än själva stencilen.

8 Områden "etsat" av strålning tvättas bort. Ett mönster erhålls på kiselsubstratet som sedan binds.

9 Nästa steg i tillverkningen av ett lager är jonisering, under vilken polymerfria områden av kisel bombarderas med joner.

10 På platser där de träffar förändras egenskaperna hos elektrisk ledningsförmåga.

11 Den återstående polymeren avlägsnas och transistorn är nästan komplett. Hål görs i isoleringsskikten, som tack vare kemisk reaktion fyllda med kopparatomer som används som kontakter.

12 Anslutningen av transistorer är en flernivåledning. Om du tittar genom ett mikroskop kommer du att märka på kristallen många metallledare och kiselatomer placerade mellan dem eller dess moderna substitut.

13 En del av det färdiga underlaget genomgår det första funktionstestet. I detta skede appliceras ström på var och en av de valda transistorerna, och det automatiserade systemet kontrollerar halvledarens driftsparametrar.

14 Underlaget skärs i separata delar med de tunnaste skärhjulen.

15 De användbara kristallerna som erhålls som ett resultat av denna operation används i produktionen av processorer, och de defekta skickas till avfall.

16 Ett separat chip från vilket processorn kommer att göras placeras mellan basen (substratet) på CPU:n och värmedistributionslocket och "packas".

17 Under sluttestningen kontrolleras färdiga processorer för överensstämmelse med de nödvändiga parametrarna och sorteras först därefter. Baserat på mottagna data, flashas mikrokod in i dem, vilket gör att systemet kan identifiera CPU:n korrekt.

18 Färdiga enheter paketeras och skickas till marknaden.

"Silicon Valley" (Silicon Valley, USA, Kalifornien)

Det har fått sitt namn från huvudbyggnadselementet som används vid tillverkning av mikrochips.

"Varför är processorwafers runda?"– kommer du nog att fråga.

För att producera kiselkristaller används en teknik som gör att man endast kan få fram cylindriska ämnen, som sedan skärs i bitar. Hittills har ingen kunnat tillverka en fyrkantig plåt fri från defekter.

Varför är mikrochips fyrkantiga?

Det är denna typ av litografi som gör att waferområdet kan användas med maximal effektivitet.

Varför behöver processorer så många stift/stift?

Förutom signallinjer kräver varje processor stabil effekt för att fungera. Med en strömförbrukning på cirka 100-120 W och låg spänning kan en ström på upp till 100 A flöda genom kontakterna. En betydande del av CPU-kontakterna är dedikerade specifikt till strömförsörjningssystemet och dupliceras.

Omhändertagande av produktionsavfall

Tidigare gick defekta wafers, deras rester och defekta mikrochips till spillo. Idag pågår utveckling för att använda dem som grund för produktion av solceller.

"Kanin kostym"

Detta är namnet på den vita overallen som alla arbetare i produktionsanläggningar måste bära. Detta görs för att upprätthålla maximal renhet och skydda mot oavsiktlig inträngning av dammpartiklar i produktionsanläggningar. "Kindressen" användes första gången i processorfabriker 1973 och har sedan dess blivit en accepterad standard.

99,9999%

Endast kisel av högsta renhet är lämpligt för produktion av processorer. Ämnen rengörs med speciella kemikalier.

300 mm

Detta är diametern på moderna kiselwafers för tillverkning av processorer.

1000 gånger

Så mycket renare är luften i chipfabrikernas lokaler än i operationssalen.

20 lager

Processorchippet är mycket tunt (mindre än en millimeter), men det innehåller mer än 20 lager av komplexa strukturella kombinationer av transistorer som ser ut som motorvägar med flera nivåer.

2500

Det är exakt hur många chips av Intel Atom-processorn (de har den minsta ytan bland moderna processorer) placeras på en 300 mm skiva.

10 000 000 000 000 000 000

Hundra kvintiljoner transistorer, byggstenarna i mikrochips, skickas från fabriker varje år. Detta är ungefär 100 gånger fler än det uppskattade antalet myror på planeten.

A

Kostnaden för att producera en transistor i en processor idag är lika med kostnaden för att skriva ut ett brev i en tidning.

I processen med att förbereda denna artikel användes material från Intel Corporations officiella webbplats, www.intel.ua

Hur tillverkas mikrokretsar?

För att förstå vad den huvudsakliga skillnaden mellan dessa två tekniker är, är det nödvändigt att ta en kort utflykt till själva tekniken för produktion av moderna processorer eller integrerade kretsar.

Som du vet från en skolfysikkurs, i modern elektronik är huvudkomponenterna i integrerade kretsar p-typ och n-typ halvledare (beroende på typ av konduktivitet). En halvledare är ett ämne vars ledningsförmåga är överlägsen dielektrikum, men sämre än metaller. Grunden för båda typerna av halvledare kan vara kisel (Si), som i sin rena form (den så kallade inneboende halvledaren) leder dåligt elektrisk ström, men tillsatsen (införandet) av en viss förorening i kisel kan radikalt förändra dess ledande egenskaper. . Det finns två typer av föroreningar: donator och acceptor. Donatorföroreningar leder till bildandet av halvledare av n-typ c elektronisk typ konduktivitet, och acceptorn en leder till bildandet av halvledare av p-typ med konduktivitet av håltyp. Kontakterna av p- och n-halvledare gör det möjligt att bilda transistorer - de viktigaste strukturella elementen i moderna mikrokretsar. Dessa transistorer, som kallas CMOS-transistorer, kan existera i två grundläggande tillstånd: öppna, när de leder elektricitet och avstängda, när de inte leder elektricitet. Eftersom CMOS-transistorer är huvudelementen i moderna mikrokretsar, låt oss prata om dem mer i detalj.

