Bu, CPU tasarım serimizin üçüncü taksitidir. İlk bölümde, bilgisayar mimarisini ve bir işlemcinin üst düzeyden nasıl çalıştığını ele aldık. İkinci bölüm, bir çipin bazı bileşenlerinin nasıl tasarlandığını ve uygulandığını inceledi. Üçüncü bölüm, mimari ve şematik tasarımların nasıl fiziksel çiplere dönüştüğünü görmek için bir adım daha ileri gidiyor.
Bir kum yığınını nasıl gelişmiş bir işlemciye dönüştürüyorsunuz? Hadi bulalım.
(komut kümesi mimarileri, önbellekleme, boru hatları, hiper iş parçacığı)
Bölüm 2: CPU Tasarım Süreci
(şemalar, transistörler, mantık kapıları, saatleme)
Bölüm 3: Çipin Yerleştirilmesi ve Fiziksel olarak İnşası
(VLSI ve silikon üretimi)
Bölüm 4: Bilgisayar Mimarisinde Güncel Eğilimler ve Gelecek Sıcak Konular
(Hızlandırıcılar Denizi, 3D entegrasyon, FPGA'lar, Yakın Bellek Hesaplama)
Daha önce tartıştığımız gibi, işlemciler ve diğer tüm dijital mantık transistörlerden yapılır. Transistör, kapıdan voltaj uygulayarak veya çıkararak açıp kapatabileceğimiz, elektronik olarak kontrol edilen bir anahtardır. İki ana transistörün nasıl olduğunu tartıştık: kapı açıkken akıma izin veren nMOS cihazları ve kapı kapalıyken akıma izin veren pMOS cihazları. Transistörlerin içine yerleştirildiği bir işlemcinin temel yapısı silikondur. Silikon, Yarı iletken çünkü tam olarak iletmez veya yalıtmaz; ortada bir yerde.
Transistörler ekleyerek bir silikon gofreti faydalı bir devreye dönüştürmek için, imalat mühendisleri doping. Doping işlemi, iletkenliğini değiştirmek için baz silikon substrata dikkatlice seçilmiş safsızlıkların eklenmesini içerir. Buradaki amaç, elektronların davranış biçimini değiştirmektir, böylece onları kontrol edebiliriz. İki tür transistör olduğu gibi, karşılık gelen iki ana doping türü vardır.
Talaşlar paketlenmeden önce bir gofretin imalat işlemi. Fotoğraf kredisi: Evan Lissoos
Arsenik, antimon veya fosfor gibi hassas şekilde kontrol edilen miktarda elektron verici element eklersek, n tipi bir bölge oluşturabiliriz. Bu elementlerin uygulandığı silikon bölgesinde fazla elektron bulunduğundan, negatif yüklü hale gelecektir. Burada n-type adı ve nMOS'taki "n" gelmektedir. Silisyuma bor, indiyum veya galyum gibi elektron alıcı elemanlar ekleyerek, pozitif yüklü bir p tipi bölge oluşturabiliriz. P-tipi ve pMOS'taki "p" nin buradan geldiği yer burasıdır. Bu safsızlıkları silisyuma ilave etmek için spesifik işlemler, İyon İmplantasyonu ve yayılma ve bu makalenin kapsamı dışındadırlar.
Şimdi silikonumuzun belirli kısımlarının elektriksel iletkenliğini kontrol edebildiğimize göre, transistörler oluşturmak için birden fazla bölgenin özelliklerini birleştirebiliriz. MOSFET'ler (Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Transistörler) olarak bilinen entegre devrelerde kullanılan transistörlerin dört bağlantısı vardır. Kontrol ettiğimiz akım Kaynak ve Boşaltma yoluyla akar. Bir n-kanallı cihazda, tipik olarak bir drenaj kanalına gider ve bir p-kanallı cihazdayken, kaynağa ve drenajdan dışarı akar. Kapı, transistörü açmak ve kapatmak için kullanılan anahtardır. Son olarak, cihazın gövdesi işlemci ile ilgili değildir, bu yüzden burada tartışmayacağız.
