XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Мы воспринимаем центральный процессор как «мозг» компьютера, но что это значит на самом деле? Что именно происходит внутри миллиардов транзисторов, благодаря которым работает компьютер? В нашей статье рассмотрим процесс создания архитектуры компьютерного оборудования и расскажем о принципах его работы.

В техническом плане современный процессор представляет собой огромную микросхему, состоящую из миллиардов элементов — транзисторов, они же дискретные переключатели. Транзисторы отвечают за включение и выключение, то есть пропуск и блокировку электрического тока.

Мы начнём с очень высокоуровневого объяснения того, чем занимается процессор и как строительные блоки соединяются в функционирующую конструкцию. Во-первых, нужно дать простое определение тому, что делает чип или процессор. Простейшее объяснение: процессор следует набору инструкций для выполнения определённой операции над множеством входящих данных. Например, это может быть считывание значения из памяти, затем прибавление его к другому значению, и наконец сохранение результата в память по другому адресу. Это может быть и нечто более сложное, например, деление двух чисел, если результат предыдущего вычисления больше нуля.

Дискретные переключатели позволяют логическим схемам компьютера функционировать в двоичной системе. Проход электротока — это единица, а отключение — ноль. Различная последовательность этих цифр и образует информацию: программы, текст, видео, картинки или музыку. Размеры транзисторов измеряют в нанометрах, это миллиардная часть метра. Давайте посмотрим, как удается производить такие микроскопические элементы.

 

Проектирование

Уровни проектирования:

электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.)

схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.)

логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.)

физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле

топологический — топологические фотошаблоны для производства

а также

программный — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель, используя виртуальную схему)

В настоящее время (2022 г.) большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.

Основные этапы производства процессоров

Производственный процесс включает более двух тысяч операций. Выделим из них три основных этапа.

Печать транзисторов — микросхемы печатают посредством фотолитографии на специальных машинах. Цель технологии — сформировать на кремниевой подложке изображение, чтобы получить заданную топологию микросхемы. На пластину наносят тончайший слой светочувствительного полимера — фоторезиста. Далее осуществляют облучение через оптическую систему, проявление и обработку поверхности. Процесс напоминает печать черно-белых фотографий, когда на пленку светят лампой, подложив снизу фотобумагу. Машина повторяет операцию несколько десятков раз. Между слоями находится диэлектрик, выполняющий роль изолятора. В результате образуются миллиарды транзисторов, которые пока еще не соединены между собой.

Соединение дискретных переключателей выполняют в определенном порядке, который зависит от архитектуры процессора. Производители держат ее в секрете. На данном этапе наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют транзисторы.

Тестирование и нарезка пластины. Каждую микросхему проверяют на брак, затраты электроэнергии и нагревание. После этого пластины разрезают на 100–150 отдельных чипов, которые оснащают крышкой для защиты кристалла от механических повреждений и отвода тепла. Самые удачные микропроцессоры устанавливают в дорогие серверные продукты. Если ЦП имеет небольшие недочеты, его не бракуют, а отдают в массовую продажу.

Типы корпусов микросхем:

На сегодняшний день интегральные микросхемы выпускаются в двух вариантах исполнения - корпусном и бескорпусном. Бескорпусная микросхема представляет собой открытый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку. Для защиты от внешних воздействий интегральные микросхемы помещают в пластиковый или керамический корпус. Корпуса микросхем стандартизованы. Инженеры часто сталкиваются с англоязычными документами, в них корпус интегральной микросхемы называется "chip package", "chip container" или "chip carrier".

Ниже представлены наиболее распространенные серии корпусов импортных интегральных микросхем, предназначенные для монтажа в отверстия печатной платы:

1)Корпусмикросхемы DIP или DIL (Dual In-line Package)

Рис. 1 - Корпус прямоугольной формы с двумя рядами pin-выводов по длинным узким сторонам для монтажа микросхемы в отверстия.