Hur fungerar en CMOS-transistor?

Den enklaste CMOS-transistorn av n-typ har tre elektroder: source, gate och drain. Själva transistorn är gjord av en halvledare av p-typ med hålledningsförmåga, och halvledare av n-typ med elektronisk konduktivitet bildas i drain- och emitterområdena. Naturligtvis, på grund av diffusionen av hål från p-regionen till n-regionen och den omvända diffusionen av elektroner från n-regionen till p-regionen, bildas utarmningsskikt (lager i vilka det inte finns några större laddningsbärare) vid gränserna för övergångarna av p- och n-regionerna. I normalt tillstånd, det vill säga när ingen spänning appliceras på grinden är transistorn i ett "låst" tillstånd, det vill säga att den inte kan leda ström från källa till avlopp. Situationen förändras inte även om en spänning appliceras mellan avloppet och källan (vi tar inte hänsyn till läckströmmar som orsakas av rörelsen under påverkan av de genererade elektriska fälten från minoritetsladdningsbärare, det vill säga hål för n-region och elektroner för p-regionen).

Men om en positiv potential appliceras på grinden (fig. 1), kommer situationen att förändras radikalt. Under påverkan av grindens elektriska fält trycks hål djupt in i p-halvledaren, och elektroner dras tvärtom in i området under grinden och bildar en elektronrik kanal mellan källan och avloppet. Om en positiv spänning appliceras på grinden börjar dessa elektroner att röra sig från source till drain. I det här fallet leder transistorn ström att transistorn "öppnar". Om grindspänningen tas bort slutar elektroner att dras in i området mellan källan och avloppet, den ledande kanalen förstörs och transistorn slutar att passera ström, det vill säga den "stänger av". Genom att ändra gate-spänningen kan du alltså öppna eller stänga transistorn, liknande hur du kan slå på eller av en vanlig vippströmbrytare och kontrollera strömflödet genom kretsen. Det är därför transistorer ibland kallas elektroniska omkopplare. Men till skillnad från konventionella mekaniska omkopplare är CMOS-transistorer praktiskt taget tröghetsfria och kan växla från till och från biljoner gånger per sekund! Det är denna egenskap, det vill säga förmågan att omedelbart växla, som i slutändan bestämmer prestandan hos processorn, som består av tiotals miljoner sådana enkla transistorer.

Så, en modern integrerad krets består av tiotals miljoner enkla CMOS-transistorer. Låt oss uppehålla oss mer i detalj om processen för tillverkning av mikrokretsar, vars första steg är produktionen av kiselsubstrat.

Steg 1. Växande ämnen

Skapandet av sådana substrat börjar med att odla en cylindrisk enkristall av kisel. Därefter skärs dessa enkristallina ämnen (ämnen) till runda wafers (wafers), vars tjocklek är ungefär 1/40 tum och diametern är 200 mm (8 tum) eller 300 mm (12 tum). Dessa är de kiselsubstrat som används för produktion av mikrokretsar.

När man formar wafers av kiselenkristaller, beaktas det faktum att för ideala kristallstrukturer de fysikaliska egenskaperna till stor del beror på den valda riktningen (anisotropi-egenskapen). Till exempel kommer motståndet hos ett kiselsubstrat att vara olika i längsgående och tvärgående riktningar. På samma sätt, beroende på orienteringen av kristallgittret, kommer kiselkristallen att reagera olika på alla yttre påverkan som är förknippade med dess vidare bearbetning (till exempel etsning, sputtering, etc.). Därför måste plattan skäras från en enkristall på ett sådant sätt att orienteringen av kristallgittret relativt ytan hålls strikt i en viss riktning.

Som redan nämnts är diametern på enkristallarbetsstycket av kisel antingen 200 eller 300 mm. Dessutom är diametern 300 mm en relativt ny teknik, som vi kommer att diskutera nedan. Det är tydligt att en platta med denna diameter kan rymma mer än en mikrokrets, även om vi talar om Intel-processor Pentium 4. Faktum är att flera dussin mikrokretsar (processorer) bildas på en sådan substratplatta, men för enkelhetens skull kommer vi bara att överväga de processer som sker i ett litet område av en framtida mikroprocessor.

Steg 2. Applicera en skyddande film av dielektrisk (SiO2)

Efter bildandet av kiselsubstratet börjar steget att skapa en komplex halvledarstruktur.

För att göra detta är det nödvändigt att införa så kallade donator- och acceptorföroreningar i kisel. Men frågan uppstår: hur inför föroreningar enligt ett exakt specificerat mönster? För att göra detta möjligt skyddas de områden där föroreningar inte behöver införas med en speciell film av kiseldioxid, vilket lämnar endast de områden som är utsatta för ytterligare bearbetning (Fig. 2). Processen att bilda en sådan skyddsfilm av det önskade mönstret består av flera steg.