Silikonda bir invertörün fiziksel yapısı. Her renkli bölge farklı iletkenlik özelliklerine sahiptir. Farklı silikon bileşenlerin sağdaki şemaya nasıl karşılık geldiğine dikkat edin
Transistörlerin nasıl çalıştığına ve farklı bölgelerin nasıl etkileşime girdiğine ilişkin teknik detaylar, yüksek lisans düzeyinde bir üniversite kursunu doldurmak için yeterlidir, bu yüzden temellere değineceğiz. Nasıl çalıştıklarına dair iyi bir benzetme, bir nehir üzerindeki bir asma köprüdür. Transistörümüzdeki elektronlar olan arabalar, nehrin bir tarafından diğerine, transistörünüzün kaynağı ve tahliyesine akmak ister. Örnek olarak bir nMOS cihazı kullanarak, geçit şarj edilmediğinde, asma köprü yukarıdadır, elektronlar kanal boyunca akamaz. Asma köprüyü indirdiğimizde, nehir üzerinde bir yol oluştururuz ve arabalar serbestçe hareket edebilir. Aynı şey bir transistörde olur. Kapıyı şarj etmek, kaynak ve tahliye arasında akımın akmasına izin veren bir kanal oluşturur.
Silikonun farklı p ve n bölgelerinin nerede olduğunu tam olarak kontrol edebilmek için Intel ve TSMC gibi üreticiler fotolitografi. Bu son derece karmaşık çok adımlı bir süreçtir ve şirketler milyarlarca dolar harcayarak daha küçük, daha hızlı ve daha enerji verimli transistörler oluşturabilmek için mükemmel hale getirir. Her bölgenin desenlerini silikon üzerine çizmek için kullanılabilen süper hassas bir yazıcı düşünün.
Transistörlerin bir çipe dönüştürülmesi işlemi saf bir silikon gofret ile başlar. Daha sonra gofretin tepesinde ince bir silikon dioksit tabakası büyütmek için bir fırında ısıtılır. Silikon dioksit üzerine ışığa duyarlı bir fotodirenç polimer uygulanır. Fotoresist üzerine belirli frekanslarda ışık parlatarak, fotoresisti dope etmek istediğimiz alanlarda soyabiliriz. Bu litografi basamağıdır ve yazıcıların, sayfanın belirli alanlarına çok daha küçük bir ölçekte mürekkep uygulamak için nasıl çalıştıklarına benzer.
Gofret, fotorezistin çıkarıldığı silikon dioksiti çözmek için hidroflorik asit ile dağlanır. Fotorezist daha sonra çıkarılır ve sadece altındaki oksit tabakası geride kalır. Doping iyonları daha sonra gofrete uygulanabilir ve sadece oksitte boşlukların olduğu yerlerde kendilerini implant eder.
Bu maskeleme, görüntüleme ve doping işlemi, yarı iletkente her özellik seviyesini yavaşça oluşturmak için düzinelerce kez tekrarlanır. Baz silikon seviyesi yapıldıktan sonra, farklı transistörleri birbirine bağlamak için üstte metal bağlantılar yapılacaktır. Bu bağlantılar ve metal katmanlar hakkında biraz daha bilgi vereceğiz.
Tabii ki, yonga üreticileri sadece transistörleri birer birer yapma işlemini yapmazlar. Yeni bir çip tasarlandığında, imalat sürecindeki her adım için maskeler üreteceklerdir. Bu maskeler, bir çip üzerindeki milyarlarca transistörün her bir elemanının yerlerini içerecektir. Birden fazla yonga bir arada gruplanır ve bir kerede tek bir kalıp üzerinde imal edilir.
Bir gofret imal edildikten sonra, tek tek kalıplar dilimlenir ve paketlenir. Bir yonganın boyutuna bağlı olarak, her gofret yüzlerce veya daha fazla yonga sığabilir. Tipik olarak, yonga ne kadar güçlü olursa, kalıp o kadar büyük olur ve üreticinin her bir gofretten daha az yonga alabilmesi sağlanır.
Süper güçlü ve yüzlerce çekirdekli devasa yongalar yapmamız gerektiğini düşünmek kolaydır, ancak bu mümkün değildir. Şu anda, daha büyük ve daha büyük talaş yapmamızı engelleyen en büyük faktör üretim sürecindeki kusurlardır. Modern yongaların milyarlarca transistörü vardır ve birinin tek bir kısmı kırılırsa, tüm yonganın atılması gerekebilir. İşlemcilerin boyutunu büyüttüğümüzde, bir çipin arızalı olma şansı artar.
Şirketlerin imalat süreçlerinden elde ettikleri gerçek getiriler, gizli tutulur, ancak% 70 ila% 90 arasında herhangi bir yer iyi bir tahmindir. Bazı parçaların işe yaramayacağını bildikleri için şirketlerin fişlerini ekstra işlevsellik ile aşırı mühendisliği yapmak yaygındır. Örneğin, Intel 8 çekirdekli bir yonga tasarlayabilir ancak bir veya iki çekirdeğin kırılabileceğini tahmin ettikleri için yalnızca 6 çekirdekli bir yonga olarak satabilir. Alışılmadık derecede az sayıda kusuru olan yongalar, genellikle bilinen bir işlemde daha yüksek bir fiyata satılmak üzere kenara konur gruplama.
