Лекция 1. Элементной базой современных ЭВМ являются полупроводниковые приборы

Элементной базой современных ЭВМ являются полупроводниковые приборы. Поэтому первые 3 лекции будут посвящены физике полупроводников. Следующие 3 лекции касаются построения неких узлов ЭВМ, которые используют полупроводниковые приборы. Имеется в виду память, системный блок и т.д. Следующий цикл лекций касается принципов работы устройств, которые находятся, грубо говоря, вне системного блока. Т.е. принципы отображения информации, мониторы и т.д.

Немного об истории:

Первые вычислительные машины появились где-то в XVIII в. Первой машиной, которую мы знаем, была машина Лейбница – примерно 1754 г.

Конец XVIII – начало XIX вв. Это время характеризуется бурным развитием естествознания. К этому моменту появляется теория электромагнитного излучения (теория Максвелла), открыта радиоактивность.

1920 г. – была создана электронная лампа. С появлением электронной лампы появилась возможность генерировать и обрабатывать электрические сигналы, передавать их на большие расстояния. Это революционный момент в развитии электронной техники. Революционных моментов на самом деле не так много. Фактически это электронные лампы и полупроводниковые приборы. Как только была открыта лампа и появилась возможность генерации и обработки сигнала, стала развиваться теория цепей. Это распространение сигнала по всяким цепям, генерация всевозможных электрических сигналов, передача их на большие расстояния и, наконец, обработка сигналов, т.е. стало понятно, как дифференцировать и интегрировать сигналы и проводить с ними довольно сложные математические операции. В принципе все было готово для того, чтобы приступить к созданию ЭВМ. Но нужно было решить принципиально 2 момента. Нужно было сделать так, чтобы для элементной базы, в частности для электронной лампы, было бы характерно:

а) надежность

б) повторяемость результата

Нужно было по сути дела развить технологию изготовления ламп, которые удовлетворяли бы этим условиями и наладить производство этих ламп. Понятно, что решение таких проблем требовало денег и довольно больших. Откуда они появились? Начало 40-ых г.г. Единственное ведомство, которое было заинтересованно – это военное ведомство. Оно дало деньги на решение этих проблем.

И в 45г. появилась первая ЭВМ. Элементная база: электронно-вакуумные лампы и реле. Количество элементов: 18 000 ламп и12 000 реле. Быстродействие: 360 операций в сек. Объем памяти: порядка 1 КБайт. Потребляемая мощность: 150 кВт.. Размеры: 10x15 м². Масса: 30 тонн. Цена: $500 000. Время безотказной работы: примерно 30 – 60 мин.

Но надо сказать, что процесс пошел непрерывно.

В 44 г. появился первый обычный биполярный транзистор. При внедрении транзисторов в вычислительную технику меняются элементные базы, принципы работы. Но нужно было пройти те же стадии: нужно было решить проблемы надежности и повторяемости результата и проблему изготовления. Но трудности для решения этой проблемы стали гораздо выше. Полупроводник характерен тем, что у него проводимость существенно зависит от примесей. Полупроводник германий, как правило, не рассматривают, поскольку у него очень сильная зависимость от температуры. Проводимость кремниевого полупроводникового материала зависит от примеси, которая в нем содержится. Поэтому проблем, которые возникли в связи с производством полупроводниковых приборов, было несомненно больше, чем проблем, которые возникли при решении аналогичной задачи для электровакуумных приборов, поскольку нужно было научиться

а) создавать сверхчистый материал.

б) внедрять известное количество примеси. Это такие примеси как бор, мышьяк.

Это более тяжелая задача, поскольку она требует соответствующего развития химии.

Принципиальный момент наступил где-то в 60-м. г., когда фирма Intel объявила о создании первой интегральной схемы. Когда речь идет об интегральной схеме, речь идет о том, что создается не отдельный полупроводниковый прибор, а создается некоторая логически законченная схема. Скажем дешифратор и т.п. вещи. Когда собирается устройство на электронных приборах, то речь идет в первую очередь о надежности. Если посмотреть, чем определяется надежность, то оказывается, что ситуация такова: Во-первых, есть надежность элементов ( сопротивления, полупроводниковые приборы, лампы и т.д.). на нее конечно влияют какие-то внешние факторы. И второй момент: электронные приборы соединяются между собой, и оказывается, что надежность элемента существенно выше, чем надежность соединения. Поэтому если мы делаем интегральную схему, то количество соединений уменьшается, и повышается надежность. Но принципиально ничего не меняется. Причем, когда появились интегральные схемы, Мур сделал такое заявление: "каждые полтора – два года количество элементов, которые содержатся в интегральной схеме, будет удваиваться". Это так называемый закон Мура. О том выполняется он или нет, мы поговорим чуть позже. Интегральная схема дает возможность увеличить надежность и значительно снизить стоимость. Эти два момента сыграли в пользу интегральных схем.