I det första steget är hela kiselskivan helt täckt med en tunn film av kiseldioxid (SiO2), som är en mycket bra isolator och fungerar som en skyddande film vid vidare bearbetning av kiselkristallen. Plattorna placeras i en kammare där hög temperatur(från 900 till 1100 °C) och tryck sker syrediffusion in i skivans ytskikt, vilket leder till oxidation av kisel och bildandet av en ytfilm av kiseldioxid. För att kiseldioxidfilmen ska ha en exakt specificerad tjocklek och vara fri från defekter är det nödvändigt att strikt upprätthålla en konstant temperatur på alla punkter på skivan under oxidationsprocessen. Om inte hela skivan ska täckas med en kiseldioxidfilm, appliceras först en Si3N4-mask på kiselsubstratet för att förhindra oönskad oxidation.

Steg 3. Applicering av fotoresist

Efter att kiselsubstratet är belagt skyddsfilm kiseldioxid, är det nödvändigt att ta bort denna film från de platser som kommer att utsättas för ytterligare bearbetning. Filmen avlägsnas genom etsning och för att skydda de återstående områdena från etsning appliceras ett lager av så kallad fotoresist på ytan av wafern. Termen "fotoresist" avser föreningar som är ljuskänsliga och resistenta mot aggressiva faktorer. De använda kompositionerna måste å ena sidan ha vissa fotografiska egenskaper (under påverkan av ultraviolett ljus blir de lösliga och tvättas ut under etsningsprocessen), och å andra sidan vara resistiva, vilket gör att de tål etsning i syror och alkalier , uppvärmning osv. Huvudsyftet med fotoresist är att skapa en skyddande relief av den önskade konfigurationen.

Processen att applicera fotoresist och dess ytterligare bestrålning med ultraviolett ljus enligt ett givet mönster kallas fotolitografi och inkluderar följande grundläggande operationer: bildande av ett fotoresistskikt (substratbearbetning, applicering, torkning), bildande av en skyddande relief (exponering, framkallning) , torkning) och överföring av bilden till substratet (etsning, sputtering etc.).

Innan ett skikt av fotoresist (fig. 3) appliceras på substratet, utsätts det senare för förbehandling, vilket resulterar i att dess vidhäftning till fotoresistskiktet förbättras. För att applicera ett enhetligt skikt av fotoresist används centrifugeringsmetoden. Substratet placeras på en roterande skiva (centrifug), och under inverkan av centrifugalkrafter fördelas fotoresisten över substratets yta i ett nästan enhetligt skikt. (När vi talar om ett nästan enhetligt skikt tar vi hänsyn till det faktum att under påverkan av centrifugalkrafter ökar tjockleken på den resulterande filmen från mitten till kanterna, men denna metod för applicering av fotoresist kan motstå fluktuationer i skiktet tjocklek inom ±10%.)

Steg 4. Litografi

Efter applicering och torkning av fotoresistskiktet börjar bildningsstadiet av den nödvändiga skyddsavlastningen. Reliefen bildas som ett resultat av det faktum att under påverkan av ultraviolett strålning som faller på vissa områden av fotoresistskiktet, ändrar det senare löslighetsegenskaperna, till exempel slutar de upplysta områdena att lösas i lösningsmedlet, vilket tar bort områden av lagret som inte exponerades för belysning, eller vice versa - de upplysta områdena löses upp. Baserat på metoden för reliefbildning delas fotoresister in i negativa och positiva. Negativa fotoresister, när de utsätts för ultraviolett strålning, bildar skyddande reliefområden. Positiva fotoresister, tvärtom, under påverkan av ultraviolett strålning förvärvar fluiditetsegenskaper och tvättas ut av lösningsmedlet. Följaktligen bildas ett skyddande skikt i de områden som inte utsätts för ultraviolett bestrålning.

För att belysa de önskade områdena av fotoresistskiktet används en speciell maskmall. Oftast används optiska glasplattor med opaka element erhållna fotografiskt eller på annat sätt för detta ändamål. Faktum är att en sådan mall innehåller en ritning av ett av lagren i den framtida mikrokretsen (det kan finnas flera hundra sådana lager totalt). Eftersom denna mall är en referens måste den göras med stor precision. Dessutom, med hänsyn till det faktum att många fotoplattor kommer att tillverkas av en fotomask, måste den vara hållbar och motståndskraftig mot skador. Av detta är det tydligt att en fotomask är en mycket dyr sak: beroende på mikrokretsens komplexitet kan den kosta tiotusentals dollar.

Ultraviolett strålning, som passerar genom en sådan mall (fig. 4), belyser endast de nödvändiga områdena av ytan av fotoresistskiktet. Efter bestrålning genomgår fotoresisten utveckling, vilket resulterar i att onödiga områden av skiktet avlägsnas. Detta exponerar motsvarande del av kiseldioxidskiktet.