Çip üretimi ile ilişkili en büyük pazarlama terimlerinden biri özellik boyutudur. Örneğin Intel 10nm'lik bir işlem için çalışıyor, AMD bazı GPU'lar için 7nm'lik bir işlem kullanıyor ve TSMC 5nm'lik bir işlem üzerinde çalışmaya başladı. Tüm bu rakamlar ne anlama geliyor? Geleneksel olarak, özellik boyutu, bir transistörün tahliyesi ve kaynağı arasındaki minimum genişliği temsil eder. Teknoloji ilerledikçe, tek bir yongaya daha fazla uyması için transistörlerimizi küçülttük. Transistörler küçüldükçe daha hızlı ve daha hızlı hale gelirler.
Bu sayılara bakarken, bazı şirketlerin süreç boyutlarını standart genişlikten farklı boyutlara dayandırabileceğini belirtmek önemlidir. Bu, ayrı şirketlerden farklı boyutlu süreçlerin aslında aynı boyutlu transistöre neden olabileceği anlamına gelir. Öte yandan, belirli bir işlemdeki tüm transistörler de aynı boyutta değildir. Tasarımcılar bazı transistörleri belirli değişimlere dayanarak diğerlerinden daha büyük yapmayı seçebilirler. Belirli bir tasarım süreci için daha küçük bir transistör daha hızlı olacaktır çünkü kapıyı şarj etmek ve boşaltmak daha az zaman alır. Bununla birlikte, daha küçük transistörler yalnızca çok az sayıda çıkış çalıştırabilir. Eğer mantık bir çıkış pimi gibi çok fazla güç gerektiren bir şey kullanacaksa, belirli bir parça daha büyük hale getirilmelidir. Bu çıkış transistörleri, dahili mantık transistörlerinden daha büyük büyüklük sıraları olabilir.
Yeni bir AMD Zen işlemcisinin ölümü. Birkaç milyar transistör bu tasarımı oluşturur.
Transistörlerin tasarımı ve inşası çipin sadece yarısıdır. Her şeyi şemaya göre bağlamak için kablolar yapmamız gerekiyor. Bu bağlantılar, transistörlerin üzerindeki metal katmanlar kullanılarak yapılır. Rampa, rampa ve birbirinden geçen farklı yollarla çok seviyeli bir otoyol kavşağı düşünün. Tam olarak bir çipin içinde olup bitenler, çok daha küçük bir ölçekte de olsa. Farklı süreçler, transistörlerin üzerinde farklı sayıda metal bağlantı katmanına sahip olacaktır. Transistörler küçüldükçe, tüm sinyalleri yönlendirmek için daha fazla metal katmana ihtiyaç vardır. TMSC'nin yaklaşmakta olan 5nm işleminde bildirilen 15 metal katman var. 15 seviyeli dikey bir otoyol kavşağı düşünün ve bu size bir çipin içindeki güzergahın ne kadar karmaşık olduğunu anlamanıza yardımcı olur.
Aşağıdaki mikroskop görüntüsü, yedi metal tabakadan oluşan kafesi göstermektedir. Her katman düzdür ve yükseldikçe, katmanlar direnci azaltmaya yardımcı olmak için büyür. Her katman arasında, daha yüksek bir katmana atlamak için kullanılan, viya adı verilen küçük metal silindirler bulunur. Her katman, istenmeyen kapasitansları azaltmaya yardımcı olmak için tipik olarak altından yön değiştirir. Tek metal tabakalar yatay bağlantılar yapmak için, çift tabakalar dikey bağlantılar yapmak için kullanılabilir.
Tahmin edebileceğiniz gibi, tüm bu sinyallerin ve metal katmanların yönetimi çok hızlı bir şekilde zorlaşıyor. Bu sorunun çözülmesine yardımcı olmak için, transistörleri otomatik olarak yerleştirmek ve yönlendirmek için bilgisayar programları kullanılır. Tasarımın ne kadar gelişmiş olduğuna bağlı olarak, programlar yüksek seviye C kodundaki işlevleri her kablo ve transistörün fiziksel konumlarına bile çevirebilir. Tipik olarak, çip üreticileri bilgisayarların tasarımın çoğunu otomatik olarak üretmesine izin verecek ve daha sonra belirli kritik bölümleri elle optimize edecekler.
