что такое масочный процессор

Что такое масочный процессор

была мысль обмануть термодатчик, просто погрев его. была мысль помутить со всякими приблудами в разрывах кан-шины. и еще много-много мыслей. только страшновато без достаточных знаний портить автомобиль. был бы процессор флешевый, перепрошила бы его и все. а тут масочный. что делать?

пысы: летом заводится и едет на ура

вебасто конечно выход. но тут тема не про предпусковой подогрев)

может кто сталкивался с подобными проблемами. у кого еще масочный процессор?

была мысль обмануть термодатчик, просто погрев его. была мысль помутить со всякими приблудами в разрывах кан-шины. и еще много-много мыслей. только страшновато без достаточных знаний портить автомобиль. был бы процессор флешевый, перепрошила бы его и все. а тут масочный. что делать?

пысы: летом заводится и едет на ура

вот работал в сургуте.морозы приличные.ни разу на премьерах не сталкивался с плохим запуском из-за рошивки.хотя распространено заблуждение что японцы не расчитаны на наши морозы.в основной массе проблема в свечах зажигания.проверял на тестере Э203.вот

была мысль обмануть термодатчик, просто погрев его. была мысль помутить со всякими приблудами в разрывах кан-шины. и еще много-много мыслей. только страшновато без достаточных знаний портить автомобиль. был бы процессор флешевый, перепрошила бы его и все. а тут масочный. что делать?

пысы: летом заводится и едет на ура

Источник

Память микроконтроллеров. Регистровая память

Можно выделить три основных вида памяти, используемой в микроконтрол­лерах:

● память программ, которая представляет собой постоянную память, пред­назначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не из­меняет своего содержимого в процессе выполнения программы;

● память данных, предназначенная для хранения переменных (результатов) в ходе выполнения программы;

● регистровая память, состоящая из внутренних регистров микроконтроллера. Рассмотрим особенности каждого из перечисленных видов памяти.

Память программ.

Необходимость такой памяти вызвана тем, что микроконт­роллер не содержит таких устройств памяти, как винчестер в компьютере, с кото­рого загружается исполняемая программа. Поэтому код программы должен по­стоянно храниться в микроконтроллере.

Все типы памяти программ относятся к энергонезависимой памяти, или постоянной памяти (ПЗУ), содержимое которой сохраняется после выключения питания микроконтроллера.

В процессе выполне­ния программа считывается из этой памяти, а блок управления (дешифратор команд) обеспечивает ее декодирование и выполнение необходимых операций. Содержимое памяти программ не может меняться (перепрограммироваться) во время выполнения программы. Поэтому функциональное назначение микроконт­роллера не может измениться, пока содержимое его памяти программ не будет стерто (если это возможно) и перепрограммировано (заполнено новыми коман­дами).

Следует обратить внимание, что разрядность микроконтроллера (8, 16 или 32 бит) указывается в соответствии с разрядностью его шины данных.

Когда го­ворится, что устройство является 8–разрядным, это означает разрядность дан­ных, которые способен обрабатывать микроконтроллер.

В Гарвардской архитектуре команды могут иметь большую разрядность, чем данные, чтобы дать возможность считывать за один такт целую команду. Напри­мер, микроконтроллеры PIC в зависимости от модели используют команды с раз­рядностью 12, 14 или 16 бит. В микроконтроллерах AVR команда всегда имеет разрядность 16 бит. Однако все эти микроконтроллеры имеют шину данных раз­рядностью 8 бит.

В устройствах с Принстонской архитектурой разрядность данных обычно оп­ределяет разрядность (число линий) используемой шины. В микроконтроллерах Motorola 68НС05 24–разрядная команда размешается в трех 8–разрядных ячейках памяти программ. Для полной выборки такой команды необходимо произвести три цикла считывания этой памяти.

Выделим и рассмотрим пять типов энергонезависимой резидентной памяти, или постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), используемых для хранения про­грамм.

Масочная память.

Масочные ПЗУ (Mask–ROMили просто ROM) изготавли­ваются на этапе производства микроконтроллеров для полностью отлаженной программы. На стеклянном фотошаблоне при использовании программы созда­ется рисунок маски. Полученный фотошаблон с маской используется для форми­рования соединений между элементами, из которых состоит память программ.

Первые масочные ПЗУ появились в начале 1960–х годов и находят применение до настоящего времени благодаря таким достоинствам как низкая стоимость при массовом производстве изделий и высокая надежность хранения программ.

Недостатки масочных ПЗУ — любое изменение прикладной программы связано со значительными затратами средств и времени на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство.

Однократно программируемая память.

Эта память (One–Time Program­ mable ROM — OTPROM ) программируется пользователем и в исходном состоянии содержит ячейки с единичными битами. Программированию подлежат только те ячейки памяти, содержимое которых должно принять значение 0. Для этого на ячейку памяти подают последовательность импульсов повышенного напряжения.

Уровень напряжения, число импульсов и их временные параметры должны строго соответствовать техническим условиям. После записи нуля восстановить единич­ное значение невозможно. По этой причине память получила название однократ­но программируемых ПЗУ. Однако следует указать на возможность допрограммирования (не тронутых) ячеек с единичными битами.

Микроконтроллеры с одно­кратно программируемым ПЗУ используются в изделиях, выпускаемых небольши­ми партиями.

Репрограммируемая память с ультрафиолетовым стиранием.

