Репортаж за закрытыми дверями: производство чипов AMD
Утром в солнечный понедельник AMD пригласила небольшую группу журналистов на свой завод по производству подложек в немецком Дорнахе (Dornach), чтобы обсудить технологию AMD Automated Precision Manufacturing (APM). По сути, APM подразумевает интеграцию оборудования и технологических процессов, которая позволяет значительно увеличить долю выхода годных кристаллов, — вплоть до максимального технологического предела.
Мы так и не получили точных цифр о том, насколько APM и другие технологии позволяют увеличить уровень выхода годных кристаллов. Но, по нашему мнению, уровень выхода у AMD составляет выше 50%. Конечно, это число нельзя назвать достоверным.
На данный момент завод AMD в Дрездене производит процессоры на 200-мм подложках по стандарту APM 2.0. Новый стандарт APM 3.0 использует 300-мм подложки и отложен до введения в строй завода Fab 36. Производство начнётся в начале 2006 года, и к этому моменту компания должна вложить ещё $2,5 млрд.
В то же время, мы пожелали более внимательно ознакомиться с такими технологическими инновациями AMD при производстве чипов, как использование технологии «напряжённого кремния» (strained silicon). До сих пор единственным производителем, использующим эту технологию, была Intel. Технология «напряжённого кремния» используется во время изготовления 90-нм процессоров (Prescott, Dothan и т.д.). Однако AMD по-прежнему молчит о внедрении диэлектриков low-k, так что никакой дополнительной информации мы дать не можем.
Двуядерный Athlon 64 использует два CPU и удваивает кэш L2 до 2 Мбайт. Число транзисторов составляет чуть меньше 200 миллионов, а площадь ядра — около 190 мм². Как же насчёт тепловыделения? По данным AMD, тепловой пакет составляет 95 Вт.
Взгляд на Fab 36, которая строится в Дрездене. Производство начнётся в 2006 году.
Перед тем, как мы рассмотрим текущие и будущие разработки AMD, позвольте вкратце напомнить технологическую концепцию компании.
21 млрд. транзисторов на одну подложку
Подложка с чипами Athlon 64 произведена по 90-нм технологии.
На сегодняшний момент AMD по-прежнему использует 200-мм кремниевые подложки на своём заводе Fab 30 в Дрездене.
Один чип Athlon 64 занимает площадь чуть меньше двух квадратных сантиметров при использовании техпроцесса 130 нм. Производитель переходит на техпроцесс 90 нм, который позволит почти уполовинить площадь каждого чипа. Преимущества очевидны: меньший размер компонентов позволяет упаковать их на меньшей площади. Уменьшается и длина соединительных цепей. В итоге мы получаем меньшее энергопотребление, а также большую скорость работы транзисторов.
По данным AMD, одна 200-мм подложка содержит 21 миллиард транзисторов. Один чип (ядро SledgeHammer) — в случае Athlon 64 FX-55 или Opteron — состоит из 105,9 млн. транзисторов. В новом 90-нм Athlon 64 с ядром Winchester половина кэша L2 отключена, но процесс производства не отличается от «старших» моделей.
Мы уже анализировали выход годных кристаллов на одну подложку в предыдущих статьях (см. 64 бита в массы: Athlon 64 FX, Athlon 64 против P4 Extreme).
Немецкая «Силиконовая долина». По инициативе немецкого правительства и Европейского Союза в немецкую Саксонию было привлечено множество фирм, многие из которых сформировали союзы. В частности, AMD, Infineon и ZMD работают в тесном сотрудничестве.
Благодаря APM и 90-нм технологии, в будущем уровень выхода годных кристаллов должен расти ещё быстрее.
Планы на 2006: производство процессоров AMD на стороне
Чтобы нарастить объём производства, в конце этого года AMD подписала соглашение с сингапурской компанией Chartered Semiconductor Manufacturing. Её завод может выпускать подложки с диаметром, максимум, 200 мм. Однако вскоре эта компания перейдёт на 90-нм техпроцесс. Информация от AMD насчёт того, что именно будет производить Chartered, остаётся туманной. Как говорят представители компании, сингапурский партнёр обеспечивает «гибкие объёмы производства».
Ассортимент продукции Chartered Semiconductor Manufacturing в Сингапуре. AMD будет использовать производственные мощности этой компании, чтобы увеличить объём выпускаемых чипов.