Ясно, что в принципе интегральная схема может характеризоваться количеством транзисторов, которые содержатся на ней. В этом смысле сначала говорили о интегральных схемах, потом о БИС (Больших Интегральных Схемах), которые содержат много больше элементов, потом СверхБИС, ну и наконец забыли об этом, поскольку практически все интегральные схемы на самом деле относятся уже к разряду ЭксБИС. Т.е. количество транзисторов, по крайней мере, > чем 10⁶ в этой интегральной схеме.

Для того чтобы получить какой-то надежный транзистор или интегральную схему с заданными параметрами необходимо иметь чистый материал. Из полупроводников в данный момент используется кремний, хотя это не единственный полупроводниковый материал. Вопрос не только в чистоте исходного материала. Кремний – либо это монокристалл, либо поликристалл. Поликристалл не годится для этой цели, нужен монокристалл. Монокристалл характерен тем, что его физические свойства в определенных направлениях являются постоянными. Полупроводник, который легируется примесями, может быть либо, так называемого, p-типа, либо n-типа.

Подготовка образца:

Выращивается монокристалл кремния в виде такого цилиндра.

Диаметр 10-30 см. Длина порядка 1м. Далее этот цилиндр режут на отдельные тонкие слои.

Диаметр 10-30 см. Толщина порядка 400-600 мкм. Далее эти образцы в обязательном порядке полируют. Оптическая полировка приводит к тому, что поверхностный слой очень сильно портится.

Далее в полупроводник нужно вводить примеси. Есть 2 процесса, которые позволяют вводить примеси в любую кристаллическую решетку:

1) Диффузия – проникновение атомов одного вещества в другое. Мы имеем твердое тело с заданной кристаллической решеткой. Атомы в твердом теле двигаются. Скорость атомов примеси может быть такой, что она внедряется, естественно только в поверхностный слой. Т.е. глубина проникновения мала, она зависит от температуры и скорости проникновения. Но, тем не менее, мы можем в вполне определенный слой ввести эти примеси. Это процесс, который очень сильно зависит от температуры и очень слабо контролируется. Т.е. точное количество примеси ввести достаточно сложно.

2) Ионная имплантация. Первое, что необходимо сделать - получить ионы примеси, которую мы хотим внедрить в полупроводник. Это просто сделать, поскольку есть химические соединения, в которые входят данные материалы как ионы. Поскольку ион заряжен, то это частица, которая может двигаться и ускоряться в электрическом поле. Далее надо поместить эти ионы в электрическое поле, очень сильно ускорить их и направить на решетку. Т.е. ситуация такова: есть ускоряющее напряжение, и ионы, которые ускоряются, просто бомбардируют подложку. Скорость может быть значительно выше, чем при диффузии при нагреве. Там температура определяет их скорость, а здесь температура может быть не очень высокой, а главное – электрическое поле: чем больше электрическое поле, тем больше скорость. Преимущество: можно очень точно контролировать количество примеси потому, что, если мы имеем источник ионов, и ионы движутся, это означает, что есть электрический ток, а если есть электрический ток его можно контролировать очень точно. Если мы контролируем электрический ток и время – мы контролируем заряд, который прошел по цепи. Заряд = количество ионов, которое внедрилось * заряд иона. Используется, когда нужна такая точность.

Следующий необходимый для изготовления интегральных схем процесс – процесс, который носит название окисление. Окисление – соединение вещества с кислородом. SiO₂ – окись кремния – кварц. Кварц – очень прочный материал, который почти не поддается травлению. Чтобы кремний окислялся нужно иметь кислород, который не должен содержать примесей потому, что неконтролируемая примесь – это плохо. Нам нужно иметь чистый кислород или чистую воду, которая при высокой температуре разлагается на кислород и водород. Для того чтобы происходила реакция кислорода с кремнием, нужна, как правило, высокая температура.