Ячейка памяти с ультрафиолетовым стиранием (Erasable Programmable ROM — EPROM) представляет собой ЛИПЗМОП (лавинно–инжекционный с плавающим затвором) транзистор. В исходном состоянии (до записи) при обращении к ячей­ке считывается логическая единица. Программирование памяти сводится к запи­си в соответствующие ячейки логических нулей. Память ЕР ROM допускают много­кратное программирование, технология которого подобна технологии однократно программируемых ПЗУ.

Перед каждым сеансом программирования выполняется операция стирания для восстановления исходного состояния ячеек памяти. Для этого в корпусе мик­роконтроллера предусмотрено специальное окно, которое облучается ультрафио­летовыми лучами. Число сеансов стирания/программирования ПЗУ составляет 25–100 раз при соблюдении технологии программирования (заданные значения питающих напряжений, число и длительность импульсов) и технологии стирания (волновой диапазон источника ультрафиолетового излучения).

Микроконтролле­ры с памятью EPROM из–за высокой стоимости применяются в опытных образцах разрабатываемых приложений.

Для уменьшения цены микросхемы EPROM заклю­чают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием). Благодаря снижению стоимости версии EPROM часто используются вместо масочно–программируемых ROM.

Репрограммируемая память с электрическим стиранием.

Несмотря на указанные достоинства, этот тип памяти не получил широкого распространения для хранения программ по двум причинам:

● ПЗУ типа EEPROM имеют ограниченную емкость;

Память типа FLASH.

Электрически программируемая и электрически сти­раемая память типа FLASH (FLASH ROM) создавалась как альтернатива между де­шевыми однократно программируемыми ПЗУ большой емкости и дорогими EEPROM ПЗУ малой емкости. Память FLASH (как и EEPROM) сохранила возмож­ность многократного стирания и программирования.

Из схемы ПЗУ изъят тран­зистор адресации каждой ячейки, что, с одной стороны, лишило возможности программировать каждый бит памяти отдельно, с другой стороны, позволило уве­личить объем памяти. Поэтому память типа FLASH стирается и программируется страницами или блоками.

Таким образом, функционально FLASH –память мало отличается от EEPROM. Основное отличие состоит в способе стирания записанной информации: если в EEPROM–памяти стирание производится отдельно для каждой ячейки, то во FLASH –памяти — целыми блоками. В микроконтроллерах с памятью EEPROM при­ходится изменять отдельные участки программы без необходимости перепро­граммирования всего устройство.

В настоящее время МК с FLASH начинают вытеснять МК с однократно про­граммируемым (и даже масочным) ПЗУ.

Программирование ПЗУ.

Отметим, что Mask ROM –память программируется только в заводских условиях при изготовлении МК. Память типа OTPROM и EPROM предоставляет разработчику возможности программирования с исполь­зованием программатора и источника повышенного напряжения, которые под­ключаются к соответствующим выводам МК.

Память EEPROM и FLASH относится к многократно программируемой, или репрограммируемой, памяти. Необходимое для стирания/программирования по­вышенное напряжение питания создается в модулях EEPROM и FLASH –памяти со­временных контроллеров с помощью встроенных схем усиления напряжения, на­зываемых генераторами накачки. Благодаря реализации программного управления включением и отключением генератора накачки появилась принципиальная возможность осуществить программирование или стирание ячеек памяти FLASH и EEPROM в составе разрабатываемой системы. Такая технология программиро­вания получила название программирования в системе (In System Programming — ISP).

Она не требует специального оборудования (программаторов), благодаря чему сокращаются расходы на программирование. Микроконтроллеры с ISP–па­мятью могут быть запрограммированы после их установки на плату конечного из­делия.

Рассмотрим, как реализуется (и используется) возможность программирова­ния EEPROM–памяти под управлением прикладной программы. Если программу с алгоритмом программирования хранить в отдельном модуле памяти с номи­нальным питающим напряжением, а EEPROM–память снабдить генераторами накачки, то можно произвести ISP–программирование EEPROM –памяти. Данное обстоятельство делает EEPROM –память идеальным энергонезависимым запоми­нающим устройством для хранения изменяемых в процессе эксплуатации изде­лия настроек пользователя. В качестве примера можно привести современный телевизор, настройки каналов которого сохраняются при отключении питания.

Поэтому одной из тенденций совершенствования резидентной памяти 8–раз­рядных МК стала интеграция на кристалл МК двух модулей энергонезависимой памяти: FLASH (или OTP ) — для хранения программ и EEPROM — для хранения перепрограммируемых констант.

Рассмотрим технологию (ре)программирования FLASH –памяти с встроенным генератором накачки под управлением прикладной программы. Прежде всего, отметим два обстоятельства:

● если для хранения перепрограммируемых констант в МК встроена память EEPROM, то попрограммирование нескольких бит FLASH –памяти при эксплуа­тации готового изделия не имеет смысла. При необходимости лучше сразу использовать режим репрограммирования;

● не следует программу программирования FLASH –памяти хранить в самой FLASH –памяти, так как переход в режим программирования приведет к невоз­можности дальнейшего ее считывания. Программа программирования долж­на располагаться в другом модуле памяти.

Для реализации технологии программирования в системе выбирается один из оследовательных портов МК, обслуживание которого осуществляет специальная программа монитора связи, расположенная в резидентном масочном ПЗУ МК. Через последовательный порт персональный компьютер загружает в ОЗУ МК про­грамму программирования и прикладную программу, которая затем заносится в память FLASH. Так как резидентное ОЗУ МК имеет незначительный объем, то прикладная программа загружается отдельными блоками (порциями). Если в МК установлен модуль масочной памяти с программой программирования, в ОЗУ загружается только прикладная программа.