Trots den fotolitografiska processens uppenbara enkelhet är det detta stadium av mikrokretsproduktion som är det mest komplexa. Faktum är att, i enlighet med Moores förutsägelse, ökar antalet transistorer på ett chip exponentiellt (fördubblas vartannat år). En sådan ökning av antalet transistorer är endast möjlig på grund av en minskning av deras storlek, men det är just minskningen som "vilar" på litografiprocessen. För att göra transistorer mindre är det nödvändigt att reducera de geometriska dimensionerna för de linjer som appliceras på fotoresistskiktet. Men det finns en gräns för allt att fokusera en laserstråle till en punkt är inte så lätt. Faktum är att, i enlighet med vågoptikens lagar, bestäms minimistorleken på den punkt som laserstrålen fokuseras på (i själva verket är det inte bara en punkt, utan ett diffraktionsmönster), bland andra faktorer, av ljusets våglängd. Utvecklingen av litografisk teknik sedan dess uppfinning i början av 70-talet har gått i riktning mot att minska ljusets våglängd. Detta är vad som gjorde det möjligt att minska storleken på elementen i den integrerade kretsen. Sedan mitten av 80-talet började fotolitografi använda ultraviolett strålning producerad av laser. Tanken är enkel: våglängden för ultraviolett strålning är kortare än våglängden för synligt ljus, därför är det möjligt att få finare linjer på ytan av fotoresisten. Tills nyligen använde litografi djup ultraviolett strålning (Deep Ultra Violet, DUV) med en våglängd på 248 nm. Men när fotolitografin rörde sig bortom 200 nm uppstod allvarliga problem som för första gången ställde tvivel om den fortsatta användningen av denna teknik. Till exempel, vid våglängder mindre än 200 mikron, absorberas för mycket ljus av det ljuskänsliga lagret, vilket gör processen att överföra kretsmallen till processorn svårare och långsammare. Sådana problem får forskare och tillverkare att leta efter alternativ till traditionell litografiteknik.

Den nya litografitekniken, kallad EUV-litografi (Extreme UltraViolet ultra-hard ultraviolet radiation), bygger på användningen av ultraviolett strålning med en våglängd på 13 nm.

Övergången från DUV- till EUV-litografi ger en mer än 10-faldig minskning av våglängden och en övergång till ett område där den är jämförbar med storleken på endast några tiotals atomer.

Nuvarande litografiteknik möjliggör ett mönster med en minsta trådbredd på 100 nm, medan EUV-litografi gör det möjligt att skriva ut mycket mindre linjebredder, upp till 30 nm. Att kontrollera ultrakort strålning är inte så lätt som det verkar. Eftersom EUV-strålning absorberas väl av glas, innebär den nya tekniken användning av en serie av fyra speciella konvexa speglar som reducerar och fokuserar bilden som erhålls efter applicering av masken (Fig. 5, ,). Varje sådan spegel innehåller 80 individuella metallskikt med en tjocklek av cirka 12 atomer.

Steg 5: Etsning

Efter exponering av fotoresistskiktet börjar etsningssteget för att avlägsna kiseldioxidfilmen (fig. 8).

Etsningsprocessen förknippas ofta med syrabad. Denna syraetsningsmetod är välkänd för radioamatörer som har tillverkat sina egna kretskort. För att göra detta appliceras ett mönster av spår för den framtida brädan på den foliebelagda PCB med lack, som fungerar som ett skyddande lager, och sedan sänks plattan i ett bad av salpetersyra. Onödiga delar av folien etsas bort och exponerar rent PCB. Denna metod har ett antal nackdelar, varav den främsta är oförmågan att noggrant kontrollera skiktborttagningsprocessen, eftersom alltför många faktorer påverkar etsningsprocessen: syrakoncentration, temperatur, konvektion, etc. Dessutom interagerar syran med materialet i alla riktningar och penetrerar gradvis under kanten av fotoresistmasken, det vill säga den förstör de skikt som täcks med fotoresisten från sidan. Vid tillverkning av processorer används därför torretsningsmetoden, även kallad plasma. Denna metod tillåter exakt kontroll av etsningsprocessen, och förstörelsen av det etsade lagret sker strikt i vertikal riktning.

Torretsning använder en joniserad gas (plasma) för att avlägsna kiseldioxid från skivans yta, som reagerar med kiseldioxidytan för att producera flyktiga biprodukter.

Efter etsningsproceduren, det vill säga när de önskade områdena av rent kisel exponeras, tas den återstående delen av fotoskiktet bort. Således finns ett mönster som gjorts av kiseldioxid kvar på kiselsubstratet.

Steg 6. Diffusion (jonimplantation)

Låt oss komma ihåg att den tidigare processen att bilda det erforderliga mönstret på ett kiselsubstrat krävdes för att skapa halvledarstrukturer på rätt ställen genom att introducera en donator- eller acceptorförorening. Processen att införa föroreningar utförs genom diffusion (fig. 9) enhetlig införande av föroreningsatomer i kiselkristallgittret. För att erhålla en halvledare av n-typ används vanligtvis antimon, arsenik eller fosfor. För att erhålla en halvledare av p-typ används bor, gallium eller aluminium som föroreningar.

Jonimplantation används för processen för diffusion av dopmedel. Implantationsprocessen består av att joner av den önskade föroreningen "skjuts" från en högspänningsaccelerator och, med tillräcklig energi, tränger in i ytskikten av kisel.

Så i slutet av jonimplantationssteget har det nödvändiga lagret av halvledarstrukturen skapats. I mikroprocessorer kan det dock finnas flera sådana lager. För att skapa nästa lager i det resulterande kretsmönstret odlas ytterligare ett tunt lager av kiseldioxid. Efter detta avsätts ett skikt av polykristallint kisel och ytterligare ett skikt av fotoresist. Ultraviolett strålning passerar genom den andra masken och framhäver motsvarande mönster på fotolagret. Sedan följer igen stadierna av upplösning av fotoskiktet, etsning och jonimplantation.