Кроме собственной Fab 36 в Дрездене, AMD будет использовать заводы третьих компаний, например Chartered, которые начнут производить новые процессоры Athlon 64 и Opteron для AMD со следующего года.
На данный момент AMD полностью зависит от собственного завода Fab 30 в Дрездене, который производит все процессоры Sempron, Athlon64, Turion64 и Opteron. Завод в техасском Остине сегодня производит только флэш-память.
Как создаются чипы?
AMD, IBM, Intel и другие тяжеловесы индустрии используют один и тот же принцип производства полупроводников. Основные отличия между ними заключается в типе и числе шагов техпроцесса, а также используемом оборудовании и материалах.
Так как же получают полупроводники? Основой любого производства чипов является подложка, которая затем проходит через несколько сотен шагов — в зависимости от требуемого продукта до 500, некоторые из шагов повторяются много раз. Дело в том, что на подложку слой за слоем наносится сложная структура. В начале процесса производства перед нами находится только слой кремния в виде подложки толщиной около миллиметра. Затем поверхность кремния окисляется с помощью пара. Получившийся оксид кремния формирует основу для последующего процесса травления. Затем на подложку наносится слой фоторезиста. С помощью литографии на подложку переносится требуемый шаблон. Наконец, в условиях высоких температур и специального химического состава незащищённый фоторезист твердеет. Открытые участки фоторезиста удаляются на следующем этапе. После этого химикаты избирательно действуют на те участки оксида кремния, которые не защищены фоторезистом.
После этого фоторезист, химикаты и другие материалы удаляются с помощью сверхчистого газа. Затем подложка бомбардируется ионами. В итоге мы получаем транзистор с истоком, затвором и стоком. На одной из последующих фаз с помощью ультрафиолетовой литографии добавляются металлические контакты. Последнее ядро AMD ClawHammer использует восемь слоёв медных соединений для 105,9 млн. транзисторов процессора.
Наноструктуры: от 130 нм к 90 нм
Сравнение двух техпроцессов производства для одинаковой архитектуры CPU. Слева — 130-нм ядро SledgeHammer, а справа — тот же самый чип на технологии 90 нм, что позволяет увеличить теоретический выход кристаллов почти на 72 процента.
SOI: транзисторы быстрее переключаются
AMD лицензировала технологию SOI у Soitec.
С помощью описанного выше процесса на поверхности кремниевой подложки создаются транзисторы. Но при этом между микроструктурами создаётся положительная электрическая ёмкость, как в конденсаторе, которая обеспечивает канал для носителей заряда. Этот «эффект конденсатора» автоматически замедляет скорость переключения транзистора, что приводит к повышению энергопотребления чипа в целом.
Чтобы противодействовать описанному эффекту, между отдельными слоями наносится тонкая изолирующая оксидная плёнка. Структура кремний-на-изоляторе (SOI) даёт прирост скорости транзистора вплоть до 30%. Существует два типа процессов, которые позволяют создавать подобные слои. В первом SOI-процессе кремний бомбардируется ионами кислорода. Заряженные частицы, ускоренные электрическим полем, проникают в подложку, где они реагируют с кремнием и формируют требуемую оксидную основу. IBM разработала такой SOI-процесс в конце 90-х годов.
Выдержка из текущих планов Soitec. SOI будет продолжать совершенствоваться.
SOI: изолирующий оксидный слой
Более современный способ производства подложек SOI был разработан Soitec. Сначала изолирующий оксидный слой наносится напрямую на кремниевую подложку. Затем окисленная сторона SOI-подложки прикрепляется ко второй, необработанной подложке. Теперь осталось только удалить излишек материала с одной из сторон «бутерброда».
Для этого Soitec разработала способ точной обработки SmartCut. Он ускоряет ионы, которые пронизывают оксидный слой первой подложки и проходят в слой кремния ниже. Здесь используются ионы водорода, которые «просачиваются» намного быстрее, чем ионы кислорода. Экономия времени приводит к снижению себестоимости производства. Ионы водорода проникают сквозь оксидный слой и ослабляют связи, создавая плоскость разрыва. В итоге внешняя часть подложки может отслоиться по данной плоскости. Любые оставшиеся неровности поверхности можно затем легко отполировать.
SOI-процесс используется IBM (процессоры Power) и AMD (Athlon 64, Turion 64, Opteron). Intel не планирует внедрять SOI в ближайшем будущем. AMD применила SOI уже со вторым поколением Athlon и сегодня тесно сотрудничает с партнёрами над оптимизацией SOI.
