Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Микроэлектроника для школьников от самого истока / Habr

Несколько лет назад довелось мне попробовать свои силы в заманивании пытливых отроков в разработку микроэлектроники. А дальше было, как в известной пословице: «Коготок увяз — птичке пропасть!» Остановиться уже не смог. Хочу поделиться с общественностью этим опытом, возможно, другие инженеры-электронщики тоже захотят устроить что-то подобное. Грамотнее народ – лучше жизнь.

Началось все с того, что мы почти случайно договорились с Межрегиональной компьютерной школой в подмосковной Дубне о проведении для их слушателей чего-то вроде лекции о проектировании микропроцессоров. Тема эта известна мне не понаслышке, два десятка лет в ней варюсь. Довелось поработать и в отечественных, и в зарубежных фирмах. Ну и почему бы подросткам не рассказать, в чем состоит работа инженеров, выдумывающих внутренности «процов». Это не среди таких же зануд на конференции выступать — перед детьми просто оттарабанить текст не получится. Если им будет совсем не интересно, то плевать им на почетные седины, блистательные лысины и надутые щеки. Будут зевать, не стесняясь, и ерзать на стульях в надежде сбежать поскорее. Но есть и плюсы — всякие вольности, шутки, неточности и упрощения не вызовут негодования и требований сжечь еретика-докладчика. В общем, судя по количеству вопросов в процессе общения, первый блин вышел не комом, стало интересно двигаться дальше.


А дальше после подобного занятия со школьниками и преподавателями уже в лагере Goto Camp возникла идея дать попробовать детям самим собрать на макетке разнообразные «запчасти» для процессоров и пощупать их вживую. Благо в лагере среди разнообразных программистов было и логово робототехников, у которых можно было разжиться микросхемами, проводами, светодиодами и кнопками. Такой подход в тысячу раз лучше, чем разглядывать схемы и диаграммы на бумаге. Увидеть своими глазами, как нолики и единицы бегают внутри схемы, потыкать в логические вентили пальцем — что может быть надежнее для освоения материала. А то они программируют свои микроконтроллеры, как черные ящики, вообще не представляя, что у тех внутри шуршит. И даже ПЛИСы не решат задачу сделать электронику наглядной. Ну, написал ребенок на Verilog'е логическую функцию, ну, закачал ее через программатор внутрь — результат тот же, вся логика скрыта в недрах микросхемы. Поэтому — только вентили. А еще лучше — транзисторы.

Набор «рассыпухи», доступной в лагере на момент озарения, был небогатым. Но главное — он был. Нужно было на этой базе придумать нечто, что могло призывно мигать лампочками или чем-нибудь жужжать. Ситуация осложнялась тем, что я провел теоретическую беседу о микропроцессорах и уехал к себе домой за 50 км от лагеря. То есть я был тут, а детали — там.

Поэтому с одним из преподавателей пришлось устроить сеансы телеэлектроники. Я придумывал схемы, рисовал их на промокашках и пересылал фотографии ему. А он пытался разобрать эту клинопись, собрать ее на макетке и добиться правильной работы. Описывал мне результат в ответных сообщениях, а я старался определить причину неполадок и глюков, чтобы их устранить. Удивительно, но в итоге все же нам удалось победить две схемы: дешифратор адреса и мультиплексор. Еще не было ясно, как это понравится детям, но уже было что им показать.

В лагере был устроен опрос, есть ли желающие посетить уже не лекцию, а семинар с лабораторкой на тему работы внутренностей цифровых чипов. Нашлась дюжина отважных пятнадцатилетних, которым не страшно было попробовать понять материал, который, между прочим, на третьем курсе института обычно рассказывают. Сразу было ясно, что из изложения надо к черту исключить ТТЛ, ЭСЛ и прочие замшелые типы логики, которыми профессура конопатит мозг студням. Только КМОП, только мейнстрим! На свой страх и риск включил туда объяснения принципов работы МОП-транзисторов в цифровых схемах. Но без физики полупроводников и прочих ужасов.

Здесь лирическое отступление в адрес тех, кто ругает современную молодежь за лень и глупость. Пусть они не бухтят, вот что. Нормальная у нас молодежь, не слушайте старых ворчунов, парни и девчонки. Лирическое отступление окончено.

Дети так ловко схватывали материал, после объяснений и примеров смело выходили к доске, установленной прямо на лужайке под открытым небом, и рисовали по таблицам истинности вентили на транзисторном уровне — это было прекрасно. Потом вместе на этих вентилях мы «изобрели» сумматор, дешифратор и мультиплексор. А после этого — тадам! — преподаватель и добрый волшебник Алексей вынес макетки с результатами наших с ним телемучений. Это вызвало некоторый ажиотаж среди слушателей — можно потрогать руками то, что только что рисовалось на доске фломастерами, и понажимать кнопки, наблюдая за переключением светодиодов на выходах. Лучшая реплика при этом была: «Ааааа, теперь я понял, куда подевались почти все провода из лаборатории!»

После этого дети задали много вопросов по электронике. На них мне, к счастью, хватило квалификации ответить. Кроме одного: «А где почитать про то, что вы рассказывали?» А ведь и негде. Старые советские книжки, по которым мы паяли свои цветомузыки и радиоприемники, устарели с точки зрения «цифры». Институтские буквари своими формулами отобьют всякое желание изучать электронику. Есть прекрасная книжка Харрисов, но там нет экспериментов на макетке. Есть отличные наборы компонентов с макетками, но там обычно нет подробных объяснений, как все эти устройства работают. Опять пришлось уезжать с чувством, как будто что-то не доделал.

Как известно, если тебя не устраивает то, что есть, не ной, а сделай сам, как считаешь нужным. Пришлось засесть за написание и издание учебно-практического курса для толковых школьников. Для этого, конечно, потребовалось купить детали, макетку, провода и начать играть в работу дома. Внезапно это оказалось страшно увлекательно.

Вот, например, игра «кто быстрее» на двух МОП-транзисторах:

Мы эту игру потом собрали на печатной плате с младшеклассником, и она вызвала живой интерес у его школьных товарищей, которые целую неделю на переменах азартно жали кнопки, отложив смартфоны в сторону. Кто там говорит, что детей от телефонов за уши не оттащишь? Ну а герой паяльника и канифоли потребовал придумать что-нибудь еще, чтобы можно было поразить товарищей.

А вот это — вентиль XOR (исключающее ИЛИ) на дюжине транзисторов:

А вот это D-триггер, срабатывающий по уровню (триггер-защелка). На нем прекрасно отрабатываются идеи запоминания и хранения данных:

Разобравшись с работой всех видов логических вентилей на транзисторном уровне, можно перейти уже к микросхемам малой степени интеграции серии CD4000. Никаких чудес и магии в их работе уже не будет после возни с транзисторами на макетке. Вот, например, полный сумматор:

А вот, не поверите, макет оперативной памяти. Он, конечно, убогий — четыре регистра по два бита. Но это честная память с дешифраторами адреса, битовыми шинами, запоминающими ячейками и прочими узлами и проводами, в каждую точку которых можно ткнуть щупом логического пробника и по загорающимся и гаснущим светодиодам увидеть беготню нулей и единиц по схеме, разобрать в деталях процессы чтения и записи данных.

Всего в новом варианте курса для летней школы насчитывается три десятка схем, развлекательных и образовательных, которые последовательно от одного транзистора до десятка микросхем помогают детям узнать цифровую электронику, даже не умея программировать.

В общем, нынешним старшеклассникам точно по зубам освоение премудростей проектирования компьютерного железа с самого низкого уровня. Нет там ничего такого, что недоступно пытливому уму при современных компонентах и возможностях. Есть надежда, что удастся расширить и углубить пропаганду микроэлектронных ценностей среди населения.

habr.com

Зеленоград - Интервью - Микроэлектроника для «чайников»: Технологический процесс производства интегральных схем. Особенности материалов, оборудования, специфики современного техпроцесса

В студии Zelenograd.ru Сергей Ранчин – начальник кристального производства завода "Микрон".

- Мы поговорим сегодня о кристальном производстве – сердце микроэлектронного производства. Можно так сказать?

- Да, потому что всё полупроводниковое производство именно там, где рождаются сами чипы с интегральной схемой, начиная от исходной пластины и до пластины с кристаллами. Все дальнейшие манипуляции – это уже выход изготовленного кристалла до своей конечной цели.

- А почему производство "кристальное"? Мы знаем, что такое кристаллы в природе, а что такое кристаллы в микроэлектронике?

- Первое, научное объяснение – пластина монокристаллическая. Это часть большого кристалла, порезанная на части. Она имеет определённую кристаллическую структуру, и на этой монокристаллической пластине мы формируем интегральные схемы. И все манипуляции, соответственно, мы совершаем с кусочком кристалла. Ну, а традиционно американское название "чип" - оно ближе к слову "кристалл" - кристальное производство подразумевает под собой это. То есть, "чип" и "кристалл" это идентичные названия. Фактически, я начальник производства чипов. Если брать английскую аббревиатуру - director of chip production.

- Естественно, ваше кристальное производство - часть большой технологической цепочки. Что поступает к вам "на вход"? C точки зрения материалов, каких-то технических заданий? Какие именно чипы делать? Что это такое?

- Мы обеспечиваем один из самых важных процессов в формировании интегральной схемы, но далеко не единственный. Начало – это целая промышленность – производство исходных материалов. Если брать непосредственно историю Зеленограда, то раньше был завод "Элма", который занимался выращиванием исходного поликремния. А поликремний получается из обычного кварцевого песка, то есть практически мы работаем с исходным материалом, с песком. Из песка получается поликремний, из поликремния уже пластины, которые нарезаются и поступают к нам в производство.

- То есть, к вам уже поступает нарезанная пластина?

- Да, это исходная пластина, отполированная, с минимальным, считанным количеством дефектов (идеального, безусловно, ничего нет). Дальше все манипуляции с пластиной – это уже непосредственно моё производство.

- Помимо пластин, есть некое дизайнерское решение: что это будет за чип, какие действия он будет выполнять?

- Изначально в основе всего лежит технология. Это формирование в объеме активных и пассивных элементов, на основании которых, создавая электрические схемы с определёнными параметрами, можно делать какие-то конечные устройства. В начале нашего процесса на соответствующей монокристаллической пластине по определённым правилам, так называемой "технологии", с использованием определённого оборудования и определённых операций, формируются активные и пассивные элементы, которые потом соединяются в электрическую схему.

- По сути дела, ваша задача – сформировать электрическую схему на пластине?

- Моя задача создавать условия и чётко, жёстко выдерживать параметры в процессе этого производства. Потому что формально, меняя только комплект шаблонов и рисунок, мне всё равно, что выпускать: сложные изделия, карточку для метрополитена или сим-карту, карту памяти и т.д. Последовательность операций ровно такая же для всех, меняется только комплект шаблонов, рисунок.

- Можно сказать, что это чертёж электрической схемы?

- Дизайн.

— То есть, грубо говоря, если я открою сейчас какой-нибудь старый телевизор, то там будет большая плата с кучей элементов. Вы, фактически, делаете то же самое, только в маленьком кристалле? Я помню, к старым электронным устройствам прилагались огромные "простыни" со чертежами электрических схем. Такой чертеж поступает к вам "на вход", в некоем компьютеризированном виде?

- Совершенно верно, процесс дизайна именно такой. Из пассивных элементов, или из блоков, мини-плат или уже готовых мини-устройств, триггеров, счётных устройств, процессоров компонуется электрическая схема, точно такая же, как на чертеже дизайна. После этого по определённым описанным правилам проектирования, я как изготовитель, гарантирую, что всё запланированное на бумаге, я выведу в конечном продукте.

- То есть, вы эти правила проектирования передаёте сначала дизайнерам, и они уже работают с этими правилами, зная что их задумки, возможно где-то безумные, всё равно будут реализованы вашим производством.

- На основании базовых элементов. Располагается всё от простых элементов – к сложным. Простые элементы – это транзисторы, резисторы, конденсаторы – какие-то пассивные элементы, емкости тоже, в интегральном исполнении. Специальный отдел снимает с них так называемые "спайс-параметры", и дальше преобразует их в те самые правила, по которым собираются эти электрические схемы. Дизайнеры берут эти правила, и на основании них могут формировать так называемые "design kit": это уже блочные элементы, например – интерфейсную плату, память, какие-то генераторы, блоки взаимодействия, коммутации. Следующий этап – создать из этих блоков определённую схему.

- Некую реально работающую схему…

- Да. И действительно, зачастую люди далёкие от микроэлектроники спрашивают: "Что такое микроэлектроника, "минимальный размер", ну, какая разница: 0.18 микрон – 90 нанометров? Что это такое?". Действительно, все видят платы, зелёненькие-синенькие в сотовых телефонах или компьютерах - как правило, люди больше с ними общаются… Телевизоры редко кто разбирает, а телефон у многих падал и разбивался – проще объяснить. На этой плате много различных элементов. Чем выше уровень технологии – тем меньше размер, тем в меньшем размере все эти элементы можно реализовать. Чем "круче" технология – тем меньше размер, тем более миниатюрное устройство с большим функционалом на той же самой единице площади можно сделать. Таким образом определяется и эффективность – пластина одна, а можно сделать одного и того же устройства на этой пластине по разным технологиям разное количество.

- То есть чип сам по себе будет дешевле?

- Конечно. Дешевле и конечное устройство. Но можно и по-другому подойти – он будет стоить столько же, а работать будет в четыре раза быстрее.

- Или меньше энергии потреблять…

- Да. Или больше функционала нести в себе.

- Насколько я понимаю, так же "на вход" поступают всевозможные химические реактивы.

- Не только химические, зачастую и различные материалы – "мишени"…

- Ну, всевозможные расходные материалы.

- Да, причём требования к ним достаточно чистые, специальные, которые образуют целое производство. Почему говорят, что микроэлектроника – это такое направление, которое за собой тянет несколько других. Раньше это называлось "градообразующее", сейчас говорят "которое за собой тянет развитие в других областях".

- Говорят, что одно рабочее место в микроэлектронике создаёт десять в других областях.

- Примерно так, да. Потому что для обеспечения этого выпуска нужно притягивать и химическую промышленность и производство, естественно это производство зависит от уровня технологического оборудования, машиностроения.

- Пластины перед тем как запустить в производство, насколько я понимаю, вы загружаете в эти специальные оранжевые SMIF-контейнеры и дальше они уже оттуда людьми не достаются?

- Мы их не просто загружаем, мы их еще и однозначно идентифицируем специальной лазерной маркировкой. Например, в чём уникальность билетов – в том, что всегда можно проследить его историю, потому что на каждом этапе мы фактически подписываем каждый чип. Есть разные принципы построение "чистой комнаты". Наша "чистая комната" под проект 180-90 нанометров использует так называемую "SMIF-технологию". В основном, чтобы сэкономить на инфраструктуре, на обеспечении чистоты, потому что любая пылинка несёт в себе поражающий фактор и, попадая на пластину, выводит из строя ваше функциональное устройство. И если оно у вас очень сложное, то цена вопроса намного больше. Если у устройства много чипов на пластине, то попадание одной пылинки на один из восьмидесяти тысяч кристаллов, наверное, не так страшно. А если их всего сто, то цена вопроса – один процент минимум.

- В этом СМИФ-контейнере маленькая "особо чистая комната"?

- Да, она особо чистая. Есть так называемые "классы чистоты". Там создан класс чистоты фактически 0.00-сколько-то там единиц, естественно, в пересчёте на кубический метр. Это допустимо – идеального ничего нет, к сожалению. Таким образом, мы, во-первых, экономим, во-вторых – это дополнительная защита от загрязнений, повышение процента выхода годных пластин.