Steg 7. Sputtering och deponering

Appliceringen av nya skikt utförs flera gånger, medan för mellanskiktsanslutningar lämnas "fönster" i skikten, som är fyllda med metallatomer; Som ett resultat skapas ledande områden av metallremsor på kristallen. På så sätt upprättar moderna processorer kopplingar mellan lager som bildar en komplex tredimensionell krets. Processen att odla och bearbeta alla lager varar i flera veckor, och själva produktionscykeln består av mer än 300 steg. Som ett resultat bildas hundratals identiska processorer på en kiselskiva.

För att motstå de stötar som skivorna utsätts för under skiktningsprocessen görs kiselskivorna initialt ganska tjocka. Därför, innan skivan skärs till individuella processorer, minskas dess tjocklek med 33% och smuts tas bort från baksidan. Sedan appliceras ett lager av specialmaterial på baksidan av substratet för att förbättra fastsättningen av kristallen till den framtida processorns kropp.

Steg 8. Sista steget

I slutet av bildningscykeln testas alla processorer noggrant. Sedan skärs specifika kristaller som redan har klarat testet ut från substratplattan med en speciell anordning (fig. 10).

Varje mikroprocessor är inbäddad i ett skyddande hölje, som också ger elektrisk anslutning mellan mikroprocessorkretsen och externa enheter. Typen av hölje beror på typen och avsedd användning av mikroprocessorn.

När den väl är förseglad i höljet testas varje mikroprocessor igen. Felaktiga processorer avvisas och fungerande utsätts för belastningstester. Processorer sorteras sedan utifrån deras beteende vid olika klockhastigheter och matningsspänningar.

Lovande teknologier

Vi har övervägt den tekniska processen att producera mikrokretsar (i synnerhet processorer) på ett mycket förenklat sätt. Men även en sådan ytlig presentation tillåter oss att förstå de tekniska svårigheterna som uppstår när vi minskar storleken på transistorer.

Men innan vi överväger nya lovande tekniker kommer vi att svara på frågan som ställdes i början av artikeln: vad är designstandarden för den tekniska processen och hur, i själva verket, skiljer sig designstandarden på 130 nm från standarden på 180 nm? 130 nm eller 180 nm är typiskt minsta avstånd mellan två intilliggande element i ett lager av mikrokretsen, det vill säga ett slags rutnätssteg till vilket mikrokretsens element är länkade. Det är ganska uppenbart att ju mindre denna karakteristiska storlek är, desto fler transistorer kan placeras på samma område av mikrokretsen.

För närvarande använder Intel-processorer en processteknik på 0,13 mikron. Denna teknik används för att tillverka Intel Pentium 4-processorn med Northwood-kärnan, Intel Pentium III-processorn med Tualatin-kärnan och Intel Celeron-processorn. Vid användning av en sådan teknisk process är transistorns användbara kanalbredd 60 nm, och tjockleken på grindoxidskiktet överstiger inte 1,5 nm. Totalt innehåller Intel Pentium 4-processorn 55 miljoner transistorer.

Tillsammans med att öka tätheten av transistorer i processorkretsen har 0,13-mikron-tekniken, som ersatte 0,18-mikron-tekniken, andra innovationer. För det första använder den kopparanslutningar mellan individuella transistorer (i 0,18-mikrons teknik var anslutningarna aluminium). För det andra ger 0,13 mikron-teknik lägre strömförbrukning. För mobil utrustning innebär det till exempel att strömförbrukningen för mikroprocessorer blir mindre, och drifttiden fr.o.m batteri Mer.

Tja, den sista innovationen som implementerades under övergången till en 0,13 mikron teknisk process är användningen av kiselwafers (wafer) med en diameter på 300 mm. Låt oss komma ihåg att innan detta tillverkades de flesta processorer och mikrokretsar på basis av 200 mm wafers.

Att öka diametern på skivan gör det möjligt att minska kostnaderna för varje processor och öka utbytet av produkter av adekvat kvalitet. Faktum är att arean på en wafer med en diameter på 300 mm är 2,25 gånger större än en wafer med en diameter på 200 mm, och följaktligen antalet processorer som erhålls från en wafer med en diameter på 300 mm är mer än dubbelt så stor.

Under 2003 förväntas en ny teknologisk process med en ännu mindre designstandard att introduceras, nämligen 90 nanometer. Den nya processen genom vilken Intel kommer att tillverka de flesta av sina produkter, inklusive processorer, styrkretsar och kommunikationsutrustning, utvecklades vid Intels pilotanläggning D1C 300 mm wafer i Hillsboro, Oregon.

Den 23 oktober 2002 tillkännagav Intel öppnandet av en ny $2 miljarder anläggning i Rio Rancho, New Mexico. Den nya anläggningen, kallad F11X, kommer att använda modern teknologi, som kommer att producera processorer på 300 mm wafers med hjälp av en processteknik med en designnorm på 0,13 mikron. Under 2003 kommer anläggningen att överföras till en teknisk process med en designstandard på 90 nm.

