9 лет назад 26 августа 2009 в 15:31 60

В общем идиллия царит в мире интересующихся высокими технологиями. И было бы крайне неэтично с нашей стороны рушить их пасторальную реальность.
Свободно ориентироваться в архитектурных изысках, скажем, Nehalem похвально. Вдвойне похвально в любых жизненных ситуациях помнить разрядность какого-нибудь Intel 80186. Но и это, оказывается, не предел для человека с интеллектом. Обзоры, ТТХ, сравнительные анализы – все это безумно прекрасно, но ведь, как ни крути, а камень – он и есть камень.

Кремний
Представляете, сколько может получиться кремния для производства процессоров и другой электроники из одной такой пустыни…

И сколько бы пядей ни насчитывали лбы инженеров-электронщиков, какими бы гениальными ни казались те или иные схемы на бумаге, в реальной жизни работоспособность любой техники в первую очередь зависит не от продуманности, а от материалов. Итак, всех нежелающих признавать значимость столь «низменного» фактора просьба перелистнуть несколько страниц. Вниманию же остальных предлагается захватывающий опус о «камне» всех камней – кремнии. Что известно широким массам об этом замечательном элементе и о его роли в компьютерной индустрии? Вопрос риторический, так как, если честно, что-то мне подсказывает, что познания большинства обывателей о кремнии ограничиваются единственным, хотя и весьма важным фактом: кремний есть. Однако хотелось бы напомнить и о других качествах этого часто упоминаемого на страницах нашего журнала элемента. Итак, все, что вы хотели узнать о кристаллах кремния, но боялись спросить… Поехали!

О чем не расскажут мерчендайзеры
Первый вопрос, который может возникнуть у, так скажем, в меру просвещенного человека, это кому вообще пришла в голову мысль совать в сложное вычислительное устройство какие-то камешки? На личности, предположим, переходить необязательно, ну а вот понять это как раз таки и не помешало бы. Поскольку большинству читателей вступительные в технические вузы уже не грозят, предлагаю не просто удовлетвориться умным объяснением, а по возможности его осмыслить. Для этого давайте разберемся в устройстве процессора на «материальном» уровне, отодвигая, насколько это возможно, в сторону все, что касается его архитектуры. Итак, процессор – это не что иное, как совокупность несметного множества транзисторов. И вот уже первое умное слово. С охотой или без оной вспоминаем или узнаем: транзистор – это устройство, предназначенное для преобразования электрических колебаний. Если говорить на общедоступном языке, то эта штука (применительно к CPU) представляет собой переключатель сигналов. А какие сигналы могут быть в процессоре? Абсолютно верно: 0 и 1, они же «выкл.» и «вкл.», они же «нет тока» и «есть ток». Других благо не дано. И все становится до обидного просто.

Кремний

Чаще всего в современных процессорах применяются униполярные (они же полевые) МОП-транзисторы. Эти три загадочные буквы скрывают за собой довольно пугающую современного, взращенного в тепличных условиях дружественных интерфейсов пользователя электротехники. «Металл-оксид-полупроводник»-транзисторы одним названием красноречиво объясняют свое устройство. Этакий трехслойный сэндвич, состоящий из металлического «затвора», отделенного диэлектриком от полупроводниковой «подложки». Электроны или места под них (так называемые дырки) текут от электрода истока к электроду стока, которые располагаются в двух крайних слоях транзистора. Между ними ютится затвор, который регулирует напряжение тока, идущего по каналу от истока к стоку. Благодаря тому, что металлический затвор отделен диэлектриком от подложки, в недрах которой и разворачивается весь этот процесс, потребляемая мощность элемента снижается.