- Что происходит с пластиной, когда она уже загружена в SMIF-контейнер?

- Много чего происходит. Все операции делаются последовательно, нельзя никакую операцию пропустить, иначе на выходе мы ничего годного не получим. Если брать по-крупному, таких операций около трехсот, а если детализировать каждую операцию, каждую манипуляцию с пластинами, это либо перемещение, либо нанесение какого-то одного из слоёв, потому что есть композитные материалы, где несколько раз обрабатывается пластина, то таких операций свыше трех тысяч. Все они делаются последовательно, и если у вас есть какая-то накопленная ошибка, то она дальше действует как усилитель.

- Три тысячи разных типов операций или три тысячи операций, которые делаются с пластиной?

- Три тысячи операций, которые делают с этой пластиной, чтобы на выходе получить годное изделие – чип, готовый к корпусированию.

- А сколько разных именно типов операций?

- Они сгруппированы, на каждую операцию выписан отдельный рецепт на установку, который забит и отрабатывается уже не на рабочих пластинах, а зачастую на спутниках. Потому что цена отработки на рабочих пластинах, конечно, очень велика. Например, на 2999-й отрабатывать пластину, на которой сделал столько операций, наверное, бессмысленно. Смысл есть, но очень дорого. Поэтому всё это отрабатывается на спутниках, на специальных пластинах. И у нас, более того, это подтверждается каждый раз, то есть мало того, что процесс один раз разработан, он еще должен воспроизводиться изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Таким образом, мы подтверждаем качество всех этих процессов. Все процессы мы сгруппировали на восемь основных направлений. От восьми до одиннадцати, с разной степенью детализации: процессы фотолитографии, плазмо-химического травления, жидкостной химии и травления… ну, диффузии сейчас уже нет как таковой, но мы уже традиционно называем высокотемпературную обработку диффузией, и, соответственно, высокотемпературными отжигами. CVD – это английская аббревиатура – осаждение диэлектрических или металлических плёнок из газовой фазы. PVD – это напыление на пластины металлов, различных проводящих металлических плёнок. Далее, безусловно, метрология, потому что с определённой периодичностью на маршруте мы должны контролировать, подтвердить, что все предыдущие операции сделаны качественно. Должны подтвердить непосредственно качество каких-то критических процессов – это либо толщина диэлектрика, осаждённого или окисленного, или померить размеры фотолитографии, совпадают они или нет. И два последних процесса – это ионная имплантация и химико-механическая полировка. Если брать по-крупному, то формально это все процессы, которые сейчас у нас есть. На 90 нанометров, которые будут у нас реализованы, будет еще медная металлизация, там будет дополнительное оборудование, это электро-химическое осаждение меди из жидких реагентов.

- В чём заключается основной принцип, благодаря которому вы делаете трёхмерную структуру на кремниевой пластине?

- Принцип в том, что на пластину наносится рисунок, на фотолитографии, дальше с этим рисунком делаются различные манипуляции. Каждый слой несёт в себе определённый функционал. Либо делается активная область, либо рисунок активных элементов, проводников, или - есть такое понятие – обкладки конденсаторов, затворы транзисторов, переходные или контактирующие окна между двумя слоями, соединяющие два слоя, например, разводки, или активной структуры. То есть элементы создаются и в объёме пластины и на её поверхности. Примерно, вся структура составляет до шести микрон в глубину пластины и примерно столько же – шесть микрон и даже больше, в зависимости от функционала и сложности, на поверхности.

- Я правильно понимаю, что фотолитография заключается в том, что вы какие-то участки закрываете, грубо говоря, а то, что осталось протравливаете?

- Да, там разные есть элементы, но принцип примерно такой. Почему это называется фотолитография: на пластину наносится фоточувствительная плёнка, специальный фоторезист, нужна определённая равномерность её нанесения, с ней необходимо провести определённые модификации, дальше шаблоном формируется рисунок. Позитив-негатив – всё точно так же, как в обычной фотографии. И в зависимости от того, какой тип фотолитографии, шаблона и фоторезиста, формируется либо негативный рисунок, либо позитивный. После этого всё отправляется в проявитель – всё как в фотографии – засвеченные или, наоборот, защищенные места, растворяются в этом проявителе. Таким образом, формируется фоторезист. Он обладает интересными свойстами: он достаточно устойчив к плазме, и несет в себе вязки для проникновения, например, ионной имплантации атомов, которые там полегируются. А после этого идёт модификация, как я сказал, либо это травление по этой маске, то есть все слои, которые внизу, плазмой будут потравлены либо до определённого слоя, либо на определённую глубину. Соответственно, так же с фоторезистивной маской, пластины могут пойти в ионную имплантацию. Ионная имплантация – это когда считанное количество атомов определённого вещества разгоняется (чистого - у нас там сепаратор стоит) до определённой энергии и проникает в поверхность на определённую глубину, из-за того, что она обладает энергией, набирает скорость. Она упирается, бьётся в пластину и проникает на определённую глубину. Таким образом, достаточно точно можно регулировать количество атомов, примесей и глубину их проникновения.

- То есть вы меняете химические свойства вещества в строго определённом месте?

- Не химические свойства, а свойства непосредственно самого атома.

- Да, само вещество меняется.

- Да, само вещество из газовой фазы разгоняется. Если старую физику вспомнить, сейчас уже, наверное, не так это актуально, а когда мы учились, старые телевизоры, электронно-лучевая трубка, поток электронов: две пластины, приложением различного напряжения можно разогнать их до разной скорости, соответственно, если приложить пластины по пучку, то разная масса отклонится на разный уровень. Таким образом, можно очистить весь пучок от других примесей и выделить, посчитать примерное количество.

- Полетит только то, что нужно.

- Полетит только то, что нужно и туда, куда нужно. А "туда, куда нужно" обеспечивается вот этой маской. В маске они застревают, не проникают в глубину фоторезистивной пластины, а в открытые участки пластины они проникают и формируют активную область.

- А вот этот фотошаблон, который используется в фотолитографии, он что из себя представляет чисто физически?

- Физически это очень сложное устройство. По проекту 90 нанометров, это - произведение искусства. Иногда один шаблон – это стекло размером примерно 157 на 157 миллиметров, толщиной порядка 6 микрон. На нём нанесен этот рисунок. Напыляются различные металлы, такими же методами фотолитографии, лазерами, различными способами формируется этот рисунок. Это стекло, через которое идёт поляризованный свет. Но так как там уже есть различные оптические эффекты, эффекты близости двух элементов и так далее, то выглядит это немного не так, как рисунок. Это можно сравнить с искусством Дали, где из мелких фрагментов формируется общая картина. Дали использовал именно оптические эффекты, в том числе близости, для того, чтобы формировать такие сложные элементы. Сейчас это действительно произведение искусства, которое стоит приличных денег, порядка 15000 евро стоит один шаблон.

Из себя он представляет обычную стеклянную пластину, но она еще закрывается пеликлами, чтобы пыль не попала, или если и попала, то не так была критична. Фактически это стекло…Стёклышко с рисунком, но произвести его очень сложно.

- Стёклышко непростое. Вы уже упомянули существующие на "Микроне" 180 нанометров, 90 нанометров, а также существующие на других производствах 65, 45 и т.д. Я знаю, есть технология 22 нанометра. Вы сказали, что разница в том размере элементов, которые можно создать на пластине. А где предел, где всё это остановится? Я имею в виду традиционную кремниевую технологию.

- Я думаю, что никто не сможет сказать, где всё это остановится. Давно уже, 25 лет назад, велись споры о том, какая будет фотолитография, рентгеновская или лазером будем рисовать, а не на шаблонах… Всё определяется, в-основном, доступностью материалов и экономикой. Кварцевый песок – наиболее доступный на нашей матушке-земле материал. Я думаю, его возможности далеко не исчерпаны. Сейчас уже 22 нанометра заявляют, Intel первый – 32 нанометра запускает, дальше идут разработки уже 18 и т.д. Я думаю, здесь скорее будет вопрос о технологиях и оборудовании, которое будет использовано для этого, а не с точки зрения каких-то новых материалов. Ближайшие 10-15 лет кремний будет и дальше хорошо существовать.

- То есть, технологических ограничений нет, я правильно понимаю?

- Изобретут, наверное, какой-нибудь трехмерный транзистор, который уже будут в глубине выращивать.

- Кстати, о трёхмерных выращиваемых транзисторах. Я видел такие станки – фактически трёхмерные принтеры, которые печатают по трёхмерной модели некие произвольные формы. Из пластиков каких-то это делают… А в микроэлектронике можно так делать?

- Пока нет.

- Это перспективная технология или наоборот, она не подходит?

- 3D-принтеры в основном используются для того, чтобы ощутить, посмотреть на то, что изобрели, не просчитались ли, сопоставить две детали, как они друг к другу подходят и т.д. А здесь, возможно, так как мы уже сейчас работаем с атомарными слоями, 21 ангстрем – это уже слой из считанного количества атомов – дальше уже больше проблем будет как это оценить, посмотреть, померить, попробовать, а не с тем, как это изготовить.

- Вопрос метрологии, наверное?

- Да. Вот почему сейчас еще на диаметр пластин 450 мм еще никто не перешел – хотя, в-общем, логично – чем больше диаметр, тем выше эффективность. Очень дорого. И приостановилась микроэлектроника где-то на десять лет, сейчас уже пошли первые приборы, которые позволяют вот такие здоровые "блины" контролировать. И производители говорят, что да – следующий уровень уже не за горами. А что будет дальше – возможно какие-то материалы, какие-то различные объёмные вещи, объемный транзистор, может быть, даже будет какая-то новая элементная база. Если сейчас мы пользуемся транзисторами "КМОП" технологии и биполярными, старыми, то я не исключаю, что будет какой-нибудь квантовый…

- Что-нибудь придумают.

- Какой-нибудь новый активный элемент, который будет делать несколько состояний. Если сейчас они позволяют состояния "включён-выключен", то, может быть, это будут какие-то многомерные.

- Возвращаясь непосредственно к производству, от "входа" до "выхода" в среднем, сколько времени проходит?

- В среднем мы ориентируемся - поставили себе такую задачку - выйти на среднее время в два месяца.

- Два месяца одна пластина крутится там, внутри "чистой комнаты"?

- Да.

- Так долго?

- Я бы сказал по-другому: "Так быстро?"

- То есть, если я сейчас приду к вам со своим заказом и скажу: "Мне завтра нужен чип", то вы скажете: "Извини, нет – два месяца".

- Со своим дизайном, да, безусловно. Никто в мире таких сроков вам не даст. Даже, если вы придёте со своим комплектом шаблонов. Скажем так, это среднее время, не средняя температура по больнице, но среднее время, потому что есть супер-быстрые партии, так называемые "горячие" партии, есть обычное производство, а есть "как получится". Некоторые могут и месяцами изготавливаться, если это что-то очень сложное, где нужно каждый процесс контролировать и т.д. Есть у нас такие научные разработки.

- Когда мы общались до эфира, я сравнивал ваше производство со сборкой автомобиля, но сейчас я вижу, что его, наверное, можно сравнить со строительством какого-то большого, сложного здания, где нужно ждать пока бетон застынет и т.д. Просто по технологии быстро не сделаешь.

- В принципе да. Минимальное время, если убрать перемещения пластин, выстроить всё это на огромный конвейер, где на входе чистые пластины, а на выходе продукт. Человека мы не используем, всё настроено идеально и т.д. Просто физический цикл, хотя перемещения всё равно какие-то будут, короткие, без участия людей… Это где-то от 8 до 11 дней.

- Всё равно долго.

- Если подключать человеческий фактор, минимальное достижимое время – не у нас, правда, у нашего партнёра – 18 дней. Мы можем за месяц. То, что ранее я сказал за два месяца, мы можем отдельной партией сделать за месяц. Но это будет к партии приставлен человек, который всё это отслеживает и сам перемещает.

- Персональный менеджер.

- Да, безусловно. Потому что фактически три тысячи операций, семьдесят единиц оборудования, можно посчитать, сколько каждое оборудование делает. Простая математика может подсчитать количество перемещений…

- Да, просуммировать и получить те самые два месяца. Тем более, если всё это так долго, то возрастает цена ошибки. Мы уже об этом немного поговорили о том, как происходит тестирование. Получилась у нас в итоге пластина, она годная, все лампочки "зелёные", дальше как-то проверяется, что на самом деле всё хорошо?

- Безусловно. Есть два вида тестирования. Третий – испытание на надёжность, подтверждение качества, об этом я сейчас не буду говорить. А про первые: в определённых местах на каждой пластине, для максимального охвата, например, пять точек или двенадцать или сорок восемь, существуют специальные тестовые элементы. Они представляют из себя набор простейших транзисторов, тех самых, которые мы даём дизайнерам, для изначальной разработки и говорим: "Ребята, если по этим параметрам вы используете эти элементы с такими-то параметрами, то у вас на выходе будет годное изделие". Мы эти параметры закладываем в тестовую ячейку, сравниваем с тем, что должно получиться, плюс-минус, естественно, определённые отклонения. И по критериям годности, а это, как правило, из пяти точек допускается только одно некритичное отклонение. То есть это будет одна область, с которой возможно что-то не так. Снижение процента выхода годных. Вот по такому критерию мы говорим, что да – пластина годная.

- То есть, вы не тестируете все чипы? Вы тестируете, фактически, где-то рядом, тестовые элементы на незадействованных участках?

- Да, и после этого можем сказать, что пластина прошла весь технологический цикл и на ней элементарные элементы годные. Потому что есть еще ошибки дизайна…

- За которые вы не отвечаете, да?

- Так как у нас производство всё в целом, то ошибка дизайна это в том числе и наш просчёт.

- Кристальное производство не отвечает, я имею в виду.

- Формально да. Вот мы сделали, мы гарантируем, что – элементарные элементы находятся в определённых параметрах и, косвенно, мы говорим о том, что всё что сделано на этих элементарных элементах, если вы просчитали правильно схему, должно быть рабочим.

- Но в итоге, если вы признали годной пластину, то на ней все чипы годные или нет?

- Нет, нет, потому что здесь мы не учитываем поражающий фактор вот этих дефектов.

- Та самая пылинка, которая куда-то может упасть?

- Да, возможно она не попала на тестовый элемент, потому что тестовый элемент это по отношению ко всему элементу процент или доля процента. После этого пластина не уходит с "Микрона". Дальше, на каждой интегральной схеме есть контактные площадки, к которым присоединяются проводки, по которым подаются управляющие сигналы и питание, и, в зависимости от входного воздействия, должен получиться определённый выходной сигнал. После этого мы передаём пластину в наш тестирующий цех, он называется у нас "отдел разработки и измерений". Там на зондовых установках к каждому контактируемому чипу "иголочками" (потому что там есть площадки 60 на 60 микрон, стандартные – 80 на 80), "приконтачивается" специальное контактирующее устройство, подаются входные импульсы, питание, меряются определённые параметры, которые говорят о том, что эта микросхема годная. Если она не годная, то на старом производстве некоторые потребители просят "закапать" его. Иногда берешь изготовленную пластину, а она в мелких чёрных точечках. Это значит, что микросхема забракована. Делается это потому, что когда дальше это всё разрезается, компьютер – у него "глаз" – распознаёт точку и не берёт её, а берёт только годные кристаллы. Есть другой вариант, где мы померяли и сразу в компьютере пометили координаты этого места или номер этого дефектного чипа. Дальше автомат, без распознавания, по определённой программе разбирает эти чипы. Годные он либо укладывает в кейс, либо ставит в изделие, в корпус или на билет.