Dessutom har Intel redan meddelat återupptagandet av byggandet av ytterligare en produktionsanläggning vid Fab 24 i Leixlip (Irland), som är designad för att producera halvledarkomponenter på 300 mm kiselskivor med en 90 nm designstandard. Ett nytt företag med en total yta på mer än 1 miljon kvadratmeter. fötter med särskilt rena rum med en yta på 160 tusen kvadratmeter. ft. förväntas vara i drift under första halvåret 2004 och kommer att sysselsätta mer än tusen anställda. Kostnaden för anläggningen är cirka 2 miljarder dollar.

90nm-processen använder en rad avancerade teknologier. Dessa är världens minsta masstillverkade CMOS-transistorer med en gate-längd på 50 nm (fig. 11), vilket ger ökad prestanda samtidigt som den minskar strömförbrukningen, och det tunnaste gate-oxidskiktet av någon transistor som någonsin producerats - endast 1,2 nm (fig. 12), eller mindre än 5 atomlager, och branschens första implementering av högpresterande ansträngd silikonteknologi.

Av de uppräknade egenskaperna är det kanske bara begreppet "ansträngt kisel" som behöver kommenteras (fig. 13). I sådant kisel är avståndet mellan atomerna större än i en konventionell halvledare. Detta gör i sin tur att strömmen kan flyta mer fritt, liknande hur trafiken rör sig friare och snabbare på en väg med bredare körfält.

Som ett resultat av alla innovationer förbättras arbetarna med 10-20 %. transistoregenskaper, med en ökning av produktionskostnaderna på endast 2 %.

Dessutom använder 90nm-processen sju lager på chipet (Figur 14), ett lager mer än 130nm-processen, samt kopparkopplingar.

Alla dessa funktioner, i kombination med 300 mm silikonskivor, ger Intel fördelar i prestanda, produktionsvolym och kostnad. Konsumenterna gynnas också, eftersom Intels nya processteknologi gör att industrin kan fortsätta att utvecklas i enlighet med Moores lag, vilket ökar processorprestanda om och om igen.

Så länge jag kan minnas har jag alltid drömt om att göra en processor. Äntligen, igår klarade jag det. Inte Gud vet vad: 8 bitar, RISC, nuvarande arbetsfrekvens är 4 kHz, men det fungerar. Hittills i programmet för modellering av logiska kretsar, men vi vet alla: "idag - i en modell, imorgon - i verkligheten!"

Under klippet finns flera animationer, en kort introduktion till binär logik för de minsta, en kort berättelse om huvudprocessorns logikchips och faktiskt kretsschemat.

Binär logik

Det binära talsystemet (för de som inte är insatta) är ett talsystem där det inte finns några siffror större än en. Den här definitionen förvirrar många tills de kommer ihåg att det i decimaltalsystemet inte finns några större än nio.

Det binära systemet används i datorer eftersom siffror i det är lätta att koda med spänning: det finns spänning, vilket betyder en; ingen spänning betyder noll. Dessutom kan "noll" och "ett" lätt förstås som "falskt" och "sant". Dessutom behandlar de flesta enheter som arbetar i det binära talsystemet vanligtvis siffror som en rad "sanningar" och "falskheter", det vill säga de arbetar med siffror som logiska storheter. För de minsta och de som inte är insatta kommer jag att berätta och visa hur de enklaste elementen i binär logik fungerar.

Buffertelement

Föreställ dig att du sitter i ditt rum och din vän är i köket. Du ropar till honom: "Vän, säg mig, är det ett ljus i korridoren?" Vännen svarar: "Ja, det brinner!" eller "Nej, den är inte på." Din vän är en buffert mellan signalkällan (glödlampan i korridoren) och mottagaren (dig). Dessutom är din vän inte vilken vanlig buffert som helst, utan en hanterad buffert. Han skulle vara en vanlig buffert om han ständigt ropade: "Glödlampan är på" eller "Glödlampan är inte på."

Element "Not" - NOT

Föreställ dig nu att din vän är en joker som alltid ljuger. Och om ljuset i korridoren är på, då kommer han att säga till dig, "Nej, det är väldigt, väldigt mörkt i korridoren," och om det inte är på, då "Ja, ljuset lyser i korridoren." Om du faktiskt har en sådan vän, är han förkroppsligandet av elementet "Inte".

"Eller" -element - OR

Tyvärr räcker inte en glödlampa och en vän för att förklara essensen av "Eller" -elementet. Du behöver två glödlampor. Så du har två glödlampor i korridoren - en golvlampa, till exempel, och en ljuskrona. Du ropar: "Vän, säg mig, lyser åtminstone en glödlampa i korridoren?", och din vän svarar "Ja" eller "Nej." För att svara "Nej" måste naturligtvis alla lampor vara släckta.

Element "AND" - AND

Samma lägenhet, du, en kompis i köket, en golvlampa och en ljuskrona i hallen. På din fråga "Är båda lamporna tända i korridoren?" du får ett "Ja" eller "Nej" svar. Grattis, din vän är nu "jag"-elementet.

Exklusivt eller element - XOR

Låt oss upprepa experimentet igen för "Eller"-elementet, men omformulera vår fråga till en vän: "Vän, säg mig, finns det bara en glödlampa i korridoren?" En ärlig vän kommer att svara på en sådan fråga "Ja" bara om det verkligen bara finns en glödlampa i korridoren.