Микроконтроллеры, реализующие технологию программирования в системе, часто имеют в своем составе четыре типа памяти:

FLASH –память программ, Mask ROM –память монитора связи, EEPROM –память для хранения изменяемых кон­стант и ОЗУ промежуточных данных.

Технология программирования в системе в настоящее время все шире ис­пользуется для занесения прикладных программ в микроконтроллеры, располо­женные на плате конечного изделия. Ее достоинство — отсутствие программато­ра и высокая надежность программирования, обусловленная стабильностью за­данных внутренних режимов МК.

В качестве примера приведем показатели резидентной FLASH –памяти МК се­мейства НС08 фирмы Motorola:

● гарантированное число циклов стирания/программирования — 10 5 ;

● гарантированное время хранения записанной информации — 10 лет, что практически составляет жизненный цикл изделия; модули FLASH –памяти работают и программируются при напряжении питания МК от 1,8 до 2,7 В;

● эквивалентное время программирования 1 байта памяти — 60 мкс.

Память данных.

В качестве резидентной памяти данных используется стати­ческое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), позволяющие уменьшать частоту тактирования до сколь угодно малых значений. Содержимое ячеек ОЗУ (в отличие от динамической памяти) сохраняется вплоть до нулевой частоты. Еще одной особенностью статического ОЗУ является возможность уменьшения на­пряжения питания до некоторого минимально допустимого уровня, при котором программа управления микроконтроллером не выполняться, но содержимое в ОЗУ сохраняется.

Уровень напряжения хранения имеет значение порядка одно­го вольта, что позволяет для сохранения данных при необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батарейки или аккумулятора). Некото­рые МК (например, DS5000 фирмы Dallas Semiconductor) имеют в корпусе авто­номный источник питания, гарантирующий сохранение данных в ОЗУ на протяжении 10 лет.

Характерной особенностью микроконтроллеров является сравнительной не­большой объем (сотни байт) оперативной памяти (ОЗУ), используемой для хране­ния переменных. Это можно объяснить несколькими факторами:

● стремлением к упрощению аппаратных средств МК;

● использованием при написании программ некоторых правил, направленных на сокращение объема памяти ОЗУ (например, константы не хранятся как переменные);

● распределением ресурсов памяти таким образом, чтобы вместо размещения данных в ОЗУ максимально использовать аппаратные средства (таймеры, ин­дексные регистры и др.);

● ориентацией прикладных программы на работу без использования больших массивов данных.

Особенности стека.

В Принстонской архитектуре ОЗУ используется для реализации многих аппа­ратных функций, включая функции стека. В адресном пространстве памяти выде­лены отдельные области для команд, регистров общего назначения, регистров специальных функций и др. Это снижает производительность контроллера, так как обращения к различным областям памяти не могут выполняться одновремен­но.

Микропроцессоры с Гарвардской архитектурой могут параллельно (одновре­менно) адресовать память программ, память данных (включающую пространство ввода–вывода) и стек.

Например, при активизации команды вызова подпрограм­мы CALL выполняется несколько действий одновременно.

В Принстонской архитектуре при выполнении команды CALL следующая ко­манда выбирается только после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика.

Из–за небольшой емкости ОЗУ в микроконтроллерах обеих архитектур могут возникнуть проблемы при выполнении программы:

● если выделен отдельный стек, то после его заполнения происходит цикличе­ское изменение содержимого указателя стека, в результате чего указатель стека начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека. Поэтому после слишком большого количества команд CALL в стеке окажется неправильный адрес возврата, который был записан вместо правильного адреса;

● если микропроцессор использует общую область памяти для размещения данных и стека, то при переполнении стека произойдет затирание данных. Рассмотрим особенности сохранения в стеке содержимого регистров, обус­ловленные отсутствием команд загрузки в стек (PUSH) и извлечения из стека (POP). В таких микроконтроллерах вместо команды PUSH и POP используются две команды и индексный регистр, который явно указывает на область стека. После­довательность команд должна быть такой, чтобы прерывание между первой и второй командой не привело к потере данных. Ниже приведена имитация команд PUSH и POP с учетом указанного требования.

PUSH ; Загрузить данные в стек decrement index; Перейти к следующей ячейке стека move [ index], асе ; Сохранить содержимое аккумулятора в стеке POP ; Извлечь данные из стека move асе, [index]; Поместить значение стека в аккумулятор increment index ; Перейти к предыдущей ячейке стека

Если после первой команды программа будет прервана, то после выполнения обработки прерывания содержимое стека не будет потеряно.

Регистровая память.

Микроконтроллеры (как и компьютерные системы) име­ют множество регистров, которые используются для управления различными внутренними узлами и внешними устройствами. К ним относятся:

● регистры процессорного ядра (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры);

● регистры управления (регистры управления прерываниями, регистры управ­ления таймером);

● регистры ввода/вывода данных (регистры данных и регистры управления па­раллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом).