- Вы уже упомянули то, что присутствие людей, перемещение контейнеров, например, отнимает достаточно много времени – больше половины. Почему нельзя убрать людей?

- В целом, убрать людей можно. На больших фабриках с большим объемом продаж всё перемещение пластин осуществляется, в основном роботами, специальной транспортной системой. К SMIF-контейнеру приделан небольшой пейджер или мобильный телефон, который сам связывается с оборудованием, когда он пришёл, смотрит маршрут и так далее. Это очень большие затраты на автоматизацию и не все фирмы этим пользуются.

- У нас пока люди дешевле?

- Не то, что дешевле… Дело в том, что если бы производили, к примеру, полмиллиона пластин в год, тогда это имело бы смысл. А мы производим от полутора до трех тысяч пластин… Чтобы было понятно, вся эта система автоматизации стоит десятки миллионов долларов, это сравнимо с вложениями в основное оборудование. Это вопрос не технический, а больше экономический.

- Скажите, а что это за люди, которые занимаются, скажем так, не очень интеллектуальной работой - берут контейнер из одного места и несут в другое; или это всё-таки специалисты высокого класса?

- Это делают операторы и это не такая уж монотонная работа, не просто с одного места на другое перенести. Нужно еще выбрать рецепт, что тоже большая ответственность, потому что люди несут в себе ошибку. Человек в конце смены, к примеру, устал…

- Человек хуже пылинки – пылинка один чип испортит, а человек сразу весь контейнер.

- Совершенно верно, да, именно поэтому здесь ситуация делится на элементарные операции, но они могут быть достаточно сложны, в том плане, что человек обслуживает не одну установку, а десять. Естественно, он должен подходить со знанием дела. К тому же ему делегировано принятие определённых решений, если мы говорим про простых операторов, не про инженеров. После того, как сделал процесс, он сравнил результат с тем, который должен быть и может принять определённое решение – отправлять партию дальше или оставить её.

- Тем не менее, он работает по определённому алгоритму, да?

- Абсолютно. Причём, чем жестче алгоритм и чем более четко человек следует правилам, этому алгоритму, тем процент пригодных лучше. Недаром все большие системы, "Тойота" и так далее, всё это создано в Японии. Ими придуманы "Just in time", "kanban" и так далее, 5S, все эти системы. Интересный пример – ни в Африке, ни в Южной Америке, включая Латинскую, полупроводникового производства, как правило, нет. А в Азии – в Сингапуре, Малайзии и т.д. – они есть. Там люди немного к разным вещам предрасположены. Микроэлектроника это вещь больше такого плана – чёткого следования определённым алгоритмам. А вот разработка этих алгоритмов, последовательностей этих операций – это очень интересная работа, и там как раз необходимы инженеры.

- А зарплата на кристальном производстве высокие?

- Зависит опять же от отдачи. Цифры варьируются в районе тысячи долларов. Есть и плюс, есть и минус, естественно. Есть и существенный плюс, но существенного минуса нет.

- У вас есть некие ресурсы, есть скорость и, соответственно, объём производства, есть качество. Что здесь можно улучшить? Вот, на примере вашего производства.

- Улучшаться должно всё в комплексе, другого пути нет. Если улучшаешь что-то одно…

- Так бывает?

- Задача улучшить весь этот треугольник – быстро-качественно-дешево. Или дорого, наоборот, можно разные поставить вершины. Можно, например, просто сделать фабрику по перемалыванию пластин. Делать всё очень быстро, но на выходе не иметь ничего…

- Я говорю о реальности, реально ли сейчас что-то улучшать?

- В реальности, безусловно. Не мы, во-первых, всю эту цепочку разрабатывали. Мы покупали технологию на ST Microelectronics. Естественно, первое - это внедрение и адаптация этой технологии для наших российских условий. Потому что за пятнадцать лет - большое отставание возникло. Я даже не знаю с чем сравнить, но уже люди немного отвыкли в этом работать, тяжело было найти персонал. Не включая тот, который вернулся из-за рубежа, плюс те, кто работает на "Микроне". Но подходы уже поменялись: совершенно новые системы качества, подход к анализу ошибки, анализу и принятию решения и т.д. Безусловно, существуют методики и определённые процедуры, по которым всё это делается, даже любое улучшение должно по ним проходить. У нас есть цикл PDSA: планируй, делай, контролируй, анализируй и т.д. с обратной связью. Он всегда есть, его никто не отменял. И идёт это всё так, как я сказал. Если мы хотим улучшить какой-то процесс или убрать какое-то количество операций, сократить что-то, модернизировать, то первое: это либо мозговым штурмом, либо как-то еще подготавливается это решение, обсуждается, и, если решение принимается, то делается на какой-то маленькой части, либо на части маршрута. Так называемые short loop-ы. На коротком участке мы моделируем то, что может произойти и какой эффект это принесёт с точки зрения экономии материала, времени и т.д. Если это дало нужный эффект, то мы можем запустить какую-то пилотную серию – взять часть рабочих пластин. Не все 25, не полностью весь SMIF, а какие-то определённые пластины. Если это дало эффект, то дальше мы запускаем так называемый "прототип". Еще одна особенность микроэлектроники, если прототип проходит испытания, то мы обязательно должны "валидировать" это всё у потребителя. Например, те же самые билеты или электронный паспорт. Я еще не упоминал один момент – подтверждение надёжности изделий. Билет или электронный паспорт, например, должны храниться десять лет. Испытывать десять лет и ждать пока она валидируется нет возможности.

- Как на компакт-дисках пишут "пожизненная гарантия" или "вечная гарантия", а проверить нельзя.

- Да, примерно так. Поэтому существуют определённые методики. Например, нагреть её, создав, таким образом, какие-то жёсткие условия, которые могут с ней произойти в течение этих десяти лет и посмотреть, как изменились параметры, насколько они деградировали. Можно ли после этой деградации опять ею пользоваться, несёт ли она в себе ту же информацию, которая и была зашита. У нас есть такое оборудование и методики.

- Вы их сами уже на месте разрабатываете, что-то улучшаете?

- Часть мы получили из ST, а часть мы уже сами сделали.

- Самое главное, что резервы есть для улучшения и вы этим занимаетесь.

- Безусловно, всегда есть, даже на том же самом ST. Зависит еще от того, что все хотят сделать гигантский шаг, но чтобы он не явился результатом пинка. Поэтому нужно идти большими шагами и сразу всё сокращать, но тогда можно перейти в фабрику по перемалыванию пластин.

Можно идти по другому пути. Например, ST вышел на определённый уровень – два месяца. Или, если определить количество фотолитографий, то нормальный уровень это одна фотолитография – микроцикл, последовательность - в день. Если у нас, к примеру, два дня, а мы будем решать: "Ребята, наша цель 1.2 дня". То люди, которые достигли уже уровня 1, они говорят: "Так, в этот год наша цель – 0.995". И такими путями они идут, потому что чем меньше этот шажок, до определённой границы, тем больше возможны глобальные инвестиции. То, что я говорил – перемещения роботами и т.д. Дальше уже оценивается стоимость, разумность этого шага, к чему это приведёт.

- Такая творческая, интересная работа. Есть и операторская работа, есть работа и творческая, интересная.

- Абсолютно. На Западе, и, в принципе, у нас тоже, этой работой занимаются, люди постоянно создают "кружки качества". Самый большой объем информации, который может проводить улучшения, идёт с рабочего места. Тот же оператор, который перемещает пластины из одной емкости в другую – он кладезь идей для того, чтобы провести улучшения.

- То есть, такие рацпредложения, как были в советское время, они у вас востребованы?

- "Рацпредложения" - это очень страшное слово, потому что ими анализировалось только несколько параметров – "сделать пятилётку за три года" или сразу шагнуть куда-то там в космос. А здесь именно поступательными движениями, не навредить и т.д. Скорее, "разумные предложения". Потому что слово "рациональные", оно попадает именно в этот треугольник…

- В завершении беседы не могу не спросить, как у вас идёт сейчас модернизация производства с 0.18 микрон на 90 нанометров? В планы укладываетесь, всё нормально?

- В этом году уже первые результаты есть, пока мы их не афишируем, сейчас мы ждём подтверждения от ST – от нашего партнёра. Мы уже на существующих линейках, на той части оборудования, которую мы поставили, уже сделали образцы 90 нанометров. По нашим планам, это новая "чистая комната" под дополнительное оборудование сейчас уже почти готова, идёт монтаж стен – к 20-му числу она уже будет готова для приёма оборудования.

Мы еще работаем с иностранными партнёрами, там, к сожалению для нашего производства, для нашей страны, у них начинается Christmass-time 24-го. Но мы будем продолжать работать, иностранцы возвращаются раньше, для них Новый Год это не такое событие. И они уже где-то 27-го приезжают сюда, а наши ребята продолжают работать и в Новый Год тоже. Не в сам Новый Год, конечно. Первого, второго, третьего мы, наверное, всё-таки не будем рисковать.

- Самое главное, что те планы, о которых говорили раньше, что в конце 2010 года будут некие тестовые чипы 90 нанометров - образцы, как вы сказали, они есть, да?

- Да. Они есть и их уже можно пощупать. Пока есть определённые параметры, которые надо померить, подтвердить – частоты и т.д.

- Но в целом всё идёт по плану? Это важно, что нет каких-то отставаний, потому что можно молчать, когда всё хорошо, а можно молчать, скрывая какие-то проблемы.

- Отставания всегда бывают… У нас есть параметры, но нельзя чётко изо дня в день делать одну и ту же работу без каких-либо нюансов. Плюс-минус, вариации какие-то есть, но они в пределах плановой вариации. Нет таких срывов работ, которые нельзя бы было компенсировать, нагнать. Или найти какой-то путь, как вот сейчас, например, мы, не дожидаясь запуска всей технологической линейки, сделали все эти образцы, методом активной фотолитографии и т.д.

Но о проценте выхода годных, о серийной технологии пока еще не идёт речи.

- Да, естественно. Главное, что процесс пошёл, как у нас говорил Михаил Сергеевич. Спасибо! У нас был в гостях Сергей Ранчин, начальник кристального производства завода "Микрон". Мы говорили, собственно, о кристальном производстве, о сердце микроэлектроники.

Александр Эрлих

www.zelenograd.ru

Основы практической электроники для новичков

Электроника – эта одна из передовых областей науки и техники, которая занимается разработкой и практическим применением различных электронных приборов и устройств. Ребёнок с первых лет своей жизни уже сталкивается с массой электронных устройств. Люди любого возраста выказывают желание познать основы современной электроники для начинающих. В этой статье даны понятия, на которых основываются азы электроники.

Самый простой самоучитель

Самый простой самоучитель

Пути совершенствования (микроминиатюризация)

С момента появления твердотельной электроники она начала развиваться темпами математической прогрессии. Активные радиоэлементы, по сравнению со старыми прототипами, уменьшились по размеру в тысячи раз. Некоторые детали стали измеряться в нанометрах. Большие электрические схемы стали помещаться в одном чипе (микросхеме).

Внедрение новых технологий открыло путь резкому развитию микроэлектроники. Это видно по совершенствованию приборов сотовой связи. За относительно короткий срок простой сотовый телефон превратился в смартфон с огромными возможностями. Громоздкие по габаритам маломощные компьютеры были заменены на ноутбуки. Появилось много различных миниатюрных электронных гаджетов. Прогресс в совершенствовании продуктов электронной промышленности с каждым днём только набирает обороты.

Познавательная электроника для начинающих должна начинаться с усвоения учебников, видео программ по основам цифровой электроники. Нужно понимать, что такое микросхематика, практическая электроника, как составляются цепи в электронных схемах. Самоучители пошагово дадут возможность ученику познать основы электроники.

Плата электронной схемы

Плата электронной схемы

Микросхемотехника

Это часть микроэлектроники, которая занимается исследованиями и разработкой электрических структурных построений цепей в интегральных микросхемах. Они представляют собой микроэлектронные изделия, выполняющие функции преобразования, обработки сигналов и накопления информации.

Важно! Микросхемы имеют высокую плотность соединённых элементов на площади в несколько мм2. Их элементы не могут быть отделены от кристалла и подложки.

Микросхемотехника

Микросхемотехника

Проектированием и монтажом интегральных микросхем (ИМ) занимаются схемотехники. ИМ бывают нескольких видов:

  • плёночные – все элементы и межэлементные компоненты выполнены в виде плёнок;
  • гибридные – содержат кристаллы;
  • аналоговые – предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции;
  • цифровые – обработка сигналов по закону дискретной функции.

Практическая электроника

Практическое изучение электроники с нуля начинается с понимания принципов работы электронных приборов и устройств, функционирование которых основано на взаимодействии электромагнитных полей и свободных электрических зарядов. Описание этих процессов можно найти во всех учебниках по радио,- и микроэлектронике. Особенно помогают в этом отношении видео уроки в интернете. Азы современной электроники в практической области постигаются приобретением знаний по следующим вопросам:

  1. Построение цепей;
  2. Полупроводники;
  3. Сигналы и измерения;
  4. Электропитание схем;
  5. Цифровая электроника.

Построение цепей

Основой создания различных электрических схем являются правила построения цепей. Те же принципы построения электрических связей распространяются и на структуру микросхем. Твёрдое знание самых важных законов Ома и Кирхгофа позволяют понять логику создания линий, связующих компоненты электронных схем.

Обратите внимание! Без изучения базовых законов физики и электротехники начать овладевать основами электроники с нуля невозможно. Именно эти знания открывают все секреты создания электронных схем. Можно часами простоять, наблюдая за работой тех или иных сложных устройств, но без знаний основ электроники понять механизмы их действия не получится.

Полупроводники

В мире микроэлектроники полупроводники занимают важное место. Для того чтобы понять принцип их действия, нужно знать их физические возможности. Полупроводники меняют своё сопротивление в зависимости от нагрева. С повышением температуры сопротивление падает, в условиях низких температур полупроводники приобретают свойства диэлектриков.

Полупроводники на плате

Полупроводники на плате

К полупроводникам относятся такие радиодетали, как:

  • диоды;
  • транзисторы;
  • тиристоры.

Сигналы и измерения

Сигналы – это носители информации. Они передаются электронами электрической цепи. Величина заряженной частицы служит единицей измерения энергетического заряда. Измерения и исследования сигналов в электронике проводятся с помощью осциллографов. Цифровой прибор производит математическую обработку полученных результатов.

Цифровой осциллограф предназначен для профессиональных электронщиков и стоит довольно дорого. Для начинающих любителей подойдут недорогие модели отечественного производства – С1-73 и С1-101.

Электропитание схем

Энергообеспечение электронных схем осуществляется через специальные блоки питания. Сетевые импульсные блоки питания называют электронными трансформаторами. Это простые источники питания, работающие от сети 220 вольт. В сети интернет можно приобрести довольно дешёвые модели китайского производства.

Цифровая электроника

Основы цифровой электроники для начинающих базируются на понятии двоичной системы (ноль и единица) и алгебраической логике. В самоучителях и разных учебниках даются разъяснения, что такое базовые логические элементы электронных схем. К ним относятся триггеры, регистры, дешифраторы и микроконтроллеры.

Цифровая электроника

Цифровая электроника

Цифровая технология передачи сигналов кодирует, а после доставки в нужное место дешифрует их. Этим добиваются чистоты информационных сигналов, защищённых от каких-либо помех. Примером этому служит цифровое телевидение.

Основные разделы и направления

Сюда относятся:

  • исследования протекания процессов в вакууме и твёрдой массе;
  • изучение квантовой электроники;
  • путь от прототипа к готовому устройству.