SiO₂ – прозрачный материал. Нужно наносить какие-то тонкие слои этого материала. Встает вопрос контроля толщины наносимого слоя. Это важный момент потому, что кварц используется как в технологическом процессе, так и для того, чтобы изолировать отдельные элементы друг от друга. Очень хороший изолятор. Если пленку освещать белым светом, то по интерференционной картине можно точно контролировать толщину.

SiO₂ можно получить по-другому – осаждением (конденсацией) из пара. Если мы имеем пар какого-то вещества, то, вообще говоря, он может конденсироваться на подложке, поскольку она более холодная, чем пар, и покрывать эту подложку. Например. Можно получить пары металла алюминий. Для этого нужно взять алюминий, нагреть его, он расплавится и будет испаряться. И если мы имеем какую-то подложку, более холодную, чем этот металл, то пары алюминия будут осаждаться, и мы тем самым производим металлизацию, т.е. нанесение металла на кремний. Аналогично можно взять пары других веществ и таким образом осадить их на подложку. При осаждении паров на поверхность кремния качество слоя очень сильно зависит от той температуры, при которой идет этот процесс. Например, если мы возьмем газ, содержащий Si, мы можем на кремний нанести еще слой того же кремния. Если температура подложки низкая, то кремний на подложку осаждается не в виде монокристалла, а в виде поликристалла, т.е. мелких кристалликов, которые ориентированны хаотически. Если же мы имеем высокую температуру подложки, то мы имеем так называемый эпитаксиальный рост. Т.е. слой кремния, нанесенный таким образом, является монокристаллическим, и повторят ту структуру, на которую он напыляется.

Мы перечислили основные процессы, которые применяются при изготовлении интегральных схем.

А как же производить обработку не всей подложки, а какой-то вполне определенной области кристалла? Фотолитография – процесс изготовления фотошаблона. Нужно каким-то образом нарисовать картинку с изображением области, над которой будет производиться операция, а все остальные области полупроводника закрыть. Есть так называемый фоторезист – это органическое вещество, которое обладает следующим свойством: Фоторезист растворяется водой, но если его облучить светом, то та часть, которая подверглась облучению, становится нерастворимой в воде. Если спроецировать на кремний како-то рисунок, то если смыть, все освещенные области будут покрыты резистом, а все остальное – нет. Если далее мы используем процесс нанесения на кремний SiO₂ за счет осаждения из пара, то наносится слой SiO₂ на все области. Если далее мы резист смоем, допустим, кислотой какой-нибудь, то вместе с резистом смоется тот слой, который напылен на резист, а тот слой, который напылен на чистый кремний, остается. Фотошаблон дает возможность выделить вполне определенную область, которая подвергается обработке.

Если производится введение примеси, обрабатывается вся поверхность. Тогда перед тем, как его проводить, нужно все области, на которые не надо проводить введение, покрыть SiO₂ , и в незащищенные области происходит диффузия или имплантация примеси. Процесс изготовления происходит послойно. Схема растет, как бы, вверх. Каждый слой обрабатывается своим образом. Поэтому, если мы хотим сделать интегральную схему, сначала нужно придумать схему, потом в соответствие с этим разработать послойную топологию, и далее начать изготовление.

Топологический размер:

Топологический размер – минимальный размер полупроводника, который может быть подвергнут обработке. Чем определяется этот минимальный размер? Нужна безусадочная пленка – это первое. Диаметр образца, над которым будет проводиться операция, скажем, 30 см., то, как правило, топология, т.е. этот слой, рисуется очень больших масштабов (метр на метр). Далее за счет того, что у нас есть оптика, которая позволяет очень точно проецировать, это уменьшается. Второй момент, который необходимо иметь в виду, нужны системы, которые позволили бы очень точно совмещать эти шаблоны, потому что если второй шаблон сместить относительно первого, то все пойдет насмарку. Когда речь шла о законе Мура, вставал вопрос: а где принципиальное ограничение? Топологические размеры в первых микросхемах были порядка несколько мкм.