Huggormar

Kvartshuggorm

Elementet "Exclusive Or" kallas en kvartsadderare. Varför? Låt oss ta reda på det.
Låt oss skapa en additionstabell för två tal i det binära talsystemet:
0+0= 0
0+1= 1
1+0= 1
1+1= 10

Låt oss nu skriva ner sanningstabellen för elementet "Exklusivt eller". För att göra detta betecknar vi den glödande glödlampan som 1, den släckta glödlampan som 0 och kompisens svar "Ja"/"Nej" som 1 respektive 0.
0 XELLER 0 = 0
0 XOR 1 = 1
1 XOR 0 = 1
1 XOR 1 = 0

Väldigt lika, eller hur? Tilläggstabellen och sanningstabellen för "Exklusiv eller" sammanfaller helt, förutom ett enda fall. Och det här fallet kallas "Overflow".

Halvhuggorm

När ett spill inträffar placeras resultatet av tillägget inte längre i samma antal siffror som termerna placerades i. Termerna är två ensiffriga tal (en signifikant siffra, förstår?), och summan är redan ett tvåsiffrigt tal (två signifikanta siffror). Det är inte längre möjligt att förmedla två siffror med en glödlampa (“On”/“Off”). Du behöver två glödlampor. Vi behöver det - vi gör det!

Förutom XOR behöver vi ett AND-element för adderaren.
0 XOR 0 = 0 0 OCH 0 = 0
0 XOR 1 = 1 0 OCH 1 = 0
1 XOR 0 = 1 1 OCH 0 = 0
1 XOR 1 = 0 1 OCH 1 = 1

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

Vår wunderwaffle halvhuggare fungerar. Det kan anses vara den enklaste specialiserade processorn som lägger till två nummer. En halvadderare kallas halvadderare eftersom den inte kan ta hänsyn till överföring (resultatet av en annan adderare), det vill säga det är omöjligt att lägga till tre entydiga binära tal. I detta avseende är det omöjligt att göra en halv-adderare med flera bitar från flera en-bitars halvadderare.

Jag kommer inte att gå in på detaljer om hur full- och multi-bit adders fungerar, jag hoppas bara att du förstår grundidén.

Mer komplexa element

Multiplexer

Jag föreslår att du använder din fantasi igen. Så föreställ dig detta. Du bor i ett privat enlägenhetshus, nära dörren till detta hus finns ditt Brevlåda. När du går en promenad lägger du märke till en främmande brevbärare som står nära denna postlåda. Och det här är vad han gör: han tar en massa brev ur sin väska, läser numret på brevlådan och, beroende på numret på brevlådan, kastar han ett eller annat brev i den. Brevbäraren arbetar som multiplexer. Den bestämmer på ett visst sätt (numret på kuvertet) vilken signal (brev) som ska skickas längs signallinjen (brevlådan).

Multiplexer består vanligtvis endast av kombinationer av element "Och", "Eller" och "Inte". En enbits multiplexor har en ingång som kallas "adressval", två ingångar med det allmänna namnet "ingångssignal" och en utgång, som kallas "utgångssignal".

När 0 appliceras på "adressval" blir "utgångssignalen" densamma som den första "ingångssignalen". Följaktligen, när en 1 appliceras på "select", blir "utgångssignalen" lika med den andra "ingångssignalen".

Demultiplexerare

Men det här fungerar precis tvärtom. För "välj adress" ger vi adressen, för "datainmatning" ger vi data, vid utgången med numret "adress" har vi data från ingången.

Disken

För att förstå hur mätaren fungerar behöver du återigen din vän. Ring honom från köket (jag hoppas att han inte var för uttråkad där, och viktigast av allt, han åt inte all din mat), och be honom göra så här: låt honom komma ihåg siffran 0. Varje gång du rör vid den , ska han lägga till en till numret som du kommer ihåg, säg resultatet och kom ihåg det. När resultatet är (låt oss säga) 3 ska han ropa "Abracadabra!" och svara nästa gång han rör att han nu kommer ihåg siffran 0. Lite svårt? Ser:

Du rör en vän. Vän säger "En".
Du rör en vän. Vännen säger "Två."
Du rör en vän. Kompisen säger "Tre". En vän ropar " Habrahabr!" Kritisk attack! Du är tillfälligt förlamad och kan inte röra dig.
Du rör en vän. Vän säger "Noll".

Tja, och så vidare. Väldigt enkelt, eller hur?
Du insåg naturligtvis att din vän nu är en disk. Att röra en vän kan betraktas som en "timingsignal" eller, enkelt uttryckt, en signal om att fortsätta räkna. Ropet av "Abracadabra" indikerar att det lagrade värdet i räknaren är det maximala, och att nästa klocksignal kommer att ställa räknaren till noll. Det finns två skillnader mellan den binära räknaren och din vän. Först matar en sann binär räknare ut det lagrade värdet i binär form. För det andra: den gör alltid bara vad du säger åt den att göra, och lutar aldrig åt dumma skämt som kan störa driften av hela processorsystemet.

