CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Đây là phần thứ ba trong loạt thiết kế CPU của chúng tôi. Trong Phần 1, chúng ta đã đề cập đến kiến trúc máy tính và cách hoạt động của bộ xử lý ở mức cao. Phần thứ hai xem xét cách một số thành phần riêng lẻ của chip được thiết kế và triển khai. Phần 3 tiến thêm một bước để xem các thiết kế kiến trúc và sơ đồ được biến thành chip vật lý như thế nào.

Làm thế nào để bạn biến một đống cát thành một bộ xử lý tiên tiến? Hãy cùng tìm hiểu.

Như chúng ta đã thảo luận trước đây, bộ xử lý và tất cả logic kỹ thuật số khác được tạo ra từ các bóng bán dẫn. Một bóng bán dẫn là một công tắc điều khiển điện tử mà chúng ta có thể bật hoặc tắt bằng cách đặt hoặc loại bỏ điện áp khỏi cổng. Chúng ta đã thảo luận về cách có hai loại bóng bán dẫn chính: thiết bị nMOS cho phép dòng điện khi cổng được bật và thiết bị pMOS cho phép dòng điện khi cổng tắt. Cấu trúc cơ bản của một bộ xử lý mà các bóng bán dẫn được tích hợp bên trong là silicon. Silicon được gọi là chất bán dẫn vì nó không dẫn điện hoặc cách điện hoàn toàn; nó ở đâu đó ở giữa.

Để biến một tấm wafer silicon thành một mạch điện hữu ích bằng cách thêm các bóng bán dẫn, các kỹ sư chế tạo sử dụng một quy trình có tên là pha tạp . Quá trình pha tạp bao gồm việc thêm các tạp chất được lựa chọn cẩn thận vào chất nền silicon cơ bản để thay đổi độ dẫn điện của nó. Mục tiêu ở đây là thay đổi cách hành xử của các electron để chúng ta có thể kiểm soát chúng. Giống như có hai loại bóng bán dẫn, có hai loại pha tạp chính tương ứng.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Quá trình chế tạo một tấm wafer trước khi chip được đóng gói. Tín dụng hình ảnh: Evan Lissoos

Nếu chúng ta thêm một lượng được kiểm soát chính xác các nguyên tố cho điện tử như asen, antimon hoặc phốt pho, chúng ta có thể tạo ra vùng loại n. Vì khu vực silicon nơi các nguyên tố này được áp dụng hiện có quá nhiều electron nên nó sẽ trở nên tích điện âm. Đây là nguồn gốc của cái tên n-type và chữ “n” trong nMOS. Bằng cách thêm các nguyên tố nhận điện tử như bo, indi hoặc gali vào silicon, chúng ta có thể tạo ra vùng loại p tích điện dương. Đây là nơi bắt nguồn chữ “p” trong p-type và pMOS. Các quy trình cụ thể để thêm các tạp chất này vào silicon được gọi là Cấy ghép và Khuếch tán Ion và chúng hơi nằm ngoài phạm vi của bài viết này.

Đọc thêm:  Ngày ấy và bây giờ: So sánh 6 thế hệ đồ họa GeForce

Giờ đây, chúng ta có thể kiểm soát độ dẫn điện của một số bộ phận nhất định trong silicon, chúng ta có thể kết hợp các thuộc tính của nhiều vùng để tạo ra bóng bán dẫn. Các bóng bán dẫn được sử dụng trong các mạch tích hợp, được gọi là MOSFET (Bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại), có bốn kết nối. Dòng điện chúng ta đang kiểm soát chảy qua Nguồn và Cống. Trong thiết bị kênh n, nó thường đi vào cống và ra khỏi nguồn trong khi ở thiết bị kênh p, nó thường chảy vào nguồn và ra khỏi cống. Cổng là công tắc được sử dụng để bật và tắt bóng bán dẫn. Cuối cùng, Thân máy không liên quan đến bộ xử lý nên chúng tôi sẽ không thảo luận về vấn đề này ở đây.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Cấu trúc vật lý của một biến tần trong silicon. Mỗi vùng màu có tính chất dẫn điện khác nhau. Lưu ý cách các thành phần silicon khác nhau tương ứng với sơ đồ bên phải

Các chi tiết kỹ thuật về cách hoạt động của các bóng bán dẫn và cách các vùng khác nhau tương tác là đủ để lấp đầy một khóa học đại học trình độ sau đại học, vì vậy chúng ta sẽ chỉ chạm vào những điều cơ bản. Một sự tương tự tốt về cách chúng hoạt động là một cây cầu bắc qua sông. Những chiếc ô tô, các điện tử trong bóng bán dẫn của chúng ta, muốn chảy từ bờ sông này sang bờ sông bên kia, nguồn và cống của bóng bán dẫn của chúng ta. Sử dụng thiết bị nMOS làm ví dụ, khi cổng không được sạc, cầu rút được dựng lên, các điện tử không thể chạy qua kênh. Khi chúng tôi hạ cầu rút xuống, chúng tôi tạo thành một con đường bắc qua sông và ô tô có thể di chuyển tự do. Điều tương tự xảy ra trong một bóng bán dẫn. Sạc cổng tạo thành một kênh giữa nguồn và cống cho phép dòng điện chạy qua.