Корпус DIP может быть:

PDIP — корпус выполнен из пластика (Plastic DIP);

SPDIP — сжатый пластиковый корпус микросхемы (Shrink Plastic DIP);

SDIP — тонкий корпус (Skinny DIP);

CerDIP или CDIP - корпус выполнен из керамики (Ceramic DIP);

MDIP — литойкорпусмикросхемы (Molded Dual In-line Package);

FDIP — корпуссокошкомдлязаписи (Windowed Frit-Seal DIP);

HDIP — теплорассеивающийкорпус (Heat-dissipating DIP).

В обозначении корпуса указывается число выводов: DIP8, DIP14, DIP16 и т.д.

2)Корпусмикросхемы SIP или SIL (Single In-line Package)

Рис.2 - Плоский прямоугольный корпус для вертикального монтажа в отверстия печатной платы, с одним рядом pin-выводов по длинной узкой стороне. В обозначении корпуса указывается число выводов: SIP7, SIP8, SIP9 и т.д. Этот корпус позволяет располагать интегральные микросхемы достаточно компактно на печатной плат

3)Корпусмикросхемы ZIP (Zigzag-In-line Package)

Рис. 3 - Плоский корпус для вертикального монтажа в отверстия печатной платы с pin-выводами, расположенными зигзагообразно двумя рядами в шахматном порядке. В них обычно упакованы микросхемы памяти.

Корпуса импортных интегральных микросхем для поверхностного монтажа: при сборке оптоэлектронного оборудования часто используется технология поверхностного монтажа SMT (Surface Mount Technology). Электронные компоненты, которые изготовлены для поверхностного монтажа, называют SMD-компонентами (Surface Mounted Device).

Мировой рынок

Сравнение 2021 и 2020 года наиболее показательно с точки зрения понимания изменений, произошедших в 2021 году на рынке микросхем (микрочипов). За 9 месяцев 2021 года по отношению к аналогичному периоду 2020 года мы оцениваем изменение объема продаж на рынке микросхем (микрочипов) на 29,4% до уровня 715 549 271 тыс.долл. Конечно, если сравнивать в натуральном выражении, то показатель продаж микросхем (или микрочипов) будет другой, как может быть и другая динамика. Однако более наглядная динамика наблюдается именно в денежном выражении, поскольку этот показатель оценивает количество денежных средств, оплаченных клиентами на данном рынке.

Рис. 4

Доли стран поставщиков на рынке микросхем (микрочипов) меняются ежеквартально, не говоря уже о ежегодном изменении. Также меняется и рейтинг стран поставщиков. Среди стран-поставщиков на мировом рынке микросхем (микрочипов), которых мы оценили в 3 квартале 2021 года на первые места поставили: Гонконг (Китай) с долей 17,27%, Китай с долей 17,04%, Китайский Тайбэй – 12,14%. По результатам нашего анализа, среди других заметных стран-поставщиков: Сингапур, Республика Корея, Малайзия, США, Япония, Филиппины, Германия и другие страны. Среди поставщиков микросхем (микрочипов) мы увидели и Россию. В 3 квартале 2021 года объем поставок из России изменился на 4,2%. При этом объем поставок России на мировой рынок не позволяет говорить о ней как о заметном поставщике на данном рынке. Однако мировой рынок микросхем (микрочипов) не может не оказывать влияния на Россию.

Рис. 5

Литература:

1) [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/post/456922/ (дата обращения: 19.12.2022)

2) [Электронный ресурс]. URL: https://goo.su/B6zfgi6 (дата обращения: 19.12.2022)

3) [Электронный ресурс]. URL: https://goo.su/Hz9mZQ (дата обращения: 19.12.2022)

4) [Электронный ресурс]. URL: https://t-way.ru/articles/type-packages (дата обращения: 19.12.2022)

5) [Электронный ресурс]. URL: https://www.imrg.ru/integrated_circuits.html (дата обращения: 19.12.2022)

Код для цитирования: Скопировать