Minne

Utlösare

Låt oss fortsätta att håna din olyckliga (kanske till och med inbillade) vän. Låt honom nu komma ihåg siffran noll. När du rör vid hans vänstra hand ska han komma ihåg siffran noll, och när du rör vid hans högra hand ska han komma ihåg siffran ett. På frågan "Vilket nummer kommer du ihåg?" en vän måste alltid svara med det nummer han kom ihåg - noll eller ett.
Den enklaste minnescellen är en RS flip-flop ("trigger" betyder "switch"). En RS flip-flop kan lagra en bit data ("noll"/"ett") och har två ingångar. Set-ingången (precis som din väns vänstra hand) skriver "ett" till avtryckaren, och återställningsingången (respektive höger hand) skriver "noll".

Registrera

Registret är lite mer komplicerat. Din vän förvandlas till ett register när du ber honom att komma ihåg något, och sedan säger du, "Hej, påminn mig om vad jag sa åt dig att komma ihåg?" och din vän svarar rätt.

Ett register kan vanligtvis lagra lite mer än en bit. Den har nödvändigtvis en dataingång, en datautgång och en skrivaktiverad ingång. Från datautgången kan du när som helst läsa vad som står i detta register. Du kan ange den datainmatning som du vill skriva till detta register. Du kan skicka in data tills du blir uttråkad. Inget kommer att skrivas till registret förrän en appliceras på skrivaktiveringsingången, det vill säga en "logisk".

Skift register

Har du någonsin stått i kö? Det var de förmodligen. Så du kan föreställa dig hur det är att vara data i ett skiftregister. Folk kommer och står i slutet av kön. Den första personen i kö kommer in på kontoret för storskottet. Den som var tvåa i raden blir först, och den som var trea är nu tvåa osv. Kön är så knepig skift register, från vilken "data" (tja, det vill säga människor) kan springa iväg i affärer, efter att ha varnat sina grannar i sin tur. I ett riktigt skiftregister kan "data" naturligtvis inte fly från kön.

Så, ett skiftregister har en dataingång (genom vilken data kommer in i "kön") och en datautgång (från vilken den allra första posten i "kön" kan läsas). Skiftregistret har också en "skiftregister"-ingång. Så snart en "logisk" kommer till denna ingång förskjuts hela kön.

Det finns en viktig skillnad mellan en kö och ett skiftregister. Om skiftregistret är utformat för fyra ingångar (till exempel fyra byte), kommer den första ingången i kön att nå utgången från registret först efter fyra signaler till "skiftregister"-ingången.

Bagge

Om många, många flip-flops kombineras till register, och många, många register kombineras i ett chip, får du ett RAM-chip. Ett minneschip har vanligtvis en adressingång, en dubbelriktad dataingång (det vill säga denna ingång kan skrivas till och läsas från) och en skrivaktiverad ingång. Vi levererar ett nummer till adressinmatningen, och detta nummer kommer att välja en specifik minnescell. Efter detta kan vi vid datainmatningen/utgången läsa vad som skrivs till just denna cell.
Nu kommer vi samtidigt att tillämpa på datainmatningen/utmatningen vad vi vill skriva till den här cellen, och på skrivbehörighetsingången - en "logisk". Resultatet är lite förutsägbart, eller hur?

CPU

BitBitJump

Processorer är ibland uppdelade i CISC - de som kan utföra många olika kommandon, och RISC - de som kan utföra få kommandon, men som utför dem bra. En vacker kväll tänkte jag: det skulle vara fantastiskt om det gick att göra en fullfjädrad processor som bara kan köra ett kommando. Jag lärde mig snart att det finns en hel klass av enkelinstruktionsprocessorer - OISC, oftast använder de Subleq (subtrahera, och om mindre än eller lika med noll, gå då) eller Subeq (subtrahera, och om lika med noll, då gå) instruktion. När jag studerade olika alternativ för OISC-processorer hittade jag webbplatsen för Oleg Mazonka, som utvecklade det enklaste enkommandospråket BitBitJump. Det enda kommandot på detta språk heter BitBitJump (kopiera lite och gå till adressen). Detta förvisso esoteriska språk är Turing komplett – det vill säga vilken datoralgoritm som helst kan implementeras i det.

Detaljerad beskrivning BitBitJump och assembler för detta språk kan hittas på utvecklarens webbplats. För att beskriva processoroperationsalgoritmen räcker det att veta följande:

1. När processorn är påslagen skrivs 0 i PC-, A- och B-registren
2. Läs minnescellen med PC-adressen och spara det vi läser i register A
3. Öka PC
4. Läs minnescellen med PC-adressen och spara det vi läser i register B
5. Öka PC
6. Vi skriver in innehållet i biten med adress A i cellen med adressen skriven i register B.
7. Läs minnescellen med PC-adressen och spara det vi läser i register B
8. Skriv innehållet i register B till PC-registret
9. Låt oss gå vidare till punkt 2 i vår plan
10. VINST!!!

Tyvärr är algoritmen oändlig, och därför kommer VINST inte att uppnås.

Egentligen schemat

Planen byggdes spontant, så rädsla, skräck och kaos råder. Men det fungerar och fungerar bra. För att slå på processorn måste du:

1. Mata in programmet i RAM
2. Tryck på knappen
3. Ställ räknaren på position 4 (detta kan göras i hårdvara, men kretsen skulle bli ännu mer besvärlig)
4. Aktivera klockgenerator

Som du kan se används ett register, ett skiftregister, ett RAM-chip, två binära räknare, en demultiplexer (representerad av komparatorer), två multiplexorer och lite ren logik.