Вакуумные среды и твёрдые тела

Сфера вакуумной электроники занимается следующим:

  • проектирование и производство электронных ламп;
  • изготовление сверхчастотных магнетронов, клистронов и аналогичных приборов;
  • производство фотоэлементов, индикаторов и различных фотоэлектронных устройств.

Электроника в твёрдых телах занимается изучением и совершенствованием полупроводников, а также изготовлением на их основе радиоэлектронных компонентов. Вместе с этим этот раздел уделяет внимание следующим вопросам:

  • проектирование и создание электронных сфер, связанных с выращиванием кристаллов;
  • нанесение диэлектрических и металлизированных плёнок на поверхности полупроводников;
  • создание теоретической базы, подкреплённой практикой, по производству технологии выращивания плёнок заданной формы и с соответствующими техническими характеристиками;
  • поиск новых решений по управлению процессами, происходящими на поверхности полупроводников;
  • совершенствование и разработка новых технологий по получению наночастиц.

Квантовая электроника

Квантовая электроника изучает и создаёт приборы и устройства, занимающиеся обработкой информационных сигналов на основе движения элементарных частиц. Квантовая теория о свойствах электронов и других атомных элементов стала базой освоения технологий, создающих мощные лазеры. На основе последних разработок квантовой электроники появилась перспектива построения квантового компьютера.

От прототипа к готовому продукту

В связи с совершенствованием электронных схем в геометрической прогрессии путь от прототипа нового электронного устройства до массового производства готового продукта может занимать от 2,3-х до нескольких месяцев. Это заметно по постоянному обновлению ассортимента на рынке электронной аппаратуры.

Полученные знания основ электроники помогут новичку в этой области устранить мелкие поломки, выявить и заменить повреждённые компоненты электронных схем. Это позволит не выглядеть «чайником» в глазах электротехников, выполняющих ремонтные работы бытовых электронных приборов, что иногда приносит существенный экономический эффект.

Видео

amperof.ru

«закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. Часть 3 / Habr


В третьей части автор оригинальной статьи рассуждает о Зеленограде, памяти и смысле миниатюризации на пальцах.

Disclaimer: Когда-то давно и сам баловался написанием статей про изготовление чипов, а в серии статей «Взгляд Изнутри» даже заглядывал внутрь оных, т.е. тема мне крайне интересна. Естественно, я бы хотел, чтобы сам автор оригинальной статьи опубликовал её на Хабре, но в связи с занятостью он разрешил мне перенести её сюда. К сожалению, правила Хабра не разрешают прямую копи-пасту, поэтому я добавил ссылки на источники, картинки и немножко отсебятины и постарался чуть-чуть выправить текст. Да, и статьи (1 и 2) по данной теме от amartology знаю и уважаю.

Краткое содержание предыдущих серий


Итак, что ж мы узнали из первой и второй части?

До начала 2000-х главным приоритетом при производстве микросхем для вычислительной техники было снижение размеров элементов (транзисторов). Миниатюризация позволяла вмещать больше транзисторов на кристалл, что снижало среднюю стоимость одного транзистора в микросхеме и позволяло повышать тактовые частоты, а также интегрировать больше функционала в один кристалл. Последнее снижало необходимость обращения вовне к медленной внешней шине. Размер транзисторов почти линейно коррелировал с так называемой нормой техпроцесса: при уменьшении технормы в 2 раза линейные размеры транзисторов также уменьшались в 2 раза, а площадь — в 4 раза. Физическая структура самих транзисторов при этом не менялась, просто сокращались размеры.

С начала 2000-х стали сказываться физические ограничения. Размеры транзисторов перестали линейно зависеть от технормы. И чем меньше нанометров заявлялось в техпроцессе, тем слабее это сказывалось на реальных размерах элементов. Каждый шаг в снижении размеров технормы теперь сопровождался изменением физики процесса. Кроме того, по мере миниатюризации стали проявляться побочные эффекты в виде увеличения токов утечки и увеличении паразитного энергопотребления. Это поставило крест на дальнейшем увеличении тактовых частот процессоров. В течении 2000-х тихим сапом произошла смена приоритетов. Теперь главной задачей конструкторов стало не уменьшение размеров транзисторов, а снижение токов утечки. Результатом такой политики стал переход от плоских транзисторов к объемным.

Одним из проявлений усложнения техпроцессов стало увеличение стоимости кристалла с каждым сокращением технормы. Себестоимость производства чипов меняется по одному и тому же графику — сразу после выхода нового техпроцесса цена максимальна из-за низкого выхода годных микросхем, затрат на проектирование и оптимизацию. По мере отладки производства себестоимость снижается, выход годных микросхем увеличивается. Минимальная цена в конце цикла — перед снятием с производства. Раньше стоимость микросхемы, например, по техпроцессу 3 мкм и по 1,5 мкм, была одинаковой на одной и той же стадии жизненного цикла. А поскольку число транзисторов на той же площади вырастало в 4 раза, то цена одного транзистора снижалась в 4 раза.

image

После перехода ниже 130 нм себестоимость чипов стала расти из-за усложнения техпроцессов. Однако из-за увеличения плотности транзисторов себестоимость в пересчёте на один транзистор продолжала снижаться. Так длилось до технормы 28/32 нм. Дальше каждый шаг давался всё с большим удорожанием чипа, а реальные размеры транзисторов сокращались всё меньше. В результате один транзистор на микросхеме с нормой 22 нм и ниже стоит дороже, чем на норме 28 нм (приплыли!).

О Зеленограде


Больше всего народ интересует, конечно, ситуация с российской микроэлектроникой. К сожалению, не силен в зеленоградских делах. Всё, что знаю, что в 2014-м «Микрон» закупил у французской STMicroelectronics технологическую линию на 90 нм перед самым кризисом. А затем самостоятельно оную проапгрейдил до норм 65 нм техпроцесса. Полагаю, французам это не очень понравилось. О переходе на 65 нм отчитались еще в конце 2014-го. Периодически производили на ней опытные партии. Пошли ли они в серию — не знаю (Прим.: вроде бы да — для памяти). Тем не менее, полусуверенные 65 нм в России есть.

Прим.: про Микрон отличный текст выдал BarsMonster, ещё немного тут, ещё пара статей (1 и 2) по теме от amartology.

Главная проблема в том, что 65 нм оказались не очень востребованы. Для основной продукции Микрона достаточно и 90 нм, и 180 нм, и даже — о, ужас! — полностью суверенных 250 нм. Некоторые микросхемы для оборонки до сих поры выпускают по технологиям 3 — 5 мкм (Прим.: особенно под космос, где важна надёжность, а не быстродействие). Просто чем больше размеры транзисторов, тем выше устойчивость к помехам и радиации (UPD: статья про радиационную стойкость микросхем с иным мнением). А сверхбольшие вычислительные мощности для специализированных микросхем, как правило, не нужны.

С другой стороны, производство современных процессоров выгоднее заказывать на Тайване и Китае по технормам 28 нм и ниже (прим.: и опять передаём привет Байкалу). В этом случае разработка архитектуры и топологии полностью российская, но само изготовление кристаллов происходит на тайваньских заводах. Многих смущает, что мол это не совсем наши процессоры получаются. В качестве успокоения можно сказать, что практически все мировые лидеры в такой же ситуации. Собственное полупроводниковое производство осталось только у Intel. Такие бренды, как AMD, Apple, NVidia, Qualcomm, IBM и прочие производятся на заводах TSMC или Samsung. Так, AMD в 2009-м вывел свое производство в отдельную компанию GlobalFoundries, которую купили арабы. Последние технормы они не осилили и отказались от участия в разработке 7 нм техпроцесса, сконцентрировались на «более зрелых» техпроцессах. Сейчас находятся в предбанкротном состоянии, которое намечено на 2024 год примерно, а инженеров готово забрать к себе IBM.

В конце 2018 в Микроне подтвердили свои планы создать в Зеленограде собственное производство на 28 нм. Производство планируют развернуть уже в 2022 году на новой, построенной с нуля фабрике. Реальность сроков под большим сомнением, хотя, конечно, было бы неплохо. 28 нм – это уже другой уровень и производства, и проектирования, позволяющий начать производство принципиально новых изделий. Но об этом ниже.

Вообще ситуация в российской микроэлектронике не такая тухлая, как может показаться. Если учесть, что 12 лет назад самый «тонкий» техпроцесс в стране был 800 нм, даже нынешние полностью российские 250 нм выглядят не так уж плохо. Есть слухи, что освоили технологию «растянутого кремния», перешли с 150 мм пластин на 200 мм, наладили выпуск собственных фотошаблонов. Главной проблемой останется недостаточный спрос и конкуренция с импортом, что никак не позволяет выйти хотя бы к нулевой рентабельности.

Ведутся попытки освоить что-то прорывное. Например, фотолитографию в глубоком ультрафиолете (EUV-литографию).

В этом смысле интересна история с голландской фирмой «Mapper Lithography» (BarsMonster писал о ней, а также статья от CorneliusAgrippa ). Фирма специализировалась на оборудовании и установках многолучевой электронной литографии (МЭЛ).

Электронная литография позволяет работать с разрешениями в доли нм, однако очень энергоемкая и медленная. С помощью нее делают фотошаблоны для оптической литографии. Обычно используют один пучок электронов, который облучает всю площадь. Использование МЭЛ позволяло бы существенно ускорить процесс, хотя и энергопотребление установки сильно возросло.

Голландцы пытались вывести МЭЛ в серийное производство. Хотя бы для мелкосерийных микросхем, где создание набора фотошаблонов не окупается. Т.е. где дешевле наносить рисунок сразу на кремний, чем делать набор масок, и потом штамповать микросхемы с помощью оптической литографии. И здесь Mapper нашел единомышленников в лице РосНано. В 2012-м заключили договор на постройку заводов в Москве и Питере. Завод в Москве был открыт в 2014 году и в тот же год начал выпуск электронных линз.

О прибыльности пока нет и речи, но сами технологии есть и развиваются. С учетом удорожания процессов фотолитографии, МЭЛ может со временем сравняться с ней по стоимости. К сожалению, инвестиции РосНано не спасли саму «Mapper Lithography». Компанию выкупила голландская же ASML – крупнейший в мире производитель фотошаблонов и систем фотолитографии. Направление МЭЛ закрыли, сотрудников Mapper распихали по другим направлениям (прим.: так как в EUV вбуханы такие бабки, что Голиаф не выдержит двоих). Сейчас в мире осталось всего 2 игрока, которые продолжают развивать МЭЛ – американская Multibeam и РосНано.

Где нужны маленькие нанометры?


Рассмотрим крупнейшего контрактного производителя микроэлектроники – тайваньский TSMC. Вот отчет за 2 квартал 2018:

image

Как видим, на самые тонкие процессы приходится только 38% выручки компании, а 19% приходится на 90 нм и больше. Немецкая X-FAB, например, вообще использует технологии только 130 нм и выше, и не страдает от этого.

Рассмотрим основные направления современной электроники:

  1. Силовая электроника. Здесь тонкие процессы не только не нужны, а даже невозможны. Поскольку они работают только на напряжениях в районе 1 В. Для силовой электроники требуются другие концентрации примесей и вертикальные размеры слоев. Само понятие норма техпроцесса имеет другой смысл. Она рассчитывается, не исходя из минимально возможного технологически, а вытекает из рабочих напряжений и плотности тока. Размеры силовых элементов рассчитываются исходя из пиковой силы тока.
    Прим.: будучи на заводе ABB в славном городе Lenzburg, был приятно поражён тем, какой широкий ассортимент продукции они выпускают и как делают failure analysis битых преобразователей тока.
  2. Промышленная электроника. Это различные промышленные микроконтроллеры и системы управления механикой. Как правило работают с напряжениями в пределах от нескольких вольт до десятков вольт. Рабочие технормы там обычно от 130 нм. Для промышленной электроники не требуется миллиардов транзисторов и кэш-память в сотни МБ, т.к. выполняется обычно ограниченный набор операций. Микроконтроллеры более специализированы, чем микропроцессоры для вычислительных систем. Часть кода и инструкций там «зашиты» в сам кристалл на этапе изготовления, а не загружаются программно. Благодаря этому на родных операциях работают быстрее. Самое большое значение здесь имеет надежность.
  3. Военная, космическая и радиационно-стойкая электроника. Здесь технормы начинаются от 250 нм. Меньше просто нельзя, т.к. с уменьшение размеров транзисторов резко растет число сбоев от воздействия радиации и помех. Также как промышленная электроника, это, как правило, специализированные микросхемы с меньшими требованиями к производительности.
  4. Бытовая и автомобильная электроника. Аналоговые, аналого-цифровые схемы и цифро-аналоговые микросхемы. Тенденция здесь – объединение всего функционала (и цифрового и аналогового) в один кристалл. Кроме силовых транзисторов естественно. Например, однокристальные телевизоры. Проблема здесь в том, что, как правило, число требуемых транзисторов невелико. Для нормального функционирования устройства за глаза хватает десятков тысяч транзисторов. При технологиях меньше микрона вся занимаемая ими площадь – доли квадратного миллиметра. Часто контактные площадки под выводы занимают больше площади, чем сама логика. Поэтому и пытаются впихнуть в такие микросхемы все что можно – электронные часы с будильником, радиоприемник и прочие побочные функции в чип стиральной машинки. Себестоимость получается практически та же. Заморачиваться с маленькими нанометрами при таких раскладах смысла никакого. Тем более есть ограничения из-за наличия аналоговых биполярных транзисторов и заметных рабочих токов. Использовать меньше 90 нм даже в цифровой части нет смысла (UPD: amartology 28 nm based CMOS for ADC and DAC). Ситуация может измениться с распространением «интернета вещей» (IoT).
  5. RFID-метки. Это чипы для разных карт, электронных ключей, метки товаров. Они состоят из небольшой микросхемы и пленочной антеннки. Микросхема сделана из репрограммируемой памяти на основе КМОП и управления наведенным питанием на биполярных транзисторах. Размеры кристалла меньше 1 мм2. Число транзисторов обычно невелико, постоянного питания нет. Поэтому требования к дешевизне одного транзистора и энергопотребление не актуальны. Главное – длительность хранения значения памяти в пассивном режиме. Как писал уже, при нормах ниже 130 нм увеличиваются токи утечки, и, соответственно, в ячейках значение может быть утеряно. Техпроцесы ниже 90 нм не просто не актуальны, они вредны.
    Прим.: разбор RFID есть тут, а скоро будет ещё немного гикпорна.
  6. Вычислительная техника. Процессоры, память, контроллеры. По стоимости это львиная доля современного рынка электроники. Вот здесь действует правило: чем больше транзисторов в кристалле, тем лучше. В отличии от специализированных контроллеров здесь весь набор команд и инструкций загружается программно. Отсюда высокие требования к производительности – цена универсальности.

Российские предприятия в состоянии (прим.: с оговорками и натяжками) выпускать первые 5 групп микросхем, кроме IoT. Правда, по обороту рынка в деньгах они все вместе сильно уступают 6-й группе.

Смысл миниатюризации


Некоторые интересовались: а почему так важно впихивать максимум транзисторов на единицу площади? Что мешает сделать просто кристалл побольше или сделать 2 кристалла вместо одного.