Вот, собственно, здесь сценарием и предусмотрено неожиданное и долгожданное появление главного героя опуса. Итак, кремний, как известно, является полупроводником. К полупроводникам в числе прочих принято относить те элементы, сопротивление которых резко падает при повышении температуры (вспоминаем, что сильный нагрев металлов, напротив, сопровождается увеличением удельного сопротивления). Можете вздохнуть спокойно, ибо думаю, что на этом с физикой мы на сегодня покончим. Теперь стоит вкратце описать, как появляются на свет «камни» процессоров. На высокотехнологичных заводах в высокотехнологичных помещениях, где не то что муха не пролетит, а даже каждая пылинка состоит на учете, высокотехнологичные роботы наносят на круглые кремниевые заготовки диэлектрик (например, двуокись кремния SiO2). Затем все те же роботы покрывают диэлектрик светочувствительным составом.

Заготовка накрывается специальным трафаретом, и под действием очень сильного облучения незащищенные участки состава удаляются. После этого вытравляется и открывшийся абстрактно-узористый SiO2. Теперь самое время смыть остатки непроницаемого состава. Далее на поверхности заготовки создаются дополнительные рельефные слои из разных материалов и напыляются все необходимые металлические проводники. Ну и дело за малым – остается лишь нарезать заготовку, расфасовать по защитным корпусам кристаллы, протестировать получившиеся процессоры на специальном стенде и отправить на упаковку удачные сэмплы. Вот такая вот ювелирная работа, справиться с которой может только холодный и во всех смыслах расчетливый искусственный разум железных «работяг».

О чем умолчат производители
Итак, почему в центральном процессоре необходимо присутствие полупроводника, более-менее разобрались. Но вы будете, несомненно, правы, если заметите, что кремний отнюдь не единственный полупроводник, доставшийся нам от щедрот Того, кто все это придумал. Почему же именно silicium? Производители чипов, вероятно, изменили бы сами себе, если бы первостепенной причиной повсеместного использования кремния не была бы его чрезвычайно широкая распространенность. Как показывает опыт самой разной деятельности человека, способствующей скорейшему загрязнению планеты, в первую очередь разработчики выжимают все до последней капли из самых легкодоступных материалов. В принципе это весьма логично и практично. Навыков производства на заре появления той или иной технологии у инженеров, понятное дело, кот наплакал, но это ведь явление временное. Тогда как переход на альтернативные материалы означает второй дубль с нуля (ну а кому хочется казаться на том или ином поприще парализованным пингвином, когда можно спокойно и с достоинством наслаждаться лаврами гуру «классической» технологии?).

Однако не одним количеством на душу населения берет кремний. Одно из его принципиально важных свойств – стабильная работа кристалла при температурах до 150 °С. Относится это, правда, исключительно к технически чистому кремнию (содержание собственно вещества в таком кристалле составляет порядка 95-97%). Свойства таких подложек предсказуемы в указанном температурном диапазоне, что и обеспечивает ощущение надежности. И все бы хорошо, когда б не сложности, с которыми сталкиваются желающие получить этот самый технически чистый кремний. Несмотря на пятидесятилетний опыт, есть цифры, которые продолжают шокировать. Кремниевые заготовки на заводах, производящих процессоры, представляют собой тонкие круглые диски по 30 см в диаметре.

На одной такой пластине умещаются несколько сотен кристаллов ЦП (озвучиваю очень приблизительное количество, так как площадь самих камней разнится в пределах от 1 до 2 см2). При этом на этапе отбора рабочих кристаллов в лучшем случае от одной заготовки остается 10-20 чипов, остальное – на выброс. И именуется все это гордым словосочетанием «налаженная технология производства». Вот так-то. К слову сказать, в России тоже пытались «наладить производство» технического кремния. Однако судьба этого благого начинания в стране, где разработкой микроэлектроники занимаются всего два завода, оказалась печальнее даже судьбы отечественного автопрома. На этом мы покончим с непатриотичными замечаниями и вернемся к международным успехам и неудачам процессоростроителей.