По способу размещения регистров в адресном пространстве можно выделить:

● микроконтроллеры, в которых все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве, т. е. регистры совмещены с памятью дан­ных. В этом случае устройства ввода–вывода отображаются на память;

● микроконтроллеры, в которых устройства ввода/вывода отделены от общего адресного пространства памяти. Основное достоинство способа размещения регистров ввода–вывода в отдельном пространстве адресов — упрощается схема подключения памяти программ и данных к общей шине. Отдельное пространство ввода–вывода дает дополнительное преимущество процессо­рам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать коман­ду во время обращения к регистру ввода–вывода.

Способы обращения к регистрам оказывают существенное влияние на их про­изводительность. В процессорах с RISC–архитектурой все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам, что обеспечивает более высокую гибкость при организации работы процессора.

О внешней памяти.

В тех случаях, когда для разрабатываемых приложений не хватает резидентной памяти программ и памяти данных, к микроконтроллеру подключается дополнительная внешняя память. Известны два основных способа:

● подключение внешней памяти с использованием шинного интерфейса (как в микропроцессорных системах). Для такого подключения многие микроконт­роллеры имеют специальные аппаратные средства;

● подключение памяти к устройствам ввода–вывода, При этом обращение к па­мяти осуществляется через эти устройства программными средствами. Такой способ позволяет использовать простые устройства ввода/вывода без реали­зации сложных шинных интерфейсов. Выбор способа зависит от конкретного приложения.

Источник

Процессорное ядро и память микроконтроллеров

4.3. Память программ и данных МК

4.3.1. Память программ

Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствии питания. С точки зрения пользователей МК следует различать следующие типы энергонезависимой памяти программ :

4.3.2. Память данных

Память данных МК выполняется, как правило, на основе статического ОЗУ. Термин «статическое» означает, что содержимое ячеек ОЗУ сохраняется при снижении тактовой частоты МК до сколь угодно малых значений (с целью снижения энергопотребления ). Большинство МК имеют такой параметр, как «напряжение хранения информации» — U_STANDBY. При снижении напряжения питания ниже минимально допустимого уровня U_DDMIN, но выше уровня U_STANDBY работа программы МК выполняться не будет, но информация в ОЗУ сохраняется. При восстановлении напряжения питания можно будет сбросить МК и продолжить выполнение программы без потери данных. Уровень напряжения хранения составляет обычно около 1 В, что позволяет в случае необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батареи) и сохранить в этом режиме данные ОЗУ.

4.3.3. Регистры МК

Как и все МПС, МК имеют набор регистров, которые используются для управления его ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Обращение к этим регистрам может производиться по-разному.

В МК с RISC-процессором все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.

В других МК адресное пространство устройств ввода/вывода отделено от общего пространства памяти. Отдельное пространство ввода/вывода дает некоторое преимущество процессорам с гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода/вывода.

4.3.4. Стек МК

В микроконтроллерах ОЗУ данных используется также для организации вызова подпрограмм и обработки прерываний. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных регистров (аккумулятор, регистр состояния и другие) сохраняется и затем восстанавливается при возврате к основной программе.

В гарвардской архитектуре стековые операции производятся в специально выделенной для этой цели памяти. Это означает, что при выполнении программы вызова подпрограмм процессор с гарвардской архитектурой производит несколько действий одновременно.

4.3.5. Внешняя память

Если МК содержит специальные аппаратные средства для подключения внешней памяти, то эта операция производится штатным способом (как для МП).

Второй, более универсальный, способ заключается в том, чтобы использовать порты ввода/вывода для подключения внешней памяти и реализовать обращение к памяти программными средствами. Такой способ позволяет задействовать простые устройства ввода/вывода без реализации сложных шинных интерфейсов, однако приводит к снижению быстродействия системы при обращении к внешней памяти.

Источник

Как делают микропроцессоры

Часть 1 (О полупроводниках вообще и о диодах)

Часть 3 (Как заставить машину считать при помощи транзистора)

. потому как на бумаге всё просто, но блин, как они это всё запихнули в чип размером с ноготь?!

(один из комментариев к предыдущему посту)
Ну что же, вот об этом сейчас и пойдёт речь.

Увеличенное изображение неразрезанных кристаллов процессоров Intel Core I7.

Чтобы дать представление о том, насколько сложна структура современного микропроцессора, предлагаю взглянуть на самую простую схему самого простого, самого первого коммерческого микропроцессора фирмы Intel 4004.

Кристалл этого 4-битного микропроцессора имел площадь 12 мм², размер каждого из 2300 транзисторов был «огромным» по современным меркам (10 мкм), транзисторы на современных кристаллах имеют размер примерно в тысячу раз меньше!

А вот, что представлял собой кристалл этого процессора:

Создание микропроцессора начинается с процесса его проектирования. Задача конструкторов создать и предварительно протестировать схему микропроцессора. Выпуск новой схемы занимает труд десятков, если не сотен инженеров, и занимает месяцы подготовки. Когда процесс проектирования будет закончен, необходимо изготовить фотошаблон для нового чипа. Для того чтобы оценить важность данного процесса и цену ошибки, достаточно сказать, что нажатие кнопки PRINT в данном случае «стоит» от 600 тыс. до 1 млн. долларов США, а для набора шаблонов стоимость может исчисляться уже десятками миллионов долларов.

Создание фотошаблона (для современных многослойных схем микропроцессоров речь идёт уже о наборах фотошаблонов) – наверное, наиболее важный (после проектирования) процесс в технологии изготовления микропроцессоров.
Фотошаблон обычно представляет собой кусок стекла, с напылением из хрома, на который нанесено «негативное» изображение интегральной схемы. Оно обычно в несколько раз больше тех размеров, которые впоследствии примет изготовленный микрочип, но исключительная сложность современных процессоров и огромное количество транзисторов всё равно позволяют разглядеть отдельные детали только при помощи довольно мощного микроскопа.