Как сформировать на фотошаблоне какой-то объект размером в 1 мкм? Это можно сделать оптикой. Белый свет можно сфокусировать с помощью линз. Какой минимальный размер точки, которую можно сфокусировать? Для белого света это будет очень большое пятно. Нужно использовать монохроматическое излучение, скажем, лазерное излучение. Тогда минимальный размер сфокусированной точки будет порядка l, где l – это длина волны. Поэтому если лазер (красный) с длиной волны 0,63 мкм, значит это порядка 0,6 мкм. Ультрафиолетовое излучение – излучение с длиной волны меньше 0,4 мкм.. Но есть еще гамма - излучение, у которых длина волны очень короткая. В конечном счете, есть электроны, с помощью которых можно задавать эту топологию. Принципиально важно следующее: если говорить о первых интегральных схемах, то выход годных интегральных схем был не очень большой - где-то порядка 10 %. Контроль и исправления в процессе производства позволили резко увеличить выпуск годных микросхем. Все технологические проблемы рано или поздно могут быть решены. Фотошаблон не определяет топологический размер. В данный момент у выпускаемых процессоров топологический размер 0,12 – 0,13 мкм.

Каковы принципиальные ограничения топологического размера? Диффузия: Если соединить 2 материала. Если расстояния между ними малы, то будет происходить диффузия. Возьмем полупроводник. p-n-переход. Это означает, что есть полупроводник р типа и n типа. Толщина их очень маленькая. Через некоторое время произойдет диффузия, и транзистора как такового не будет. Не будет резкого p-n-перехода. Как это можно оценить? Есть температура, при которой работает микросхема. Она важна потому, что, чем выше температура, тем выше скорость молекул и тем больше диффузия. Года полтора тому назад японцы сделали транзистор, у которого топологический размер 50 нм. (= 0,05 мкм.). Заставили его работать при высокой температуре, и он работал нормально. Поэтому принципиальные ограничения есть и оценить их точно сложно. Скорее всего

при 1 – 10 нм. Полупроводник будет еще работать.

Насколько справедлив закон Мура?

1981 IBM PC 29 тыс. транзисторов

1982 80286 130 тыс.

1985 80386 275 тыс.

1989 486DX 1,2 млн.

1993 Pent 3,1 млн.

1995 Pent Prо 5,5* 15,5 млн. (в том числе и кэш)

Можно нарисовать график и посмотреть:

Когда речь идет о полупроводниках, речь идет о следующем: Можно сделать элементную базу на так называемых биполярных полупроводниках – это полупроводники, которые состоят из полупроводника р типа и полупроводника n типа. С них все начиналось. Их сейчас нет в вычислительной технике. У них есть свои преимущества и свои недостатки. Кроме того, есть транзисторы КМОП (CMOS) . Это полупроводник принципиально другого плана. Он характерен тем, что в отличие от биполярного :

1) он требует на свое изготовление гораздо меньше площади

2) статическая потребляемая мощность значительно меньше

Наивысший уровень интеграции наблюдается в микросхемах памяти.

Технология, о которой мы говорили, сначала была развита для биполярных транзисторов, потом для CMOS транзисторов.

Какие еще могут быть улучшения с точки зрения улучшения качества. Для того, чтобы сделать топологический размер 50 нм. берут не просто кремний, берут так называемый напряженный кремний – кремний, в котором уменьшают явление диффузии. С точки зрения скорости: Кремний не самый быстрый материал. Есть материалы с точки зрения быстродействия на порядок выше кремния.

Если посмотреть структуру ЭВМ. Был такой принцип построения – есть ЦП, есть шина, на которую все устройства повешены. Это имеет свои преимущества. Шина определяет быстродействие. Доступ к шине долгий – в результате быстродействие падает в десятки раз. Можно ли от этого избавиться или нельзя? Вопрос в следующем: можно ли при том подходе, который есть ввести некую возможность соединения каждого с каждым? Где самое слабое место микросхемы? На слое, на котором миллион транзисторов, нужно каким-то образом произвести соединение этих элементов. Т.е. должны быть слои, которые осуществляют связь. Количество слоев, которое может быть не большое, поскольку увеличение этих слоев приводит к очень плохому тепловому режиму микросхемы. А слои металлических соединений не могут пересекаться. Поэтому вопрос состоит в том, что нужно переходить к устройствам, которые осуществляют связь другим способом. Это только оптика. Световые лучи могут распространяться, пересекаясь и доставляя информацию туда, куда нужно. Вопрос состоит в том, что нужно внедрять некоторые новые оптические элементы вместо тех, которые есть.