Để có thể kiểm soát chính xác vị trí của các vùng p và n khác nhau của silicon, các nhà sản xuất như Intel và TSMC sử dụng một quy trình gọi là quang khắc . Đây là một quá trình gồm nhiều bước cực kỳ phức tạp và các công ty đã chi hàng tỷ đô la để hoàn thiện nó để có thể chế tạo các bóng bán dẫn nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Hãy tưởng tượng một máy in siêu chính xác có thể được sử dụng để vẽ các mẫu cho từng vùng lên silicon.

Đọc thêm:  Đã kiểm tra hiệu suất AMD Ryzen 5000 IPC

Quá trình xây dựng các bóng bán dẫn thành một con chip bắt đầu với một tấm wafer silicon nguyên chất. Sau đó, nó được nung nóng trong lò nung để tạo ra một lớp silicon dioxide mỏng trên đỉnh của tấm wafer. Sau đó, một loại polyme cản quang nhạy sáng được phủ lên trên silicon dioxide. Bằng cách chiếu ánh sáng ở các tần số nhất định lên chất cản quang, chúng ta có thể loại bỏ chất cản quang ở những khu vực chúng ta muốn pha tạp. Đây là bước in thạch bản và tương tự như cách máy in hoạt động để bôi mực lên các khu vực nhất định của trang, chỉ ở quy mô nhỏ hơn nhiều.

Tấm wafer được khắc bằng axit flohydric để hòa tan silicon dioxide nơi chất cản quang đã được loại bỏ. Chất cản quang sau đó được loại bỏ, chỉ để lại lớp oxit bên dưới. Sau đó, các ion pha tạp có thể được áp dụng cho tấm wafer và sẽ chỉ tự cấy vào những nơi có khoảng trống trong oxit.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Quá trình tạo mặt nạ, chụp ảnh và pha tạp này được lặp đi lặp lại hàng chục lần để từ từ xây dựng từng mức tính năng trong chất bán dẫn. Sau khi hoàn thành cấp độ silicon cơ sở, các kết nối kim loại sẽ được chế tạo ở trên cùng để kết nối các bóng bán dẫn khác nhau với nhau. Chúng tôi sẽ đề cập nhiều hơn về các kết nối và lớp kim loại này một chút.

Tất nhiên, các nhà sản xuất chip không chỉ thực hiện quy trình chế tạo từng bóng bán dẫn này một lần. Khi một con chip mới được thiết kế, chúng sẽ tạo ra các mặt nạ cho từng bước trong quy trình chế tạo. Những mặt nạ này sẽ chứa vị trí của từng phần tử trong hàng tỷ bóng bán dẫn trên một con chip. Nhiều chip được nhóm lại với nhau và được chế tạo cùng một lúc trên một khuôn duy nhất.

Sau khi một tấm wafer được chế tạo, các khuôn riêng lẻ sẽ được cắt ra và đóng gói. Tùy thuộc vào kích thước của chip, mỗi tấm wafer có thể chứa hàng trăm chip trở lên. Thông thường, chip được sản xuất càng mạnh thì khuôn sẽ càng lớn và nhà sản xuất có thể thu được càng ít chip từ mỗi tấm wafer.

Đọc thêm:  Lấy lại một số không gian lưu trữ với một vài điều chỉnh đơn giản

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Thật dễ dàng để nghĩ rằng chúng ta chỉ nên tạo ra những con chip khổng lồ, siêu mạnh và có hàng trăm lõi, nhưng điều đó là không thể. Hiện tại, yếu tố lớn nhất ngăn cản chúng tôi tạo ra những con chip ngày càng lớn hơn là những khiếm khuyết trong quá trình sản xuất. Những con chip hiện đại có hàng tỷ bóng bán dẫn và nếu một phần của một bóng bán dẫn bị hỏng, toàn bộ con chip có thể phải bị loại bỏ. Khi chúng tôi tăng kích thước của bộ xử lý, khả năng chip bị lỗi sẽ tăng lên.