Готовый фотошаблон очень тщательно (буквально каждую дорожку) проверяют на предмет дефектов. Для этих целей служат как специальные машины, но используется и труд людей, проверяющих шаблон при помощи микроскопов. Работа с шаблонами производится в т. н. «чистой комнате», где содержание пыли и посторонних примесей сведено до минимума – люди ходят в специальных костюмах – любая пылинка на шаблоне произведёт эффект деревянного бревна, упавшего на карточный домик.

Когда фотошаблон изготовлен, приходит время его «печати» на том, что впоследствии станет микропроцессором. Процесс (вернее, целое семейство технологических процессов) называется фотолитография и по своим базовым принципам очень похож на процесс печати фотографий с негатива).

Начинается всё с обычного кварцевого песка.

Песок проходит целую серию процессов по очистке и химических реакций, целью которых является получение чистейшего кремния. Для экономии места позвольте мне опустить технические детали процесса очистки.

Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.

В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решётку. Так выращивают кристаллы соли, так растёт и кристалл кремния.

Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.

За это время образуется цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура — идеальная кристаллическая решётка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объёму.

Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.

После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решётки, заготовку помещают в установку для резки. Проволочная пила с алмазным напылением нарезает кристалл на блины (или вафли от англ. wafer) толщиной примерно в 1 мм.

Когда такой гигант процессоростроения, как Intel только начинал производить чипы, он использовал «вафли» диаметром всего 2 дюйма. Теперь, для удешевления процесса, используются «вафли» диаметром 12 дюймов (

Какой бы тонкой и гладкой ни была пила, всё равно заготовка будет иметь сколы, микроповреждения и царапины, поэтому каждую пластину дополнительно полируют. Но и этого оказывается недостаточно, поэтому окончательная полировка производится уже химическими реагентами.

Следующим этапом является нанесение на вафли фоторезиста – полимерного светочувствительного материала. По своим химическим свойствам фоторезист очень похож на материал, который наносился на фото- и киноплёнки в ещё сравнительно недалёком прошлом. Разница в том, что на старых плёнках фоторезист изменял свои химические свойства под действием видимого света, сейчас же используется ультрафиолетовое излучение.Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту).

Теперь приходит время для непосредственного экспонирования – подготовленный фотошаблон помещается под ультрафиолетовый лазер, и, сильно уменьшенное изображение с фотошаблона проецируется на слой фоторезиста, на машине под названием «степпер» (от англ. step – шаг) – на одну «вафлю» проецируется множество копий одной и той же маски:

Почему ультрафиолет? Всё дело в длине волны. Получение чёткой проекции микроскопического объекта зависит от длины волны излучения и разрешающей силы оптической системы. В современной промышленности используют глубокий ультрафиолет эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Но и этого оказывается недостаточным для изготовления транзисторов по тех. процессу ниже 50 нм (когда говорят о техпроцессе, имеют в виду линейные размеры одного транзистора). Фотолитография на глубоком ультрафиолете использует уже не линзы, а многослойные зеркала, где каждый слой даёт слегка отличающуюся от предыдущей интерференционную картину, а комбинированное отражение всех слоёв позволяет получить изображение меньшее, чем длина волны используемого излучения. Тем, кто интересуется темой более подробно, в англоязычной версии Википедии есть великолепная статья на эту тему.

Но двинемся дальше. Те области на вафле, покрытой фоторезистом, куда попал ультрафиолет, могут быть смыты специальным химическим составом (например Гидроксидом тетраметиламмония), таким образом на нашей заготовке проявится «отпечаток» будущего микропроцессора. Но работа на этом только начинается.
После травления, на кремниевой подложке образуются бороздки, повторяющие рисунок первого слоя микропроцессора:

На следующем этапе происходит легирование основы. О том, зачем нужно легирование, можно ознакомиться в первой части данной серии. На данном шаге участки подложки обогащаются ионами, в результате чего кремний меняет свои физические свойства, позволяя процессору управлять потоками электрического тока. Ионизированные ядра атомов легирующего вещества разгоняются в электрическом поле до огромных скоростей и внедряются в незащищённые слоем фоторезиста области подложки.

После легирования заготовка покрывается оксидной плёнкой (в данном технологическом процессе используется термин High-K, характеризующий материал с диэлектрической проницаемостью большей, чем у диоксида кремния). Название происходит от диэлектрической константы материала, обозначаемой греческой буквой κ – каппа. В более старых технологических процессах использовался, собственно сам диоксид кремния. Он был хорош до поры, его слой можно было выращивать путём высокотемпературного окисления на самом кремниевом слое, однако, с уменьшением площади транзистора, уменьшалась и площадь затвора, а следственно – его ёмкость. Чтобы увеличить ёмкость можно уменьшать слой диэлектрика под затвором, но если его толщина уменьшается менее 3 нм, начинают проявляться квантовомеханические свойства электронов, которые попросту туннелируют через этот смехотворный барьер, создавая ток утечки, и, чем тоньше слой, тем сильнее проявляется этот эффект. Изготовление подзатворного диэлектрика из материала с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить его толщину, одновременно увеличивая ёмкость затвора, обеспечивая снижение тока утечки на несколько порядков по сравнению с более тонким диэлектриком из диоксида кремния. При производстве современных чипов используются силикат или оксид гафния. На картинке слева – транзистор, обработанный слоем фоторезиста, справа – состояние после смывки облучённого фоторезиста.