Для вычислительной техники это очень важно. При современных частотах на размер кристалла имеется физическое ограничение. Это скорость света, она же скорость распространения электрического сигнала. Скорость всего 300 млн метров в секунду (прим.: это для вакуума, и она несколько меньше на диэлектрическую константу, из-за распространения в среде). В процессоре с тактовой частотой в 3 ГГц электрический сигнал за такт пробегает 10 см. При этом, за такт не только транзисторы должны изменить свое состояние, но и должны устояться все переходные процессы. Для этого нужен запас минимум в 3 раза. Т.е. самый дальний транзистор в кристалле не должен быть дальше 3 см от тактового генератора. Генератор ставят в центре чипа, значит вся схема должна вписываться в круг радиусом 3 см от центра кристалла (можете проверить на своих ПК 😉 ). Для кристалла квадратной формы получаем максимальный размер 4х4 см. Чем выше частота, тем меньше предельные размеры.

Теплоотвод. Чем больше размер кристалла, тем труднее отводить тепло с центральной части. А это чревато.

Чем меньше линейные размеры транзисторов, тем меньше паразитные емкости и быстрее проходят переходные процессы. Соответственно, выше быстродействие и ниже ток перезарядки.

Теперь почему один процессор с 4 млн транзисторов, например, лучше 4 процессоров по 1 млн транзисторов. Для начала вопрос цены. Кристалл с 4 млн транзисторов будет стоить ненамного дороже кристалла с 1 млн транзисторов. Поскольку создаются в едином техпроцессе. Кроме чипа микросхема состоит еще и из корпуса и золотых выводов из кристалла. А золото металл недешевый. Условно для 1-милионной микросхемы нужно 300 контактов (1200 для 4-х микросхем), для 4-милионной — 308. Выгода очевидна.

Потом 4 микросхемы будут между собой взаимодействовать через внешнюю шину, а она в разы медленнее тактовой частоты самого процессора (см. пункт про скорость света). Прим.: да есть решение от AMD с Infinity Fabric, но это отдельная тема. Получается, что 4 процессора могут работать только в режиме изолированных задач. В то время как 4 ядра внутри одной микросхемы могут работать как кластер, оперативно распределяя задачи и обмениваясь на тактовой частоте процессора.

Поэтому желание сделать транзисторы максимально мелкими, и запихать в кристалл все, что можно имеет под собой рациональное обоснование.

Перспективы


Получается, что с первыми пятью группами микроэлектроники в России все не так уж и плохо. Проблемы с рентабельностью и ценой, но технологические возможности имеются. С вычислительной техникой сложнее. Можно конечно сделать Байкал или Эльбрус по 65 нм технологии. Это эпоха Intel Pentium 4 (пичаль!). Вот только при таких мизерных сериях стоимость будет запредельной. Или, как вариант, продавать ниже себестоимости за счет бюджета. А на фига? Пока не прикрыли возможность, проще и дешевле производить на Тайване (что, собственно, и делается).

С выходом на мировой уровень и большие серии, кажется, беспросветный мрак. Но и здесь появился лучик света. Связан он с появлением новых типов электронной памяти. Чтобы объяснить, с чем связан оптимизм, придется слегка влезть в технические детали.

Основные типы электронной памяти


Статическая оперативная память или SRAM.
По сути это транзисторная схема на полевых транзисторах любых транзисторах, MOSFET, JFET, BJT, HEMT. Давно известные логические триггеры.

image

Стандартной является шеститранзисторная ячейка памяти. Хотя бывают и 8- и 10-транзисторные.

image

Благодаря перекрестной обратной связи внутри, она хранит свое состояние даже при отсутствии сигнала на входе. Пока есть питание конечно. Используются те же МОП транзисторы, потребляют они только ток переключения при изменении значений. В статическом состоянии потребляется только паразитный ток утечки.

Плюсы – высокая скорость чтения и записи (на уровне тактовой частоты), низкое энергопотребление, четкость хранения значения, стандартная технология
Минусы – энергозависимость, большая занимаемая площадь на кристалле.

Используется обычно, как встроенная кэш-память процессора. Производят и отдельные микросхемы SRAM, но сейчас это скорее экзотика.

Динамическая оперативная память или DRAM.
Ячейка динамической памяти представляет из себя один слегка модифицированный КМОП-транзистор:

image

Отличие от стандартного МОП-транзистора в том, что контакт к стоку не подключается к шине, а трансформируется в небольшой плоский тонкопленочный конденсатор Металл – Диэлектрик – Кремний. Если конденсатор заряжен – логическая «1», не заряжен – логический «0». Все управление ячейками осуществляется схемой управления – контроллером. Ячейки памяти объединены в строки и столбцы, образуют плоскую матрицу. Строки объединяются затворами, столбцы истоками.

При записи на затвор подается напряжение, транзистор открывается. Если на исток от контроллера в этот момент подается напряжение, появляется ток и конденсатор заряжается. Нет напряжения, не заряжается. Запись идет одновременно на всю строку.

Чтение аналогично, только контроллер находится в режиме чтения. Подается напряжение на затворы. Если конденсатор был заряжен, потечет ток (логическая 1), если не заряжен, тока нет (логический 0). Считывается также вся строка разом. После считывания конденсаторы разряжаются, все ячейки устанавливаются в 0. Контроллер на основе полученных данных производит повторную запись строки.

На самом деле чтение и запись происходят постоянно, даже при отсутствии активности. Дело в том, что емкость конденсатора очень маленькая, он быстро разряжается, в течении миллисекунд или десятков мс. Поэтому фоном идет постоянная регенерация (чтение и повторная запись строк). Как только регенерация останавливается, в течении сотых долей секунды данные во всех ячейках обнуляются.

Плюсы динамической памяти – компактность.
Минусы – меньшее быстродействие, высокое энергопотребление, сложность управления, энергозависимость.

Однако несмотря на все недостатки, все модули оперативной памяти сейчас типа DRAM. Кроме редкой экзотики. Компактность все пересилила.

Репрограммируемая память, Flash-память и EEPROM.
Строится на основе полевых транзисторов с плавающим затвором:

image

Под управляющим затвором есть еще один, ни к чему не подключенный и окруженный со всех сторон диэлектриком – «плавающий затвор». Заряд попадает в плавающий затвор и влияет на формирование канала. Зарядам из плавающего затвора деваться некуда, поэтому ячейка сохраняет значение даже при выключенном питании. В зависимости от деградации окружающего диэлектрика заряд может храниться от нескольких месяцев до десятков лет.

image
В простейшем случае для получения единицы можно загнать положительный заряд, тогда транзистор будет все время открытым. В реале используют отрицательный заряд, который еще сильнее «запирает» канал.

Как происходит чтение. На управляющий затвор подается положительное напряжение чуть выше порогового. Если плавающий затвор разряжен, то в базе образуется канал и транзистор открывается – логическая «1». Если заряжен, то он компенсирует напряжение управляющего затвора, и канал не образуется. Транзистор закрыт, логический «0».

С чтением все просто. Главная проблема — запись. Нужно загнать заряд в изолированный затвор или снять его. В разное время использовали облучение ультрафиолетом, лавинный пробой, инжекцию высокоэнергичных электронов, туннельный пробой.

С лавинным пробоем понятно. Дают высокое напряжение, оно пробивает диэлектрик и заряжает плавающий затвор. Для разрядки пробой в другую сторону. Но лавинный пробой такая вещь, это как удар током для человека. Убить не убьет, но после 10-го раза здоровье может пошатнуться. Поэтому число циклов перезаписи было ограничено.

При инжекции электронов пробоя не происходит, просто под действием напряжения электроны с высоким уровнем энергии прорываются сквозь окисел и попадают в плавающий затвор (или из него). Минусы метода – длительность перезаписи и высокое напряжение.

По мере утончения слоев диэлектрика до единицы нм, появилась возможность заряжать и разряжать плавающий затвор с помощью туннельного эффекта. Электрическим полем смещаем энергетическую структуру слов так, чтобы напротив затвора оказывались или заполненные электронами уровни или свободные уровни. Тогда электроны туннелируют или туда, или обратно. Благодаря этому число циклов перезаписи достигло тысяч или десятков тысяч. Зависит от материала и качества диэлектрика.

Плюсы – энегронезависимость, компактность, приличная скорость чтения.
Минусы – длительное время записи, высокие напряжения записи, деградация по мере работы.

Используется в SSD устройствах и RFID-метках.

Прим.: кстати, флешку тоже пилили в своё время для опытов…

Магниторезистивная память, MRAM.
Новый тип памяти. По принципу работы похож на DRAM, но вместо электрического конденсатора используется магниторезистивная ячейка. Магниторезистивная ячейка – это структура, электрическое сопротивление которой зависит от направленности магнитных доменов.

Состоит из 2-х слоев ферромагнетика, между которыми тонкая (около 1 нм) пленка диэлектрика. Первый слой представляет ферромагнетик с постоянной намагниченностью, второй с переменной, так называемый свободный слой. Если домены первого и второго слоя расположены сонаправленно, электроны могут активно туннелировать черед диэлектрик, высокий туннельный ток. Если домены противоположно ориентированы, то туннельный ток на порядки слабее.

Схематически магниторезистивную ячейку можно представить, как резистор с двумя значениями сопротивления – высоком и низким. Свободный слой хранит вектор намагниченности неопределенно долго и без внешнего питания. То есть этот тип памяти энергонезависим.

image

С чтением все просто: подаем напряжение на затвор транзистора, через него и магниторезист начинает течь ток. Если сопротивление маниторезиста высокое, то слабый ток, если низкое, то сильный ток. По величине тока и определяется логический «0» или «1».

image

Проблемы опять с записью. Разрабатываются десятки способов, каждый из которых имеет свою аббревиатуру.

Изначально перезапись свободного слоя производилась сильным током. Но это высокое энергопотребление при записи. Плюс, в этом случае ячейку нельзя сделать меньше сотен нм, иначе перезаряжаться будут и соседние ячейки. Микросхемы памяти такого вида имеют емкость максимум 16 МБ.

Поэтому разрабатываются другие методы – локальным термическим нагревом, ступенчато, с использованием антиферромагнетиков, спиновым током. Последний вариант сейчас представляется самым перспективным. Физика там сложная, переходящая в квантовую механику. Поэтому замнём для ясности.

Еще одним достоинством MRAM является то, что магниторезистивные ячейки не требуют отчуждения места на кристалле. Они располагаются сверху, над КМОП структурой. Т.е. сначала формируем все слои КМОП, первые слои металлизации, все покрывается окислом. Потом сверху сплошняком первый слой ферромагнетика. Вытравливаем лишнее, затем то же со слоем диэлектрика и вторым ферромагнетиком. Получается очень компактная структура.

Магниторезистивная память сейчас считается самой перспективной. Некоторые даже заявляют, что с ее внедрением в серию вообще исчезнет разделение памяти на оперативную и постоянную. Будет просто память. В частности, операционку не нужно будет загружать, она сразу будет работать из памяти при включении питания. Как TR-DOS на Синклерах в старые добрые времена. Там ядро операционки работало из ПЗУ.

Какое место здесь занимает Россия. В разработке MRAM наши хоть и не лидеры, но на передней линии. Во всяком случае пока. Есть такая российская компания «Крокус Наноэлектроника», которая занимается памятью STT MRAM, т.е. MRAM переносом спинового момента (подробнее).

Это дает нашим производителям окно возможностей, чтобы пробиться на мировой рынок производителей микросхем для вычислительной техники. Окошко не очень большое, но оно есть. Нужна воля, деньги и собственные техпроцессы на 28 нм.

Заключение


Я считаю, что одна из наших главных проблем заключается в менталитете. Это привычка впадать в эмоции, опускать руки и заниматься самобичеванием. Вместо того, чтобы методично и целенаправленно работать. В микроэлектронике это проявляется особенно остро. Надо просто вспомнить старую русскую пословицу: глаза боятся, а руки делают.

Мировые лидеры уперлись в физические ограничения, отрасль от бурного роста переходит к медленному развитию. Прорывы типа квантовых процессоров пока на далеком горизонте. Ближе чем телепортация, но, скорее всего, не в нашей жизни. В ближайшие 20 лет среди игроков на поле микроэлектроники может кардинально смениться состав лидеров. Главное тут не щелкать клювом.

Часть 1 и часть 2.



Не забудьте подписаться на блог: Вам не сложно – мне приятно!

И да, о замеченных в тексте недочётах просьба писать в ЛС.

P.S.: Минутка рекламы. В связи с последними веяниями «моды», хотел бы упомянуть, что МГУ открывает в этом году постоянный кампус (а учит уже 2 года!) совместного университета с Пекинским Политехом в Шеньчжэне. Есть возможность выучить китайский, а также получить сразу 2 диплома (IT-специальности от ВМК МГУ в наличии). Подробнее о ВУЗе, направлениях и возможностях для студентов можно узнать тут. Приём документов — до 10 июля!

Небольшое видео для наглядности о творящемся беспределе


habr.com

Дизайн чипов — творчество, наука, экономика

В студии Зеленоград.ру Александр Эрлих. Вы слушаете программу «Микроэлектроника для чайников». Сегодня мы поговорим о дизайне чипов, о творческой, научной и рыночной составляющих этого процесса. В гостях у нас Григорий Хренов — заместитель главного конструктора завода «Микрон».

— Если дизайн чипов подразумевает под собой некое творчество, то самое важное в любом творчестве — люди. Разработчики чипов, дизайнеры на «Микроне» — что это за люди, откуда они берутся? Кто их воспитывает, выращивает?

— Мы стараемся подбирать себе лучшие кадры, которые только может нам предоставить российская и не только действительность. Во-первых, мы опираемся на тот костяк опытных разработчиков, которые работают в этой индустрии уже многие десятилетия. Во-вторых, мы используем молодые кадры. Здесь у нас большие связи с Московским Институтом Электронной Техники. Сейчас мы достаточно сильно омолодили свой кадровый состав — у нас работает очень много молодых талантливых ребят. Большинство — выпускники МИЭТа. Есть и сотрудники, которые, уже работая на «Микроне», прошли стажировку в иностранных компаниях, в частности, у нашего технологического партнёра [французской компании STMicroelectronics]. Есть ряд сотрудников, у которых за плечами опыт работы в ведущих иностранных компаниях микроэлектронной индустрии — в американских, европейских. Так что кадровый потенциал у нас очень мощный, разносторонний. Много очень перспективных молодых ребят, что особо радует.

— Вот есть студент МИЭТа, который учится на эту специальность. Как можно сказать подходит он или нет? Какие у него должны быть черты характера, качества души, по которым можно определить — «да, из него получится хороший дизайнер»?

— Это скорее не качества, а, прежде всего, желание. Научить можно практически любого человека. Но если нет желания, то хорошо и творчески — как сейчас говорят «креативно» — он это делать не будет. Поэтому человек должен сам для себя решить хочет ли он связать свою судьбу с микроэлектроникой, разработкой, проектированием. Это фантастически удивительный мир, в котором можно реализовывать себя каждый день, находя что-то новое, выигрывая сражения не с другим человеком, а с материальным миром. Это очень жёсткий мир, его законы нарушать нельзя, с ним нельзя «договориться».

— Дизайнер заставляет мир прогнуться под потребности заказчика, можно так сказать?

— Да. Если тебе нравится эта жизнь, если это твоё, то люди остаются в индустрии раз и навсегда. Но сказать заранее, всё-таки, нельзя. Нет таких специфических особенностей человеческого характера, которые были бы свойственны разработчикам интегральных схем, но не свойственны разработчику самолётов. Инженерная практика, с точки зрения человеческих качеств, если отвлечься от знаний и навыков, всегда требует некоторой скрупулёзности, дотошности. Ну и ответственности за то, что ты делаешь. Потому, что за тобой проверять уже, как правило, никто не будет — все считают, что всё сделано как надо. Эта ответственность должна воспитываться с молодых лет, чтобы человек чувствовал, что это не только его труд. Особенно сейчас, когда над разработкой сложных современных изделий работают большие коллективы. Если ты не будешь скрупулёзен, дотошен, то ты подведёшь не только себя, а всех, в конечном счёте. Люди, которые хотят связать свою жизнь с разработкой схем должны себе представлять, что есть такое требование — склонность к скрупулёзности, аккуратность.