Şirketler yeni bir çip oluşturmak istediklerinde, tasarımlarına imalat şirketinin sağladığı standart hücrelerle başlayacaklar. Örneğin, Intel veya TSMC tasarımcılara mantık kapıları veya bellek hücreleri gibi temel parçalar sağlayacaktır. Tasarımcılar daha sonra bu standart hücreleri inşa etmek istedikleri çipte birleştirebilirler. Daha sonra ham silikonun işleyen çiplere dönüştüğü yer olan çipleri, çipin transistörlerinin düzenlerini ve metal tabakaları gönderecekler. Bu düzenler, yukarıda ele aldığımız imalat sürecinde kullanılan maskelere dönüştürülür. Sonra, bu tasarım sürecinin son derece basit bir çip için nasıl görünebileceğini göreceğiz.
İlk önce standart bir hücre olan bir invertörün düzenini görüyoruz. Üstteki eğik çizgili yeşil dikdörtgen pMOS transistörü ve alttaki şeffaf yeşil dikdörtgen nMOS transistörüdür. Dikey kırmızı tel polisilikon geçit, mavi alanlar metal 1 ve mor alanlar metal 2'dir. A girişi soldan gelir ve Y çıkışı sağdan çıkar. Güç ve toprak bağlantıları metal 2'nin üstünde ve altında yapılır.
Birkaç kapı birleştirildiğinde, burada temel bir 1 bit aritmetik birimimiz var. Bu tasarım, iki adet 1 bitlik girişe mantıksal işlemler ekleyebilir, çıkarabilir ve gerçekleştirebilir. Dikey olarak geçen eğik mavi teller metal 3 katmanlardır. Tellerin uçlarındaki biraz daha büyük kareler, iki katmanı bağlayan yollardır.
Son olarak, birçok hücreyi ve yaklaşık 2.000 transistörü bir araya getirerek, dört metal katmanda 8 bayt RAM ile temel bir 4 bit işlemcimiz var. Bunun ne kadar karmaşık olduğuna bakıldığında, sadece megabayt önbellek, çoklu çekirdekler ve 20+ boru hattı aşamaları ile 64 bit CPU tasarlamanın zorluğunu hayal edebiliyoruz. Günümüzün yüksek performanslı CPU'larının 5-10 milyar transistöre ve bir düzine metal katmana sahip olabileceği göz önüne alındığında, bunların kelimenin tam anlamıyla milyonlarca kat daha karmaşık olduklarını söylemek abartı değildir.
Bu, yeni CPU'nuzun neden pahalı bir teknoloji olduğu veya AMD ve Intel'in ürün sürümleri arasında neden bu kadar uzun sürdüğü konusunda size bir takdir vermelidir. Yeni bir çipin çizim tahtasından pazara gitmesi genellikle 3 ila 5 yıl sürer. Bu, günümüzün en hızlı yongalarının birkaç yıllık teknoloji ile yapıldığı ve günümüzün modern üretim teknolojisine sahip yongaları uzun yıllar görmeyeceğimiz anlamına gelir.
Bununla, hepimiz işlemcilerin nasıl inşa edildiğine dair derin dalışımızla işimiz bitti.
Serinin bir sonraki dördüncü ve son bölümünde fiziksel alandan döneceğiz ve sektördeki mevcut eğilimlere bakacağız. Araştırmacılar, yeni nesil bilgisayarları daha da hızlı hale getirmek için şu anda ne yapıyorlar?
(komut kümesi mimarileri, önbellekleme, boru hatları, hiper iş parçacığı)
Bölüm 2: CPU Tasarım Süreci
(şemalar, transistörler, mantık kapıları, saatleme)
Bölüm 3: Çipin Yerleştirilmesi ve Fiziksel olarak İnşası
(VLSI ve silikon üretimi)
Bölüm 4: Bilgisayar Mimarisinde Güncel Eğilimler ve Gelecek Sıcak Konular
(Hızlandırıcılar Denizi, 3D entegrasyon, FPGA'lar, Yakın Bellek Hesaplama)
Serinin üçüncü bölümünde, transistörlerin nasıl çalıştığının fiziğinin, bireysel bileşenlerinin silikonda nasıl oluşturulduğunu ve faydalı devreler ve yongalar oluşturmak için nasıl bağlandıklarını araştırdık.
Masthead kredisi: Makro ile yarı iletken üretim görüntüsü