Ненужный нам теперь слой диэлектрика так же смывается химическим путём:

На данном этапе транзисторы на схеме уже готовы, но они не соединены друг с другом. Следующие два этапа – нанесение изолирующего слоя, где в местах, где расположены терминалы транзисторов уже знакомым нам образом вытравливаются отверстия. После этого, вафлю помещают в раствор сульфата меди и гальванизируют. В ходе этого процесса, медь покрывает всю поверхность заготовки:

Излишек меди убирается шлифовкой, после чего транзисторы соединяются между собой:

Порядок соединения зависит от архитектуры процессора и определяется на стадии проектирования. Хотя чип и может выглядеть «плоским», соединения могут достигать «этажности» до 30 слоёв.
На заключительной фазе, нашу «вафлю» нарезают, получая, тем самым, отдельные чипы, после чего останется только поместить их в защитный корпус:

Соединение миллиардов транзисторов невероятно сложная задача, от их качества зависит в конечном итоге производительность процессора, поэтому каждый чип проходит этап тестирования (причём, часть тестов проводится ещё до «нарезки») где определяются его выходные характеристики. Поскольку работа идёт с невероятным уровнем миниатюризации, ошибки и дефекты при изготовлении практически неизбежны.

Но наличие дефекта ещё не означает, что процессор не может работать. Коррекции ошибок уделяется особое внимание ещё на стадии проектирования, поэтому в схему нередко заложена некоторая избыточность. Часть бракованных чипов, например, может работать на более низких частотах, поэтому далеко не всегда два процессора, изготовленные на одной «вафле», будут иметь одинаковую маркировку.

Ещё в 1965 году, американский инженер, один из основателей компании Intel, Гордон Мур, в одной из своих работ сделал наблюдение, которое впоследствии назвали «Законом Мура». Он гласил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца (причём, изначально речь шла о 12 месяцев).

И действительно, если проследить эволюцию микропроцессоров, данный закон более-менее соблюдался почти 40 лет, до начала 2010-х годов, пока инженеры не «упёрлись» в физические пределы, во-первых, разрешающей возможности оптики для процесса фотолитографии, во-вторых – в минимально-необходимое расстояние между двумя терминалами транзисторов, где туннельный эффект ещё можно игнорировать. Чтобы ощутить, насколько мал транзистор, изготовленный по тех. процессу 14 нм, достаточно узнать, что это всего лишь 70 атомов (диаметр ядра атома кремния около 0,2 нм).

Хотя, инженеры продолжают добиваться поразительных успехов в данной области, например, в 2012 году, исследовательская команда в университете Нового Южного Уэльса объявила о первом транзисторе, состоящем из единственного атома, несложно предположить, что конец закона Мура не за горами, и тех. процесс в 7 нм, возможно, будет последним в погоне за миниатюризацией.

Надо будет показать знакомой, которая говорила, что сумочка, которая стоит больше ноутбука — это нормально.

Вот это я понимаю контент. Мое уважение автору, все понятно, все интересно. Побольше бы и почаще.

И да! Почти никогда не делают готовые фотошаблоны и кристаллы (так называют разрабы единичную микросхему уже в нарезке)! Только тестовая партия вначале. Ибо ошибки неизбежны, и чтобы их найти и устранить (тем же разработчикам опять же) нужны тестовые кристаллы. Их тестируют на спец измерительных установках во всех нужных режимах, находят косяки, правят схему и топологию, выгоняют новую инфу для фабрики в виде фотошаблоно вGDS, и только после этого запускают рабочую партию.

Фотошаблон не один! Под каждый слой (карман, диффузия, поликремний, окисел, металлизация, коих может быть до 6, и т.д. Это не углубляясь еще)) )

Фото готового кристалла: слой без металла, слой с металлом (верхним, а всего их 3)

Поправка про техпроцесс: числа соответствовали размерам транзисторов только до определенного момента. Сейчас техпроцесс означает ширину затвора транзистора.

А закону Мура мешает все увеличивающиеся потери, в т.ч. за счет туннелирования электронов. Сейчас основная борьба идет за улучшение энергетических свойств микросхем, и поэтому 14 нм техпроцесс Intel позволяет получать такие же процессоры, как 7 нм Самсунга.

Вот можно посмотреть на срез реального процессора, это КР580ВМ80А который 8-битный, вот тут в несколько более детальном разрешении https://www.dropbox.com/s/0s2qh45drlvc71x/kr580vm80a-2-HD.zi.

Все статьи хороши и заслуживают плюсиков, но на мой взгляд несколько несистемно изложено.

В частности пара мест, которые видятся мне не «придирками по пустякам», а крайне важными местами по-сути необходимыми для понимания которые нельзя исключать даже из статей типа «ликбез»:

2. В предыдущей главе также не сказано в явном виде о функционально полных логических базисах от одной операции.

Из знакомых слов- только «электрический ток», но читается, как поэма! ( не сарказм!)

А будет статья о квантовом компьютере? А еще недавно была новость, что изобрели процессор на фото-транзисторах, где вместо электронов используют фотоны. Есть у вас такая информация?

Автор, огромное спасибо за отличный материал!