— Вы сказали, что есть старый костяк и есть молодое пополнение, например, из МИЭТа. Есть, наверное, люди, которые работали еще в микроэлектронной промышленности Советского Союза, но затем уехали за рубеж. Они сейчас возвращаются?

— Я сам много лет проработал за рубежом, и в Японии — профессором в университете, и в американских компаниях. Вернулся и совершенно не жалею об этом. Просто были сложные годы, сейчас их принято называть «лихие 90-е», «мрачные 90-е». Перспективы были непонятны, тяжело было оставаться в профессии и работать здесь. А начиная с 2000-х годов, стал восстанавливаться интерес к индустрии высоких технологий. Это касается не только микроэлектроники, но и многих производств, которые всегда были хорошо развиты. Государство стало проявлять интерес, частный бизнес стал чувствовать поддержку государства и вкладываться — риски, всё-таки, меньше, раз поддержка есть.

Другое дело, что мобильность людей разная. Кто-то легко принимает такие решения и возвращается, а кто-то уже привык. Но я считаю, что возможности, которые открываются сегодня здесь для людей, кому интересно работать — очень большие. Долгие годы мы не имели возможности заниматься разработкой микроэлектронных изделий современного уровня, а сейчас она появилась. Да, у нас есть какие-то чисто методологические проблемы, которые надо преодолевать. Но это интересно, я так считаю. Это «вызовы». Или, как говорят американцы, challenge. Если ты любишь сhalleng-ы — вот тебе хороший, добротный сhallenge.

— Есть ли дефицит дизайнерских кадров? Я знаю, что в стране дизайн-центров не хватает. Говорят, на один большой фаб в мире приходится сотни дизайн-центров. У нас их, наверное, в несколько раз меньше. Это связано с тем, что они невостребованы на рынке или с нехваткой квалифицированных кадров?

— В советские времена подготовка разработчиков велась во многих университетах, институтах. Во многих случаях эти университеты и направления их педагогической деятельности остались, и кадры даже остались. Скорее это было связано с не востребованностью этих специальностей на рынке. Когда люди, выходя в жизнь в качестве разработчика, обнаруживали, что работать им негде. Одна из самых ёмких индустрий была программирование, IT-технологии. Люди, имея хорошее инженерное образование, уходили в эту сферу. Вспоминая прошлое, я могу сказать так. Кстати, многие из моих однокашников, которые уехали работать в США, уехали работать не в микроэлектронику, а в тогда быстроразвивающуюся область IT. Я не могу вспомнить никого из тех, с кем я учился когда-то, кто работал бы именно в электронике. Те, кто живут в Штатах, в основном, работают в IT. Многие выпускники, не видя себе применения, уходили в IT и другие более доходные и перспективные сферы бизнеса. Произошла такая ситуация, что какое-то время мы выпускали специалистов, а они, не будучи востребованными индустрией, уходили куда-то. Этот дефицит стал накапливаться. Сейчас мы достаточно мощно стартуем, пытаемся развиваться во всех направлениях, а подпитки теми ресурсами, которые были в своё время подготовлены, нет. Причем если посмотреть на кадровый состав и не только у нас на «Микроне», а вообще в индустрии, то достаточно большое количество зрелых уже людей и очень много молодых. Есть провал в середине, и он фиксируется во всём хайтеке.

Это печальный факт. Я в своё время, работая в Академии Наук, обратил внимание, что у нас в институте людей моего возраста двое. Мне было тогда тридцать с небольшим лет. Двое! Люди среднего возраста, очень креативного, когда уже наработаны большие знания и в то же время ты еще молод и энергичен, амбициозен... Этот слой был вымыт. Эта дыра уходит сейчас, мне уже побольше лет чем тогда, конечно. Но эта яма есть и будет еще сказываться. Но время идёт — всё зарастает.

— Вы сказали, что специалистов готовит МИЭТ. А вообще МИЭТ в состоянии сейчас подготовить специалистов для современного производства? Именно в силу технологического отставания тех же «лихих 90-х» не было ли этого вакуума, ямы в научных знаниях?

— Всё-таки инжиниринг вещь более практическая, чем фундаментальная наука. Я лично сейчас сотрудничаю с МИЭТом. Конечно, приходится адаптировать к современным реалиям, к современной микроэлектронике те знания, наработки, курсы которые были когда-то созданы. Надо сказать, что МИЭТ тоже двигается очень быстро, видя потенциальный рынок для своих выпускников. А профессура видит рынок для приложения своих научных идей, разработок. МИЭТ тоже очень быстро прогрессирует, и начал прогрессировать не вчера.

Современное проектирование в значительной степени опирается на мощные современные средства автоматизации. Это достаточно дорогостоящие программные продукты. Стоимость одной лицензии исчисляется сотнями тысяч долларов в год.

Специалист должен обязательно уметь работать с этими инструментами. Если он не умеет работать с инструментами такого класса, то он не интересен рынку. На рынке САПРов — систем автоматизированного проектирования — есть три больших игрока. Все они работают в партнёрских отношениях с МИЭТом. Это Synopsys, Cadence Design Systems и Mentor Graphics. Все три больших игрока работают с МИЭТом, там совершенно замечательно поставлено это дело, я здесь не кривлю душой.

— Может получиться универсальный студент, который умеет работать во всех трёх системах?

— Было бы желательно. Это разнородные системы, и каждая компания имеет в своей продуктовой линейке сильный продукт и более слабые. Практически всегда при проектировании и западные, и наши компании используют набор продуктов разных фирм — микс. Я знаю лишь одну компанию, которая работает только с Cadence. Большая компания, я не буду её называть, чтобы не рекламировать. И то она всё равно немного использует продукты других компаний. В остальном, все работают на миксе. Что-от от Synopsys, что-то от Cadence, что-то от Mentor Graphics.

В этом смысле МИЭТ — уникальная площадка, где есть все основные продукты этих производителей. У студентов есть возможность с этим работать. Преподавательский состав готовит специальные курсы, которые позволяют изучать проектирование интегральных схем с использованием конкретных промышленных, индустриальных продуктов, что важно. То есть, это не какие-то там теоретические размышления о том, как можно было бы всё это сделать. Нет — берёте проект, вот инструментарий — пожалуйста, приступайте. В этом смысле они очень хорошо подготовлены, с точки зрения владения системными средствами САПР. Всё, на самом деле, упирается в то, что в инжиниринге очень много зависит от личного опыта конкретного человека. Этому научить нельзя, он набирается, к сожалению, только с годами, с количеством удачно законченных проектов.

— Насколько я понимаю, все проекты собираются из неких кусочков, из кусочков старых проектов, можно использовать какие-то наработки...

— Я понимаю. То, что вы говорите, совершенно верно. Это немного по-другому называется в индустрии — это «re-use» предыдущего, накопленного богатства.

— Существует такая общая база знаний?

— Не только база знаний, но и база отдельных элементов, блоков. Это то, что принято называть IP-блоками. Это целая индустрия. В мире есть компании, которые живут тем, что разрабатывают и продают IP-блоки компаниям-разработчикам конечных изделий, схем, например. Для того, чтобы ваше знание было превращено в этот IP-блок, требуется достаточно большая работа. Но без учёта времени проектирования вы не будете конкурентоспособны. Важен «time to market» — как быстро вы выходите на рынок. Вы можете сделать отличную разработку за пять лет, но через пять лет она никому не будет нужна. Она нужна через год-два. И вот вы видите, что можете разработать какой-то блок сами, но тогда это займёт пять лет. Или вы можете купить готовое сертифицированное, проверенное решение у поставщиков IP и использовать в своём дизайне, сократив время разработки. Это практика, которой сейчас все пользуются. Весь мир теперь так устроен.

— Вы уже сказали, что рынок накладывает некие ограничения на работу дизайнера вообще. Как происходит рождение чипа? Сначала появляется какая-то идея, потребность заказчика. Затем она поступает в дизайн-центр, к дизайнеру. И что он делает дальше? Его фантазию ограничивает рынок, технология, начальство, деньги, время?

— Всё. Рождается всё ровно так, как вы сказали. За редким исключением, когда дизайнеры сами что-то придумали и начали реализовывать — это стартап. Это когда дизайнеры сами инициируют процесс разработки. Люди поработали в большой компании, узнали дефекты компании, не в том смысле, что она как-то плохо устроена, а что есть нишевой продукт, которым компания, например, не хочет заниматься, не видит перспективы, в силу, например, размера этой ниши или повышенной рискованности вложений. И зачастую люди уходят, создают маленькие стартапы, рождают этот проект. Знания о рынке к ним приходят после работы в предыдущей компании.

Дизайнеры внутри компаний — откуда они получают знания? Конечно, от маркетологов — от людей, которые исследуют рынки. Разговаривают со своими заказчиками, оптимально — поговорить еще с заказчиками вашего заказчика. Потому что ваш заказчик тоже может ошибаться. Вы сделали для него продукт, но если это не конечный продукт, а ваш заказчик ошибся и дальше развитие не пошло, то он перестанет у вас покупать. Всё на этом кончится. Поэтому только после большой работы маркетинга в дело вступают дизайнеры.

Обычно это люди уровня архитекторов, которые делают первичный анализ — возможна ли реализация этого проекта. Маркетологи могут вам наговорить что угодно, причём поставить перед вами несовместимые требования. Они хотят, чтобы был вот такой функционал, чтобы по цене было вот столько и чтобы на маленькой батарейке работало год. Вы начинаете всё складывать и говорите: «Нет, я могу сделать год, но он не будет показывать mpeg-файлы, потому что вычислительная сложность большая, потребление большое».

— Сначала идёт притирка требований.

— Да, потому что маркет говорит, «меньше, дешевле, дольше времени работы». Всё, что можете — отдайте. Но так не бывает — нужно найти компромисс. На следующем этапе эти «архитекторы» пытаются понять, что реально может быть достигнуто современной технологией, доступны ли эти технологические возможности. Потому, что не для каждой компании-разработчика доступно всё, что есть в мире. Есть технологии, которые используются только той компанией, которая ими владеет. Есть ли эта технология на рынке — своя или контрактная? Можно ли достичь и сколько примерно будет стоить процесс разработки? Только после этого executive stuff принимает решение, «маркет» говорит — «да», чип-дизайнеры говорят — «это можно сделать за разумные деньги». Будем принимать решение.

— Кстати, по времени разработки. Допустим, если мы возьмём компьютерные процессоры, сколько человеко-часов требуется для разработки нового процессора у Intel?

— Вы имеете в виду — тысяч человеко-лет? Это меряется такими единицами.

— То есть, тысяча человек делает год?

— Нет, я сказал, что это меряется в тысячах человеко-лет. Сколько точно — неизвестно. Intel — очень закрытая компания и крайне не любит рассказывать о том, как и что она делает, сколько это стоит.

Тут надо только понимать следующее. У Intel есть разные процессоры, один от другого может отличаться немного... А есть ключевые изделия, которые перевернули всё. Это когда компания переходила на новую архитектуру, например, на Pentium — абсолютно новое изделие, с новой архитектурой, с новыми подходами — всё новое.

— Pentium разрабатывался тысячи человеко-лет?

— Да. Но это не так страшно, как вам может показаться. Возьмите популярный телефон iPhone. В нём стоит чип, в нём стоит девятиядерный процессор. Я не могу сказать, что все ядра разные, но многие из них отличаются друг от друга, там тоже большая работа. И серьёзные процессоры, серьёзные системы на кристаллах делают большие коллективы, это десятки человек всегда. Если что-то из разряда «супер» — это команда в несколько сотен, возможно, пятьсот человек, и они работают не один год над такими переломными в развитии изделиями. Практика показывает, что на разработку какого-то изделия требуется полтора — два с половиной года. При хорошей погоде — полтора года...

— Вы сказали, компания пятьсот человек, естественно, это опытные разработчики, нормальное финансирование. Но у того же «Микрона» такой большой команды нет. Что вы можете создать теми разработчиками, которые есть сейчас?

— Мы можем разрабатывать промышленные контроллеры, кристаллы для смарт-карт...

— Чип для ГЛОНАСС-приёмника можете сделать?

— Чип для ГЛОНАСС мы могли бы сделать в кооперации. Тут нужно понимать, что современная система на кристалле — это не просто чип. Это смесь железа, то есть, микроэлектронной схемы и встроенного программного обеспечения. Сейчас практически всегда это так. Вообще, само решение о том, какие функции передать в программное обеспечение, а какие реализовать на уровне железа — это отдельная история. Это отдельные люди разбираются, как лучше, как хуже. Можно сделать разные решения с разной стоимостью, отдавая приоритет либо мощному процессору, либо софту.

— Это уже маркетологи решают?

— Не только, хотя и они тоже. В зависимости от выбранного вами решения по разделению межу софтом и хардом будет разный размер кристалла, может быть, разная цена, потребительские свойства, понимаете? Вот в ГЛОНАСС есть специфическая математика, например. Лично я ею не владею, поэтому не понятно, как лучше реализовывать — софтом или железом. Если я не умею работать с этой математикой, значит надо скооперироваться с людьми, которые профессионально этим занимаются. Современный хайтек не очень любит дилетантизм.

— А сколько таких компаний, как Intel, которые делают всё сами, от идеи до массового производства?

— Их несколько всего. Причём у Intel есть одна интересна особенность — он ещё сам разрабатывает технологии. Многие компании, типа Qualcomm, используют контрактное производство, т.е. китайские, тайваньские фабрики для производства своих изделий, у них нет своих заводов. Intel всё в основном производит на своих заводах. То есть, ему нужно разрабатывать технологии, изделия, опережая всех остальных конкурентов.

— Как вы считаете, будущее за такими вертикально интегрированными компаниями, как Intel, у которых есть и разработка и производство, или за фаблесс-компаниями отдельно и производствами отдельно?

— Если бы вы меня спросили лет десять назад, когда тренд был совершенно очевидный, однонаправленный что ли, происходило разделение производства и разработки, появлялись фаундри и фаблесс-компании, это было просто бурное развитие фаблессных компаний, тогда бы я вам точно сказал. Сейчас я был бы немножко более сдержан в оценках, потому что эти процессы разделения, где-то дошли до своего логического завершения.

Более того, контрактное производство, в основном, в юго-восточной Азии, это создаёт дополнительные риски. Я имею ввиду не российскую экономику, а те экономики, которые ориентируются на это производство. Сейчас подрастают довольно интересные фаблесс-компании на Тайване, в Китае, и они планируют загрузить эти производственные мощности своими разработками. После этого, к сожалению, многим фаблесс-компаниям просто не будет места на массовом рынке. Сейчас говорят о том, что надо подумать, стоит ли всё это до конца переводить в Азию или, может быть, что-то оставить себе.

— Вы уже много говорили о том, что есть множество ограничений: размер, цена, энергопотребление и т.д. Все слышали о законе Мура, который говорит, что мы будем дальше расти, размеры будут уменьшаться, производительность расти... Понятно, что это не может быть до бесконечности. Когда и на чём мы остановимся?

— Понятно, что меньше, чем размер атома мы транзистор сделать не можем.

— Точно?