Шесть заводов в мире используют SOI вместе с 300-мм кремниевыми подложками.
Планируемые техпроцессы на SOI SmartCut.
Напряжённый кремний: растягиваем Athlon 64
На рисунке показано, как растягивается кристаллическая решётка кремния под воздействием другого материала с большим расстоянием между атомами решётки.
Принцип «напряжённого кремния» (strained silicon) был реализован Intel с выпуском 90-нм ядра Prescott процессора Pentium 4: расширение шага кристаллической решётки кремния во время соединения с другим материалом (к примеру, германий) существенно увеличивает скорость переключения транзисторов. Кремниевая решётка растягивается примерно на 1%. В итоге улучшается мобильность электронов, которые проходят через кристаллическую решётку, и чип требует меньшего напряжения, что приводит и к снижению тепловыделения. Транзисторы, использующие технологию «напряжённого кремния», также обеспечивают больший запас вычислительной мощности процессора. Как и предполагалось, ни AMD, ни Intel не сообщают дополнительные детали о самом техпроцессе.
Вид «напряжённого кремния» на одном транзисторе. Масштаб (50 нм) позволяет оценить размеры.
Степпинг E4: 90 нм, поддержка SSE3 и частота до 2,6 ГГц
В процессорах Opteron 152, 252 и 852 будут использоваться ядра с новым степпингом E4, которые будут работать на частотах до 2,6 ГГц. Эти процессоры будут использоваться в серверах IBM, Sun и Egenera.
Сегодня наиболее мощным процессором для настольных ПК является Athlon 64 FX-55, который тоже работает на 2,6 ГГц. Каналы HyperTransport позволяют достичь высоких скоростей передачи около 8 Гбайт/с (HT1000). AMD указывает тепловой пакет новых двуядерных процессоров, содержащих чуть меньше 200 миллионов транзисторов, на уровне меньше 93 Вт — существенное отличие от пакета Intel в 115 или 130 Вт.
Интервью с Кеном Воллерсом (Ken Wallers), директором по планированию производства AMD
У нас появилась возможность обсудить производство процессоров AMD на заводе в Дрездене с Кеном Воллерсом (Ken Wallers), директором по планированию производства. Мы выжали из него максимум, что могли (хотя на все вопросы Кен, конечно же, не ответил).
Кен Воллерс, директор по планированию производства завода AMD в Дрездене.
THG. Почему переход на 90-нм техпроцесс занял больше времени, чем планировалось ранее?
Воллерс. Это не так. Развитие нашего 200-мм производства идёт по плану. Кроме того, переход на 90 нм означает использование новых материалов по сравнению со 130 нм.
THG. Давайте поговорим о себестоимости. Сколько вы экономите, перейдя на 90-нм технологию?
Воллерс. В любом случае, мы получим больше чипов с одной подложки, так что доля выхода кристаллов вырастет. Пока мы не можем сказать, какой будет экономия.
THG. Когда появятся 65-нм чипы?
Воллерс. На сегодня мы уже производим тестовые модели с комбинацией структур 65 и 90 нм. Мы предложим 65-нм чипы в 2006 году, после запуска Fab 36. Сегодня мы опираемся на мощности «старой» Fab 30.
THG. Цены на сырьё резко возросли. Какие меры вы принимаете, чтобы снизить затраты?
Воллерс. Стоимость сырья влияет лишь ограниченно. Кроме того, учтите конкуренцию между поставщиками. Но действительно, цены повысились.
THG. Два ядра (по сути, два CPU на одном кристалле) практически удвоили площадь поверхности. Как это сказалось на доле выхода годных кристаллов?
Воллерс. Двуядерные 90-нм процессоры занимают примерно такую же площадь, что и одноядерные 130-нм модели. Поэтому доля выхода годных кристаллов не ухудшилась.
THG. Мы опять же перешли к избитой теме доли выхода годных кристаллов. Можете ли вы назвать какие-нибудь цифры? По нашим предположениям, она составляет выше 50 процентов.
Воллерс. Доля выхода годных кристаллов у нас очень высока по сравнению с конкурентами. Сегодня по этому параметру мы идём на уровне ведущих производителей чипов. Давайте на этом закончим обсуждение этой темы.
Воллерс на презентации APM. За ним можно заметить стильный ноутбук Acer.
Ждём модели на Turion 64?