Но, всё-таки, не могли бы вы подробнее рассказать про технологию создания токопроводящих дорожек внутри процессора? Каким образом создаются миллиарды дорожек, каждая из которых должна выйти из определённого контакта одного транзистора и войти в определённый контакт другого транзистора, иметь ширину и высоту, измеряемые в десятках (да даже и сотнях) атомов металла, не пересекаться с другими дорожками, и при этом выполнять свою функцию всегда одинаково?

От разработчика: очень много об изготовлении и очень мало о разработке и тестирировании.

И привет Ангстрему, который ничего не умеет делать, несмотря на многомиллиардные вливания!

Низкий поклон за такой контент, хоть что-то еще интересно читать.

Тут правда обещают уж 3 нм освоить, но сомневаются в целесообразности из-за ограничения частотного потенциала.

У меня аж привстал от прочтения..

Вот такой Пикабу мне нужен. ТС, спасибо.

Так и не понял, как мне спаять Intel Core i9 7980XE из радиоприемника Рассвет паяльником Искорка?

И все же как наносятся дорожки в несколько слоев? В статье этот момент обошли, упомянув разные технологии..

Компьютер же за один такт, как правило может выполнить лишь одну простейшую команду, типа сложение, вычитание, сравнение, чтение и запись значения и т.д. Но делает он это в таких объемах и в такой мегасложной системе процедур, что у него получаются все те удивительные вещи, о которых без компьютера мы не могли бы даже и мечтать.

Это своего рода вдохновляюще и поучительно: «Делай пусть и по чуть-чуть, но делай много, настойчиво и держи в голове «систему» которая тебя приведет к конечной цели и любая самая непосильная задача тебе покорится.»

А почему увеличение ёмкости затвора снижает ток утечки? Думал, что наоборот, стремятся уменьшить затворную ёмкость, чтобы увеличить частоту работы процессора.

Немного не понял о размерах техпроцесса(что конкретно он измеряет). Если он измеряет длину ребра предположительного куба, то в таком кубе вместиться сотни тысяч атомов такого диаметра, а никак не 70.

Мне интересно- почему конкретно ЦПУ для ПК так стремятся минимизировать? Недавно скальпировал свой 4790к и для меня было удивительно что там чипа то хрен да маленько, едва ли треть площади крышки. Если увеличить физические размеры чипа до, грубо говоря, размера крышки, сохраняя при этом техпроцесс 22(или сколько там?) нанометров, то разве не проще, дешевле и с минимумом ошибок можно будет делать эти процессоры? Расстояние между блоками транзисторов будут больше, места для теплосъема больше, промазать при соединении транзисторов сложнее- разве нет?

Годный материал! Сам учился на факультете микроэлектроники, а теперь работаю на Микроне, что в славном Зеленограде

«. тех. процесс в 7 нм, возможно, будет последним в погоне за миниатюризацией.»

не знаю увидит ли кто то в этом ворохе комментариев но!

TSMC анонсировала производство 2нм чипов.

графит не реагирует с кремнием

Я думал, что процессор полностью из кремния состоит.

Не так давно ходил на завод Интел, потрясающее зрелище, жаль самое интересное фоткать было нельзя (

годная научпоп статья

Спасибо, было интересно!

А почему «вафли» всегда круглые?

14 нм, достаточно узнать, что это всего лишь 70 атомов (диаметр ядра атома кремния около 0,2 нм

А как же кристаллическая решетка? Да и вообще затвор менее 20нм перестанет работать, но получится создать полупроводник.

Углеродные нанотрубки могут заменить кремний в микропроцессорах

Вся современная микроэлектроника основана на транзисторах. Их дальнейшая миниатюризация становится всё более сложной и дорогой, а скоро станет и вовсе невозможной, потому что нельзя создать на основе кремния работоспособный транзистор с длиной управляющего элемента — затвора — меньше нескольких нанометров. Однако транзисторы могут быть основаны не только на «классических» полупроводниках. Об этом — сегодняшний материал с семинара «Актуальная наука» в Политехническом музее.

После перехода на техпроцесс 28 нм в промышленности впервые сложилась ситуация, когда транзистор последующего поколения стоил больше, а не меньше, чем транзистор поколения предыдущего. На сегодняшний день осталось лишь три компании, которые продолжают миниатюризацию ниже норм 28 нм — Intel, TSMC и Samsung.

В качестве перспективного материала для новых, более миниатюрных транзисторов давно рассматривались углеродные нанотрубки. За счёт своей кристаллической структуры они сохраняют полупроводниковые свойства при значительно меньших размерах. Например, затвор с их помощью можно сделать почти в 20 раз короче, чем в самых миниатюрных кремниевых транзисторах.

Инвертор, построенный по новой технологии

В прошлом году группа учёных из MIT под руководством Макса Шулакера создала полнофункциональный микропроцессор RV16XNano, транзисторы которого используют углеродные нанотрубки. Процессор исполняет 32-битные инструкции, хотя разрядность шин адреса и данных ограничили 16 битами. В отличие от предыдущих разработок, представлявших собой не более чем proof of concept (проверку концепции), данный процессор способен исполнять все типы инструкций архитектуры RISC-V и может использоваться для прикладных вычислений. По традиции первой разработчики запустили на нём программу, выводящую слова «Hello, World!».