— Это будет что-то другое. Чтобы сделать транзистор требуется несколько атомных размеров. Совершенно понятно, где предел. Когда я был студентом — это был конец семидесятых годов — мне попался в руки журнал, и там была статья, которая называлась «О достижениях физических границ дальнейшей минитюаризации микроэлектроники». И там люди говорили, что всё — век микроэлектроники заканчивается, разве можем мы себе представить транзистор, у которого затвор будет меньше микрона — это чума! Примерно то же самое я читал в конце восьмидесятых годов — там уже было понятно, что с микроном мы разобрались, ушли гораздо дальше. Там свои ужасы возникали и так далее... Мне раз в десять лет обязательно попадаются на глаза статьи достаточно серьёзных людей о том, что закат микроэлектроники будет завтра. А он всё не наступает. Хотя есть совершенно понятные, очевидные пределы. Делались экспериментальные транзисторные структуры с длиной затвора порядка 10 нанометров. Сейчас самые топовые технологии — в районе 30.

— 22?

— Это еще вопрос. Это еще не массовая продукция, это пробы пера. Есть куда расти. Но тут надо понимать одну интересную вещь — достаточно долго закон Мура исполнялся так, что когда на смену одному технологическому поколению приходило следующее, оно, естественно, вытесняло полностью предыдущее. И так продолжалось я даже не могу сейчас сходу сказать до какого точно времени. Но то, что я наблюдал несколько лет назад, разговаривая с видными американскими специалистами, мы обсуждали тогда интересную вещь — одновременно на рынке присутствуют изделия нескольких технологических поколений. Причём многие из них были освоены как технологии массового производства того времени уже, дай бог памяти, больше десяти лет назад. И всё равно представляли собой массовое производство. Не происходит полного вытеснения новыми технологиями старых. Это связано с определёнными физическими процессами, которые свойственны нанометровым структурам. Не для всех применений нужен очень маленький канал, затвор.

— Мне кажется, это связано с экономикой, в первую очередь. Наверное, не имеет смысла билеты для метро делать по технологии 90 нанометров.

— Совершенно верно. Во-первых, чисто экономика. Во-вторых, транзисторы с маленькими размерами обладают рядом эффектов, проявляют некие свойства, не очень хорошие для многих применений. На них не очень хорошо делать аналоговые приборы, совершенно невозможно делать, условно скажем, высоковольтные приборы. Когда учат студентов говорят, что традиционная КМОПовская технология хороша тем, что в статическом режиме она не потребляет — только во время переключения. Когда размеры очень маленькие — 45 и дальше, 65 даже — то инверторы «текут». Он не переключается, а потребляет — это большая беда. И чем меньше мы делаем, тем эти процессы становятся более и более ощутимыми. А что такое потребляет? Высасывает батарейку моментально. А мы все любим, чтобы телефон работал долго, чтобы плейер играл долго, чтобы маленький нетбук работал долго. Мы хотим реже перезаряжать всё это.

— Получается, развитие для части продуктов уже остановилось, произошла дифференциация продуктов по технологиям?

— Во-первых, произошла дифференциация. Часть изделий производится по другой технологии. Часть изделий производится по новейшим технологиям. Процессоры и память для компьютеров, графические процессоры — они бегут всегда немного впереди. Там нет выбора — нам нужна производительность и мы готовы заплатить чем-то. Это развивалось и будет развиваться. Для каких-то применений мы говорим, что мы здесь не готовы платить много денег за разработку и производство этих схем, нам эти уникальные свойства не нужны. Во-вторых, мы знаем, как спроектировать в предыдущих поколениях, с точки зрения потребителя всё будет точно так же, только дешевле.

Тем не менее, я вижу, как старые технологии уходят. Находятся приёмы, продукты диффундируют, они всё равно текут в сторону уменьшения. Просто есть продукты, которые идут на гребне первой волны внедрения новых технологий, а есть те, которые идут сзади. Но всё равно тренд известен.

Плюс надо, конечно, заметить, что инженерное сообщество, чтобы преодолеть негативные физические явления, которые мы наблюдаем в нанометровых приборах, придумало много не самых замысловатых приёмов. Я всегда уважал людей, которые могут решить задачу изящными, простыми способами. Очень много изящных решений — честное слово. Я с большим уважением отношусь к людям, которые это придумали. Вместо того, чтобы насочинять бог знает что, они подумали и устранили какие-то причины, фундаментально лежащие в основе всего. Простенько, со вкусом и это работает, это воспроизводится многими компаниями, которые заняты разработкой. Это не секрет.

— Компания Plastic Logic, которая сейчас собирается строить в Зеленограде завод, делает гибкие дисплеи на основе некремниевой электроники, полимеров. Может быть, сюда будет микроэлектроника идти?

— Всё может быть. Если посмотреть ретроспективно в прошлое электроники, были лампы и одним из основных достоинств, показателей качества вакуумных приборов была чистота вакуума, пытались создать как можно более чистый вакуум... Среда, в которой обрабатывалась информация, был вакуум. После этого мир перешёл к приборам к информационной среде совершенно противоположного свойства — к полупроводникам, материалам, кристаллическим структурам. Вместо пустоты, в которой перемещаются электронные пучки, мы перешли к плотно упакованным решёткам. Что будет следующей средой?

Сначала мы пытаемся сделать вакуум всё чище и чище, а потом — бах! — и получаем твёрдое тело. Я думаю, и здесь будет какой-то очень качественный прорыв, что-то другое. Не обязательно, что мы вернёмся к вакууму или перейдём, например, к жидкости. Может это будут кристаллы. Но принципы построения систем обработки информации, а электроника — это, в основном, обработка какой-то информации, будут, наверное, другие. И чем быстрее мы дойдём до того физически понятного размера, где электроника, наверное, заканчивается, тем быстрее лучшие умы человечества озадачатся проблемой «Что же дальше?».

— Если вернуться к дизайну, непосредственно работа дизайнера не изменится? Ведь всё равно он будет пользоваться некими средствами проектирования. Собирать те же самые схемы, которые будут что-то делать. В принципе, будет всё то же самое. Это такая вечная работа?

— Да, совершенно верно. Вы хотели узнать, когда выпускники МИЭТа перестанут быть нужны? Отвечу — никогда. Это я могу вам точно сказать. Смотрите, вы правильно говорите, что сейчас самые передовые технологии — 20 с небольшим нанометров. Тем не менее, есть ряд компаний, которые основные доходы получают с технологий 0.6 микрона — 600 нанометров. Есть приложения в автомобильной, в высоковольтной электронике, где 28 нанометров не нужны, а 0.6 микрона — очень даже хорошо. Поэтому я говорю, что рынки есть всегда. Для всяких ниш, где удобно пользоваться не сверхновыми технологиями, а по разным причинам удобнее пользоваться старыми.

— Я вас всё пытаюсь столкнуть в какие-то абстрактные размышления о будущем, а вы меня всё в экономику, в рыночные ниши.

— Наверное, это уже практический взгляд человека средних, зрелых лет. Если говорить о перспективах, то развитие всегда очень плохо предсказуемо. Я приведу пример: в 47-м году президент компании IBM где-то сказал, что совершенно понятно, что рынок компьютеров во всём мире будет исчисляться несколькими единицами...

— А Билл Гейтс сказал, что 640 килобайт хватит всем.

— Для всех и навсегда. А президент компании Digital Equipment Corporation — вторая после IBM компания, сказал: «Совершенно непонятно куда мы будем продавать персональные компьютеры». Люди, вовлечённые в индустрию, знающие её не по наслышке, принимающие в ней ответственейшие решения делают, как бы сейчас сказали, безответственные заявления. Делают заявления, которые оказываются не пророческими, а прямо противоположными тому, что случилось. Потому что предсказать будущее очень сложно.

— Предсказать будущее сложно, но дизайнеры будут нужны в любом случае.

— Всегда. И смена материального носителя или способа обработки информации, среды, она изменит что-то, но многие вещи останутся такими же.

— Спасибо, на этой оптимистической ноте мы закончим. У нас в гостях был Григорий Хренов, заместитель главного конструктора завода Микрон. Мы говорили о дизайне чипов, о творчестве, науке и рынке в этой работе.

Автор: Александр Эрлих

www.mikron.ru

Микроэлектроника для "чайников" - технологические особенности 90 нм процесса

За последнее время в российской микроэлектронике произошло важное событие: ввод в эксплуатацию на заводе «Микрон» линии по производству микросхем по технологии 90 нм. Совместно с «Микроном» мы планируем сделать две передачи по этому поводу. Одна об экономическом аспекте этого события, о маркетинге, продажах, стратегии и тому подобных вещах. А сейчас мы поговорим о технологических особенностях 90 нм процесса с Романом Арилиным, инженером-технологом кристального производства 90/180.

— Роман, я бы сразу хотел закрыть вопрос определения, что же такое «90 нм» и чем это отличается от других технологий, потому что у нас даже читатель задал вопрос: «Насколько 90 нм технология на „Микроне“ является честной, и полностью ли микроновская технология удовлетворяет некой классификации?», имея в виду, что разные производители по-разному трактуют это понятие. Вообще, имеет ли смысл говорить о разной трактовке понятия «90 нм» и как ее трактует «Микрон»?

— Есть организация, которая занимается стандартизацией определений терминов технологий. В вопросе вашего читателя был обозначен этот стандарт, но реально все мировые производители, которые владеют технологиями, формально не попадают под этот стандарт. Поэтому, когда говорят «технология 90 нм», имеется в виду, что технология содержит ряд признаков, которые позволяют ее отнести к технологии 90 нм, а не 180 нм. Какие это признаки? Это, в первую очередь, минимальный размер элемента, как правило, имеется в виду размер по затвору транзистора — основной рабочий элемент. Он должен быть не более 90 нм, но реально меньше. Потом, это более тонкий подзатворный диэлектрик в этом же транзисторе. Это — использование меди в качестве металлизации. В предыдущей технологии 180 нм был алюминий в качестве разводки, а здесь уже медь. И, соответственно, все остальные процессы меняются под эти признаки.

— Эти признаки, о которых вы сейчас сказали, в микроновских 90 нм есть?

— Да. Но тут нужно быть корректным, потому что есть много разновидностей 90 нм технологий. Есть, так называемая «low performance»-технология, «high performance»-технология — технологии, где требуются быстрые транзисторы и небыстрые. Они различаются и используются для разного типа продуктов. У нас технологии 90 нм «lp», то есть, «low performance». У нас небыстрый, низкопотребляющий транзистор, он потребляет меньше энергии, но, соответственно, более медленный.

— Значит делать быстродействующие процессоры или элементы памяти на вашей технологии не получится?

— Получится, но он будет больше, ведь если вы возьмете процесс «high performance» и «low performance», то площадь схемы по схеме «high performance» будет меньше. Но если вы захотите сделать другой класс схем, где нужно низкое потребление, низкий уровень утечек, то эффективней использовать технологию «low performance».

— Вообще, обычный человек может понять, 90 нм или 180 нм у него в конечном устройстве? Вот, скажем, билетик для метро. Говорят, что его делают по технологии 180 нм на «Микроне». Может быть, вы сейчас перейдете на 90 нм, и я увижу, что он срабатывает быстрее или стал дешевле. Как-то можно это понять конечному потребителю?

— Внешне никак нельзя догадаться. Конечный потребитель может только кошельком почувствовать или попытаться угадать, какая технология в его приборе или устройстве. К примеру, если мы возьмем современный сотовый телефон и сотовый телефон, который мы могли купить 10 лет назад, при одной и той же цене, примерно, в современном сотовом телефоне большее количество доступных функций: GPS, подключение к интернету и так далее. Увеличивается количество функций за единицу стоимости, за каждый рубль. Если раньше телефон мог только «говорить», то сейчас он может все, что угодно. Визуально нельзя догадаться, а по косвенным признакам можно.

— Переход со 180 нм на 90 нм означает просто выход на новые типы продукции или какие-то улучшения для существующей продукции? Есть ли какие-то продукты, которые вы будете переводить со 180 нм на 90 нм с целью улучшить в конечном итоге их экономические показатели?

— Есть потенциальные схемы, которые целесообразно переводить на 90 нм, так как получится выигрыш и в функциональности, и в стоимости. Получится доступ на новые рынки с точки зрения экономики.

— Можно ли оперировать цифрами «90» и «180» чисто в арифметическом смысле? Количество нанометров уменьшилось в два раза, соответственно, площадь уменьшилась в два раза, энергопотребление уменьшилось в два раза и так далее. Насколько здесь такие аналогии вообще уместны?

— Такие аналогии уместны, но специалист всегда более конкретно спросит: «Какова плотность расположения элементов на единицу площади, на сколько увеличилось количество затворов на единицу площади?». Поэтому на уровне обывателя можно сказать, что все уменьшается в два раза. Но специалист глубже будет копать.

— Какие особенности производственного процесса дают это уменьшение размера, увеличение уменьшение плотности элементов?

— Если мы мысленно снимем оболочку с чипа и посмотрим на него через увеличительное стекло, то увидим много-много полосочек. Если мы будем мысленно идти ещё «глубже», то увидим проект схемы как она делается, то есть топологический рисунок, который потом переносится вживую. Мы увидим много-много разных элементов и расстояний между ними. При переходе на более современные технологии меняется не только минимальный размер каждого элемента, но и происходит сжатие их взаимного расположения. За счет этого мы и уменьшаем размер транзистора, в итоге какой-то IP-блок или вся схема тоже сжимаются.

С точки зрения технологии это накладывает новые требования к процессам. Чтобы сделать меньше размер элемента, вам нужно как-то сделать «тоньше» инструмент. Один из основных инструментов — это установка фотолитографии, то есть, фотолитографический сканер или степпер. Он делает этот размер, который потом и определяет уровень технологии. В данной технологии используется уже более современная установка, которая позволяет получать размеры на уровне 90-60 нм. За счет того, что в ней длина волны, то есть свет, который экспонирует маску, меньше — 193 нм. В технологии 180 нм— 253 нм.

— Я видел непосредственно этот аппарат у вас в чистой комнате. Там стоит сканер для 180 нм и рядом буквально в пяти метрах — для 90 нм. Внешне они не отличаются вообще ничем. Наверное, специалист знает, как их отличить, но я не увидел. Что именно в этом аппарате появилось нового для достижение меньшей длины волны и других необходимых для 90 нм показателей.

— Весь кластер. Там и сам аппарат, в котором система экспонирования с лазером, позволяющая получать длину волны меньше, и трек нанесения, в котором используются новые материалы, и новые специальные фоторезисты. Соответственно, должна быть точность большая, точность нанесения и точность воспроизведения.

Этот более современный, модификация предыдущего поколения оборудования. Хотя визуально они просто как железные ящики. А внутри и программное обеспечение, и железо — все новое, другое.

— Что нового, помимо оборудования, появилось в 90 нм производстве?

— Это и подготовительная стадия — дизайн другой. Часть материалов, которые используются при изготовлении в этой технологии, другие: медь, новые диэлектрики новые, другие материалы. Соответственно, новые установки и новые процессы.

— Вы уже несколько раз упомянули о медной металлизации. Почему в 180 нм используется алюминий, а в 90 нм уже начинают использовать медь? Почему не использовать медь в 180 нм, если это дает какие-то преимущества?

— Это вопрос сопротивления металлической разводки, от которой зависит быстродействие схемы. Сопротивление меди меньше, чем сопротивление алюминия. В технологии 180 нм это еще не настолько критично. Но с какого-то момента при уменьшении размера начинает сказываться ограничения собственно материала. При переходе на 90 нм алюминий уже дает сильную задержку микросхемы. Вы уменьшили затвор, уменьшили все элементы, а металлизация как бутылочное горлышко, которое не позволит вам получить эффект по быстродействию.