Пополню коллекцию риторических вопросов. Почему в восьмидесятые-девяностые, когда канцелярское сокращение «ЭВМ» только начало перерождаться в дружелюбную аббревиатуру «ПК», мысли об альтернативных подложках если и появлялись, то исключительно в самых буйных головах? Ну, если даже сейчас на соотношение работоспособных и общего количества произведенных кристаллов скорее влияют «лунные сутки», нежели действия разработчиков, то в те далекие времена кроме всего прочего еще более несовершенными были и технологии нанесения на кремний всех полагающихся металлических узоров. Именно в ту пору была придумана закономерность, которая нынче известна как закон Мура.

Один из отцов-основателей мегакорпорации Intel, создатель великого закона Мура, товарищ Гордон Мур, предположил, что в течение тридцати лет количество транзисторов на кристаллах процессоров будет увеличиваться примерно вдвое каждые полтора года. Давайте сравним: первый удачный проц, разработанный на основе кристалла кремния (я говорю о i8086), располагал 29 000 транзисторов. Эта модель изготавливалась с использованием технологии 3 мкм, иными словами, минимальный размер активных областей транзисторов составлял эти самые 3 микрометра. Сегодня на рынке представлены ЦП, изготовленные по 65- и 45-нанометровой технологиям. Количество транзисторов, к примеру, первых Nehalem-ядер составляет 731 млн. Толщина кремниевой подложки при этом – всего несколько сотен атомов. Цепочка несложных умозаключений наводит на мысли, что очень скоро наступит не очень прекрасный момент, когда уместить большее количество транзисторов на кристалл станет просто физически невозможно. Апокалипсисом попахивает, не правда ли?.. Более того, так как производительность процессоров напрямую зависит от размеров транзисторов (чем они меньше, тем меньше потребляемая мощность и выше рабочие частоты), напрашивающаяся мысль о том, что эффективность камней конечна, не может не ужасать.

О чем и не мечтают потребители
В общем-то только боязнь очень скоро исчерпать весь потенциал кремниевого камушка и заставляет инженеров-технологов думать над альтернативными вариантами кристаллов центрального процессора. Итак, что же мы имеем на сегодняшний день? Во-первых, плод совместных трудов разработчиков Intel и IBM – растягиваемый (a.k.a. «растянутый», или «напряженный») кремний. Этот материал способен растягиваться как в длину, так и в ширину. На первый взгляд, непонятно, что он может дать процессорной индустрии. Во всяких миниатюрных и в то же время гибких устройствах такой полупроводник, вероятно, был бы очень кстати, но что он привнесет в мир «непрогибающихся» процев? А вот это мы сейчас и постараемся понять.

Вернемся к строению транзисторов. Электричество от истока к стоку течет по так называемому каналу. Обычный кремний, имеющий довольно плотную кристаллическую структуру, имеет не самую знатную пропускную способность. Его сопротивление, в свою очередь, существенно снижает КПД транзистора. Если же заменить обычный кремний в канале его немного растянутым собратом, плотность кристаллической решетки уменьшится, снижая вместе с тем и сопротивление. Производительность гибкого транзистора на 30% выше производительности элемента на базе обыкновенного кремния. Эта технология уже применяется в процессорах, изготовленных по 65- и 45-нанометровой технологиям, однако разработчики не отрицают, что со временем от гибких транзисторов можно будет добиться еще более высокой эффективности.

Во-вторых, намечается тенденция использования стекла в качестве подложки (в то же время не будем забывать, что стекло – это тоже отчасти кремний…). Компания Sharp (совместно с Semiconductor Energy Laboratory) работает над несколько утопической идеей создания компьютеров и телевизоров, состоящих из одной только ЖК-панели. Инженеры порядочное время занимаются развитием технологии CGS (Continuous Grain Silicon), обеспечивающей уже на данном этапе в три раза большую электронную проводимость, чем в обыкновенных кремниевых полупроводниках.