Ядро процессора (вспомогательные структуры по периметру не показаны)

Процессор содержит 14 702 транзистора. Это много в сравнении с предыдущими процессорами на основе нанотрубок (178 транзисторов) и близко к характеристикам ранних «кремниевых» процессоров. Например, первый в истории микропроцессор содержал 2300 транзисторов, а первый процессор архитектуры x86 — около 29 000.

О миниатюризации пока говорить не приходится: техпроцесс исчисляется тысячами нанометров.

Размер кристалла составляет 7 × 7 мм; суммарно в транзисторах около 10 млн нанотрубок

Процессор имеет 5 слоёв металлизации

В ходе изготовления процессора учёным пришлось столкнуться с проблемами, нехарактерными для чисто «кремниевой» электроники. Например, выяснилось, что нанотрубки склонны запутываться, как наушники агрегироваться в большие скопления, которые делают транзистор неработоспособным. Чтобы избавиться от них, авторы предложили технологию под названием RINSE («промывка, полоскание»).

Нужно нанести на поверхность слоя нанотрубок небольшой объём фоторезиста, отвердить его, а затем воздействовать на пластину ультразвуковыми колебаниями. При этом скопления отделяются, а монослой нанотрубок остаётся на месте благодаря удерживающему его фоторезисту. В дальнейшем фоторезист растворяют.

Борьба со скоплениями по технологии RINSE

Важно, что созданный процессор — это не просто единичный образец. Учёные доработали существующие САПР, изначально рассчитанные под кремниевые транзисторы, и создали библиотеку стандартных ячеек. Теперь всё это можно использовать для создания сложных схем на базе нового материала. А это значит, что у технологии есть перспективы промышленного применения.

Технология производства состоит более чем из 100 этапов

Предполагается, что процессоры на углеродных нанотрубках смогут стать втрое быстрее и энергоэффективнее своих кремниевых аналогов.

P. S. Баянометр считает, что процессор в равной степени похож на тетрадь, на ковёр и на бюст Гоголя.

Как работает транзистор [Veritasium]

А вы знаете как работает транзистор? В какой-то мере наша жизнь зависит от них. При упоминании транзисторов люди первым делом вспоминают радио. Они, конечно, правы, но всё намного серьёзнее.

Транзисторы изобрели в 1947 году и радио стало первым прибором, доступным широким массам, в котором применили эту новую технологию. Благодаря транзисторам размер приёмников удалось уменьшить, повысив при этом качество их работы. Но, пожалуй, самым важным событием для нас, которым мы обязаны транзисторам, стала революция в сфере микрокомпьютеров, а с ней и появление интернета, телевидения, мобильных телефонов, навороченных стиральных и посудомоечных машин, калькуляторов, спутников, проекторов и так далее.

В основе транзистора лежит полупроводник, обычно кремний, с некоторыми примесями, позволяющими аккуратно изменять его электрические свойства. Из таких n- и p-полупроводников составляются особые конфигурации, позволяющие достичь необходимого результата. Например, сделать маленький переключатель, как в случае с нашим транзистором. Эти переключатели затем соединяют вместе, и с их помощью производят вычисления, хранят информацию и, в общем-то, делают любой электроприбор «умным».

Вторая жизнь закона Мура: в ближайшие пять лет транзисторы перестанут уменьшаться в размерах

Отчет International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) за прошлый год, опубликованный Ассоциацией полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association, SIA), куда в числе остальных входят IBM и Intel, дает представление о главных технологических трудностях и возможностях, которые ожидают индустрию в ближайшие 15 лет.

По прогнозу SIA, после 2021 года дальнейшее уменьшение размеров транзисторов станет принципиально недостижимой целью. Попросту говоря, дальнейшее уменьшение технологических норм будет экономически нецелесообразно – инвестиции компании попросту могут не окупиться. Как утверждается, выходом из ситуации может стать смещение акцента в направлении объемной компоновки и других технологий повышения плотности размещения транзисторов.

Составители отчета приводят несколько веских доводов в пользу этой гипотез. Количество желающих участвовать в производстве полупроводниковых устройств, становится все меньше: Intel, GlobalFoundries (бывшее производственное подразделение AMD), Samsung и TSMC – единственные оставшиеся крупные игроки. Разумеется, нет никаких гарантий того, что в один прекрасный момент этот узкий круг не сузится еще больше. Недавних отказ Intel от традиционной двухступенчатой схемы «тик-так» в пользу трехступенчатой как нельзя лучше отражают нынешнее положение дел – избегать проблем с огромными потерями энергии становится все труднее.

Само собой, все это вовсе не означает, что «закон» Мура, постулирующий регулярное удвоение плотности размещения элементов в интегральных схемах, утратит силу в ближайшие пять лет. Объемная компоновка и прочие ухищрение наверняка помогут ему продержаться еще какое-то время. Насколько долго – сказать сложно. Кроме того, тут важно подчеркнуть, что это всего лишь прогноз, а не «приговор». За последнее время подобных неутешительных прогнозов, предрекающих конец развития процессоров, было вагон и маленькая тележка. Порой даже возникает впечатления, что все они делаются, чтобы затем быть опровергнутыми очередной многообещающей разработкой исследователей вроде транзисторов на углеродных нанотрубках IBM. Пожалуй, сейчас главный вопрос в том, на какие именно шаги пойдут полупроводниковые гиганты, дабы перепрыгнуть через эту «кирпичную стену» и обеспечить возможность создания процессоров с более сложной структурой и высокой производительностью.

Источник