— Почему для применения медной металлизации потребовалось строительство нового чистого помещения?

— Медь — особенный материал. При попадании в транзисторный цикл изготовления, он меняет характеристики приборов. И загрязнение меди, которое может попасть через контейнер или через операторов, через общие материалы, загубит характеристики и будет нулевой выход годных. Медь для транзисторов, как вредитель для растений.

Поэтому была построена отдельная «медная» комната, где производится цикл изготовления микросхемы с медной частью. Она изолирована, и переноска контейнеров должна осуществляться по специальному «медному» протоколу. Есть определенные правила, по которым происходит перемещение продукции из этой комнаты наружу.

— Это похоже на правила, по которым в чистую комнату заходит человек: нужно переодеться, протереть ноги и т.д.?

— Да, примерно такая же ситуация, то есть специальные правила по обращению пластин из этой медной комнаты в остальные помещения.

— Помимо собственно наличия меди специалисты уточняют количество слоев металлизации — что это такое, что это дает и насколько сложно увеличивать количество этих слоев?

— У нас до девяти слоев металлизации. Это говорит о том, насколько плотно упакованную схему можно сделать. Чем больше слоев металлизации, ем больше вы можете сделать элементов и развести их. Если в обычной жизни искать аналогию, то можно сравнить с выездом, из которого вы можете попасть в девять разных точек - в каждую по своей отдельной дороге.

— Увеличение количества слоев металлизации возможно и нужно ли это?

— Теоретически можно слоев много делать, и десять, и двадцать, теоретически. Но нужно ли это с практической точки зрения? Это приводит и к увеличению стоимости продукции и с какого-то момента наступает физическое ограничение.Если наметится какой-то бонус от добавления слоев, то теоретически можно добавить, но мы технологию перенесли с фирмы-донора, и если им с их опытом не потребовалось больше, то зачем нам выдумывать?

— Вы говорите, технологию перенесли с фирмы-донора, от французской ST. А будете ли вы разрабатывать свои собственные технологии именно под 90, насколько это вообще сложный процесс — разработка собственной технологии?

— Разработать технологию, это конечно сложно. Одно дело, если есть какая-то базовая технология и нужно встроить дополнительный блок операций, чтобы получить какой-то выигрыш, это менее сложно. А другое дело, вести разработку с нуля. В современном мире чтобы освоить технологию 65 нм или 32 нм даже фирмы-гиганты объединяются в альянсы, потому что стоимость оборудования и затрат очень велика, миллиарды долларов.

— А что такое «улучшение технологии», можете привести пример?

— К примеру, если есть технология КМОП, можно добавить в него EEPROM-часть, чтобы получить технологию EEPROM. Вот так можно.

— Это от заказчика исходит инициатива, или вы это делаете сами, на будущее, как научно-исследовательскую работу?

— Может быть решено, что есть потенциальный рынок, потенциальная ниша для будущего продукта, в котором нет конкурентов. А может быть конкретный заказ на определенный класс схемы, и идет работа по разработке технологии под класс схем. Это требует, конечно, ресурсов, начиная от предварительного моделирования, расчетов, создание библиотек элементов, вывод тестовых партий. И это требует времени: год, два, три.

Производство в данном случае выступает как один из элементов этой цепочки. Производству дается задание на изготовление, на модернизацию какого-то процесса. На основе задания модифицируется процесс, чтобы получить, допустим, еще меньший размер по затвору, если это возможно, либо сделать еще дополнительный слой металлизации.

— Это требует покупки какого-то дополнительного оборудования или то, что у вас уже сейчас всё есть и нового «железа» докупаться уже не будет?

— Это зависит от конкретной задачи. Если мы хотим разработать новую технологию с каким-то блоком, то, возможно, потребуется закупка дополнительного оборудования не только для того, чтобы получить какой-то выигрыш, скажем, в точности, но и чтобы с точки зрения производительности развязать узкое место. Если мы хотим другой диэлектрик делать, то логично купить новую установку для нового диэлектрика, а не делать на одной несколько типов и не задерживать производство существующей продукции.

— Насколько я знаю, сейчас планируется увеличить объем производства до 36000 пластин в год. Если будет стоять задача увеличить объем производство, то возможно ли это в принципе и что для этого нужно?

— Есть расчеты, которые показывают с точки цикла изготовления, где узкое место. У разных производителей оно своё и зависит от набора оборудования, от маршрута изготовления, от планов по продуктам, и вообще-то является коммерческой тайной.

— Какой выход годных микросхем у вас считается хорошим с точки зрения технологии?

— Для технологий 180 нм и 90 нм, выход годных должен быть не менее 95%. Реально — 98-99%. Тогда можно сказать, что технология обеспечивает хорошее качество заказчику и нужный экономический эффект. При низком выходе годных встает вопрос об экономической целесообразности и качестве продукции — значит что-то не совсем в порядке.

— Можно ли сравнить ваш показатель, скажем, с компанией ST, с которой вы перенесли технологию?

— Конечно, нам такие протоколы не показывали, но у них выход годных 95-98% не меньше. И это зависит от конкретного продукта. Если площадь кристалла велика, то выход годных может падать. Он определяется количеством поражающих дефектов, которые вы «схватываете» во время цикла изготовления. Допустим, известно, что должно быть 10 поражающих дефектов на пластину. Если у вас кристалл занимает всю пластину, то 10 раз он поражен. Чем меньше кристалл, тем больше выход годных.

— Если рассматривать технологии 90 нм, которые освоены на разных фабриках в мире, то где находится «Микрон» — это какая-то отстающая технология, «середнячок», или есть какие-то прорывные вещи?

— Мы находимся на уровне технологии, полученной от ST. Эта компания сейчас не является лидером с точки зрения минимального размера, но с точки зрения получения прибыли, изготовления продуктов она входит в первую десятку. Не всегда технологическое лидерство, к примеру то, что вы получили 25 нм, означает, что вы лидеры в плане денег. Нужен баланс.

— Часто в обсуждениях в интернете не считают деньги, а оперируют лозунгами.

— «А у вас тут 25 нм? Не 25 нм? Тогда у вас туфта...» В чем успех Intel? Во-первых, компания сама производит кристаллы и в виде готового продукта, у которого фактически нет конкурентов, выводит его на рынок. Средства, которые она выручает за продукт, она направляет на развитие технологий, чтобы быть на шаг впереди. И это ей позволяет быть в лидерах.

Есть разные классы, типы компаний: есть IDM-компании (integrated device manufacturer), и есть foundry, которые работают для сторонних заказчиков. У каждой свои сильные и слабые стороны.

— Насколько я понимаю, «Микрон» как раз стремится к тому, чтобы быть вертикально интегрированной компанией?

— Сейчас по продуктам так и получается. Например, билеты на метро «Микрон» выпускает от начала до конца. Здесь он выступает как аналог Intel. Но по каким-то продуктам «Микрон» может работать просто как изготовитель, как foundry.

— К чему в первую очередь нужно стремиться в той продуктовой линейке, на которую сейчас ориентирована технология «Микрона»: добиваться удешевления, наибольшей эффективности, повышения выхода годных или все-таки стремиться улучшать что-то с точки зрения технологии, производственного процесса?

— На самом деле оба пути должны быть. Цели технологической линейки это обеспечивать максимальный выход годных, минимальное количество брака и делать это по низкой цене — по этим показателям оценивают нашу работу. Вторая цель — это разработка новых технологий для удовлетворения реального либо потенциального заказчика. Это цели разных подразделений. Когда мы говорим «производство», нужно разделять производство как производственную линия и производство как завод. У завода есть обе эти цели, но производственная линия занимается конкретной задачей.

— Тогда вопросы бизнеса оставим на следующую передачу, а зачитаю вопрос нашего читателя о технологии: «Какие планы на организацию проведения OPC для 90 нм процесса?» О чем вообще идёт речь?

— Речь идёт о том, что чем «меньше» технология, тем больше сложностей возникает с переносом рисунка с шаблона, со стекла на пластину. Когда размер уменьшается, то из-за интерференции, дифракции происходит искажение рисунка. К примеру, вы хотите сделать квадратик, а вместо квадратика получается кружочек. Чтобы этого избежать, делается на шаблоне специальная коррекция элементов, закладывается не квадратик, а специальный квадратик, по углам которого дополнительные квадратики. В итоге на пластине вы получаете рисунок, максимально приближенный к квадратику.

Это вопрос на стыке дизайна и технологии. Зависит от процесса, который вы делаете на фотолитографии, от материалов, от установки.

— Это та самая связь дизайна и производства, когда вы дизайн завязываете непосредственно на ваше производство? Если они сделали квадратики по углам квадратика, то получится правильно, а если они сделали ромбики, то непосредственно на вашем производстве не получится?

— Тут непонятно, кто на кого больше завязан. Чем тоньше технология, тем больше связаны разные аспекты: дизайна, изготовления стекол, материалов, и сам процесс. То есть, все больше людей в этом принимают участие. Конкретно по OPC на 90 нм, еще раз повторюсь, мы переносим технологию с фабрики-донора, и все аспекты, связанные с переносом изображения, уже учтены. Наша задача только корректно воспроизвести, выполнить технологию. Для новых технологий такой вопрос стоит. При 32 нм учет и моделирование этих эффектов — это вообще глобальная задача.

— Но эта задача не производственной линии, а скорей задача математическая, научная?

— Да, она в начале должна быть математически разработана, потом проверена в виде эксперимента, и так до тех пор, пока не получится адекватная рабочая модель.

— Хотел спросить за сколько новая линия окупится, но понимаю, что вопрос не к вам. Поэтому спрошу иначе: на какой срок службы рассчитан используемый набор оборудования? Ведь там достаточно агрессивные среды, химия.

— Тут можно привести аналогию с автомобилем. Сколько может прослужить кузов автомобиля? 20-30-40-50 лет. Но нужно менять расходные материалы. Также и с оборудованием. Есть корпус — некий остов, на который навешана электроника, и есть рабочая камера, в которой происходит процесс. Самое агрессивное воздействие идет в рабочей камере, которая должна быть обновляема, очищаема, заменяема. Для него определен период замены каждой части. В целом вы можете использовать оборудование настолько долго, насколько вы видите смысл с точки зрения экономики по выпуску пластин на этом оборудовании.

Возвращаясь к аналогии с автомобилем — если вам нравится и вас удовлетворяет технические характеристики: скорость передвижения, грузоподъемность, эстетическая часть, вы можете бесконечно долго ездить. Здесь примерно тоже самое.

— Я не знаю, хорошо или плохо, чтобы эта линия работала бесконечно долго, но будем надеяться, что она проработает столько, сколько надо.

— Это идеальный случай. Вообще супер-вариант, если вы двадцать лет использовали оборудование, и вы через двадцать лет делаете на нем пластины, которые продаются — тогда вы оборудование уже несколько раз окупили и оно у вас практически бесплатно работает.

Но на самом деле не бывает так, чтобы на оборудовании производить двадцать лет пластины, которые бы продавались по цене двадцатилетней давности. Цена за пластину падает. Телефон десятилетней давности, который просто звонит, вы можете купить сегодня, но уже за один доллар. Соответственно, чип, который в этом телефоне, в десять раз снизился, и цена за пластину, которая была раньше 10000 долларов, она сейчас, условно, 1000 долларов. Это и позволяет развивать микроэлектронику с точки зрения экономики, то есть, с точки зрения массового развития.

www.mikron.ru

Как быстро научиться электронике? | Практическая электроника

Как быстро научиться электронике!?  “А не сбрендил ли автор?” – подумаете вы.  Кто-то может за пару лет научиться программировать микроконтроллеры, а кто-то до сих пор будет собирать пищалки и фонарики. Это уже зависит, конечно, от самого человека. Но давайте вернемся к вопросу… Реально ли  можно быстро научиться понимать схемы, собирать по ним электронные безделушки и научиться программировать микроконтроллеры?

Как быстро научиться электронике?

Итак, начнем издалека… Жил да был один итальянец.  Звали его Вильфредо Парето. И был он очень наблюдательный, любил за всем наблюдать. Вот как-то наблюдал он за всем и всея и понял одну важную вещь во всей  Вселенной. А звучит эта вещь как-то так:  20% усилий дают 80% результата, а остальные 80% лишь 20% результата. Хм, звучит неплохо, но так ли это? И соблюдается ли этот закон во всей нашей Вселенной? А давайте проверим!  Вот некоторые статистические данные:

20 процентов стран, в которых проживает меньше 20 процентов населения земного шара, потребляют 70 процентов мировых запасов энергии, 75 процентов металла и 85 процентов древесины.

• Менее 20 процентов общей площади Земли дают 80 процентов всех минеральных ресурсов.

• Менее 20 процентов войн приносят более 80 процентов человеческих потерь.

• Где бы вы ни жили, 20 процентов облаков производят 80 процентов дождя.

• Меньше 20 процентов записанной музыки исполняется более 80 процентов времени.

• В большинстве художественных музеев 20 процентов сокровищ демонстрируются 80 процентов времени.

• Менее 20 процентов изобретений оказывают более 80 процентов влияния на нашу жизнь. В двадцатом веке атомная энергия и компьютеры обладали большим влиянием, чем, вероятно, сотни тысяч прочих изобретений и новых технологий.

20 процентов земли дают более 80 процентов продуктов питания.

20 процентов статей “Практической электроники” просматриваются 80 процентами читателей :-).

В действительности весь жизненный цикл, от желудя до гигантского дуба, от маленького зернышка до обширных пшеничных полей, является  отражением принципа 80/20, взятом в самом масштабном значении. Незначительные причины — колоссальные результаты. Вскоре это принцип был назван 80/20 или принципом Парето, в честь наблюдательного итальянца.

       

Чтобы научиться электронике я ходил на радиокружок, читал книжки по электронике, закончил вуз по специальности “Радиотехника”, но про себя я не могу сказать, что я супер-пупер электронщик… Пять лет вуза  – сплошная теория, которая вообще нахрен никому не нужна. Зачем надо было заучивать все эти трехэтажные формулы и теоремы? После окончания вуза они все равно выветрились, как семена одуванчика при легком дуновении ветерка, но все таки я благодарен вузу за то, что там меня научили быстро понимать материал и быстро соображать.

Где-то случайно на страницах Рунета я прочитал про принцип Парето и про себя подумал: “Где же зарыты эти 20% в изучении электроники?”  Проанализировав время, в течение которого я изучал эту сферу,  я все так понял: 20% – это

– сидение по вечерам с паяльником и паяние схем

– радиофорумы и сайты без копипаста с учебников и энциклопедий

– общение с такими же чайниками в электронике

– практика, практика и еще раз ПРАКТИКА!

 

Ох,  а сколько сейчас в Рунете книжек по электронике… “Радиоэлектроника для чайников”, “Занимательная электроника”, “Электроника от А до Я”.

Как быстро научиться электронике?

Сколько я их только не перечитал.  Да, согласен, есть хорошие книжки, но в основном книжки по электронике написаны каким-нибудь профессором с пятиэтажными формулами и с логарифмическими графиками. Читать книги по электронике? Думаю, это на любителя. Опять же напрашивается принцип 80/20.  20% книг дают 80% знаний. Но эти книги еще надо найти. От себя добавлю, не тратьте зря время, если книжка по электронике вас ну никак не устраивает. Начните читать другую. И все таки, я больше склоняюсь  к практической части электроники. Электроника на практике как раз и относится к тем 20%. Вы все еще сидите? А ну-ка бегом паяльник в руки!

www.ruselectronic.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о