В 2003 году разработчики явили миру первый стеклянный процессор, выполненный по 3- и 4-микронной технологиям. Такой прогресс воображение, прямо скажем, не поражает, но с идейной точки зрения представляет интерес. Этот стеклянный «мозжечок» получил название Z30. Тактовая частота представленного на первой пресс-конференции 8-битного сэмпла составляет 3 МГц. Еще одна занимательная концепция, которая может быть полноценно реализована уже в ближайшее время, – нанесение всех необходимых интегральных схем (помимо процессора имеются в виду модули памяти и контроллеры) на одну стеклянную подложку. Видимо, именно таким представляют себе компьютер будущего японцы. По сути, дело за малым: заставить стекло догнать и обогнать «кремни»…

Есть еще одно здравое соображение, которым руководствуются многие инженеры, мечтающие об альтернативных, да к тому же еще и эффективных подложках. Замену одному полупроводнику довольно логично искать среди других полупроводников; и вариант, который приходит на ум в первую очередь, – это германий. Переходная технология реализуется в процессорах компании AMD, производимых с начала 2007 года. «Разносторонность» этих камней не может не удивлять: разработчики умудрились в одном кристалле соединить германий, кремний обыкновенный и кремний растягиваемый.

Совершенно необходимо отметить, что «укрощение» германия сопровождается определенными проблемами. Если кремний ведет себя закономерно в приемлемом температурном промежутке, то германий начинает поражать своей оригинальностью и непредсказуемостью на отметке порядка 65 °С. По этой причине на рынке до сих пор нет ни одного чисто германиевого кристалла, способного стабильно работать на тех же частотах, что и «современный» кремний. В упомянутых процессорах AMD (от которых, безусловно, не отстает и Intel) германий играет следующую сугубо техническую роль: по краям заполненного растягиваемым кремнием канала между стоком и истоком ставятся германиевые фрагменты, которые по природе своей имеют большую кристаллическую решетку, нежели кремний. Гибкий камень, в свою очередь, натягивается на германий, расширяясь таким образом. Ну а по недрам «раздвинутого» полупроводника, как следствие, много свободнее перемещаются электроны.
И тем не менее все вышеперечисленное – это технологии ближайшего будущего и дорогостоящего настоящего. Теперь обмолвлюсь парой слов о материалах далекого будущего (как известно, для высоких технологий и десять лет – уже срок, сопоставимый с вечностью).

Товарищи из Intel и QinetiQ бьются над примесными полупроводниками. Один из вариантов – антимонид индия. Возвращаясь к теме врезки о токе в полупроводниках, отмечу, что индий – трехвалентный элемент, то есть ток в подобном веществе имеет дырочный характер. Проблемой опытных образцов на базе этого кристалла является, как и в случае с германием, небольшой температурный режим. Поиск достойного «дебага» целиком на совести инженеров компаний. «Материалом будущего» может стать обыкновенный графит (а точнее, одна из его разновидностей – графен). Рабочий слой толщиной всего в один атом обладает стабильностью при довольно существенном температурном разбросе. К тому же его пропускная способность в десять раз больше, чем аналогичный показатель кремния. Замечательное свойство графеновых транзисторов заключается в том, что их производительность существенно увеличивается обратно пропорционально размерам.

Диоды, триоды и rock-n-roll
Небольшое лирическое отступление. Те из вас, кто любит помузицировать на досуге, наверняка уже вспомнили о ламповых процессорах / преампах. И правильно сделали, что вспомнили. У педалей спецэффектов, позволяющих выжимать из дохлых «недогибсонов» китайского пошиба самый что ни на есть металличный звук, не так уж мало общего с тем же Core i7, как могло бы показаться неискушенному техноманьяку. Принцип действия абсолютно тот же, только вместо транзисторов в субъективно наиболее смачных гитарных препроцессорах используются диоды (триоды и т. д.), обладающие аналогичным свойством. А вот каким… Палками не бейте, но уж очень хочется еще самую малость углубиться в физику.

В простейших электрических цепях (такие хоть раз в жизни доводилось рисовать даже тем, для кого blond не просто природный цвет волос, а стиль жизни) ток всегда постоянный. Настоящей электронике такое положение вещей не очень свойственно. Наибольшее распространение получили источники переменного тока. Диод (триоды, тетроды, пентоды – частности занятные, но для нас не очень актуальные) состоит из двух электродов: положительного анода и отрицательного катода. Ток в цепи, как известно, обеспечивают свободные электроны. Электроны, опять-таки, по логике вещей, движутся туда, где их манят противоположно заряженные частицы, то бишь положительные протоны. Таким образом, если подключить катод диода к отрицательной клемме источника, ну а анод к положительной, то все законы жанра будут соблюдены, и ток потечет. Если же пренебречь здравым смыслом, и подсоединить отрицательный электрод к плюсу, тогда как положительный к минусу, то кина, как говорится, не будет. Теперь вернемся к источникам переменного тока.

«Переменные» они недаром: в них с течением времени изменяется направление движения электронов в цепи. Таким образом, если внедрить диод в подобную цепь, мы получим те же два состояния, 0 и 1, в силу периодического изменения тока. Для самых стойких еще одно замечание из раздела теоретических основ электроники, на этот раз, опять-таки, о преампах. Существуют как цифровые, так и аналоговые «спецэффекты». Принципиальная разница заключается в используемых транзисторах / лампах. Аналоговые препроцессоры, которым отдают предпочтение большинство профессиональных музыкантов, работают в основном на триодах и биполярных транзисторах, которые не страдают «максимализмом» диодов и МОП-транзисторов. Описанная схема в полной мере относится к последним двум элементам, тогда как «музыкальные лампы» не знают примитивной двоичной системы счисления, а обеспечивают тотальный контроль над силой тока и напряжением.

Ток в полупроводниках
В различных транзисторах ток может быть обусловлен передвижением как отрицательных зарядов, так и положительных. И дело все вот в чем. Атомы кремния, к примеру, имеют на своих орбитах по четыре электрона. Сосуществуя в непосредственной близости, электроны, находящиеся в ведении одного атома, начинают взаимодействовать с электронами соседних атомов. Когда вещество нагревается до некоторой сравнительно невысокой температуры, связи со «своим» атомом нарушаются, и образуются свободные электроны, которые и являются «разносчиками» тока в полупроводнике. Это явление называется собственной электропроводностью вещества.

Когда же в чистый кремний или другое подобное вещество добавляют примеси, предельно допустимая сила тока получившегося кристалла увеличивается. Если атомы примеси обладают большей валентностью, чем атомы полупроводника, то это способствует тому, что при увеличении температуры освобождается большее число электронов. Если же в примеси электронов меньше, то дело приобретает несколько иной оборот. Во-первых, интуитивно понятно, что отсутствие на орбите отрицательного заряда эквивалентно наличию в этом же месте плюса. А во-вторых, у атомов есть такое замечательное свойство – стремиться заполнять свои орбиты, насколько тому благоприятствует природа (смайл). Таким образом, электроны близлежащих атомов полупроводника занимают дырки примесей. Перемещаясь, они образуют новые дырки на своих бывших орбитах, которые, в свою очередь, притягивают электроны других атомов и т. д… Вот и получается, что в таких полупроводниках ток появляется за счет передвижения положительно заряженных «частиц», так и называемых в науке и народе – «дырками».

Эпилог
Во-первых, хочется надеяться, что все добравшиеся до эпилога читатели согласятся, что вникание в «материальное» устройство процессора взрывает мозг не хуже, чем разбор архитектур. Во-вторых, надо все-таки отдать должное кремнию: специалисты Intel прогнозируют, что «камень» окончательно уйдет на заслуженный отдых лет через 15. Вероятно, его роль в электронике при всем желании переоценить нельзя. Во что с течением времени превратятся нестройные ряды пока еще «зародышей» альтернативных процессоров, и представить себе страшно. И вероятно, нам с вами логичнее всего расслабиться и просто наблюдать за отчаянными метаниями инженеров-технологов ближайшие полтора десятка лет…

Никто не прокомментировал материал. Есть мысли?