Sản lượng thực tế mà các công ty thu được từ quy trình chế tạo của họ được giữ bí mật chặt chẽ, nhưng bất cứ nơi nào từ 70% đến 90% là một ước tính tốt. Các công ty thường thiết kế quá mức chip của họ với chức năng bổ sung vì họ biết một số bộ phận sẽ không hoạt động. Ví dụ, Intel có thể thiết kế chip 8 nhân nhưng chỉ bán dưới dạng chip 6 nhân vì họ ước tính rằng một hoặc hai nhân có thể bị hỏng. Những con chip có số lượng lỗi thấp bất thường thường được đặt sang một bên để bán với giá cao hơn trong một quy trình được gọi là đóng thùng .

Một trong những thuật ngữ tiếp thị lớn nhất liên quan đến chế tạo chip là kích thước tính năng. Ví dụ: Intel đang hướng tới quy trình 10nm, AMD đang sử dụng quy trình 7nm cho một số GPU và TSMC đã bắt đầu làm việc trên quy trình 5nm. Tất cả những con số này có ý nghĩa gì? Theo truyền thống, kích thước tính năng biểu thị chiều rộng tối thiểu giữa cống và nguồn của bóng bán dẫn. Khi công nghệ ngày càng phát triển, chúng tôi đã có thể thu nhỏ các bóng bán dẫn của mình để có thể lắp ngày càng nhiều hơn trên một con chip. Khi các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn, chúng cũng ngày càng trở nên nhanh hơn.

Khi xem xét những con số này, điều quan trọng cần lưu ý là một số công ty có thể căn cứ quy mô quy trình của họ trên các kích thước khác với chiều rộng tiêu chuẩn. Điều này có nghĩa là các quy trình có kích thước khác nhau từ các công ty riêng biệt có thể thực sự tạo ra bóng bán dẫn có cùng kích thước. Mặt khác, không phải tất cả các bóng bán dẫn trong một quy trình nhất định đều có cùng kích thước. Các nhà thiết kế có thể chọn làm cho một số bóng bán dẫn lớn hơn những bóng bán dẫn khác dựa trên sự đánh đổi nhất định. Đối với một quy trình thiết kế nhất định, một bóng bán dẫn nhỏ hơn sẽ nhanh hơn vì mất ít thời gian hơn để sạc và xả cổng. Tuy nhiên, các bóng bán dẫn nhỏ hơn chỉ có thể điều khiển một số lượng đầu ra rất nhỏ. Nếu một phần nào đó nếu logic sẽ điều khiển thứ gì đó cần nhiều năng lượng, chẳng hạn như chân đầu ra, thì nó sẽ cần phải được làm lớn hơn nhiều. Các bóng bán dẫn đầu ra này có thể có cường độ lớn hơn các bóng bán dẫn logic bên trong.

Đọc thêm:  Máy tính bảng của năm 2013: Nexus so với Surface so với iPad

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Ảnh chụp bộ xử lý AMD Zen gần đây. Vài tỷ bóng bán dẫn tạo nên thiết kế này.

Tuy nhiên, việc thiết kế và xây dựng các bóng bán dẫn chỉ là một nửa con chip. Chúng ta cần xây dựng dây để kết nối mọi thứ theo sơ đồ. Các kết nối này được thực hiện bằng cách sử dụng các lớp kim loại phía trên các bóng bán dẫn. Hãy tưởng tượng một nút giao đường cao tốc nhiều tầng với các đường dốc lên, dốc xuống và các đường khác nhau băng qua nhau. Đó chính xác là những gì đang diễn ra bên trong một con chip, mặc dù ở quy mô nhỏ hơn nhiều. Các quy trình khác nhau sẽ có số lượng khác nhau của các lớp kết nối kim loại phía trên các bóng bán dẫn. Khi các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn, cần có nhiều lớp kim loại hơn để có thể định tuyến tất cả các tín hiệu. Quy trình 5nm sắp tới của TMSC có 15 lớp kim loại được báo cáo. Hãy tưởng tượng một nút giao đường cao tốc dọc 15 cấp và điều đó sẽ giúp bạn hiểu được mức độ phức tạp của việc định tuyến bên trong một con chip.

Hình ảnh kính hiển vi dưới đây cho thấy mạng tinh thể được hình thành bởi bảy lớp kim loại. Mỗi lớp đều bằng phẳng và khi chúng lên cao hơn, các lớp này sẽ lớn hơn để giúp giảm lực cản. Ở giữa mỗi lớp là các ống trụ kim loại nhỏ được gọi là vias được sử dụng để nhảy lên lớp cao hơn. Mỗi lớp thường xen kẽ theo hướng từ lớp bên dưới nó để giúp giảm điện dung không mong muốn. Các lớp kim loại lẻ có thể được sử dụng để tạo liên kết ngang trong khi các lớp chẵn có thể được sử dụng để tạo liên kết dọc.

Đọc thêm:  Dán văn bản trong Dấu nhắc lệnh bằng Ctrl + V và hơn thế nữa

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Như bạn có thể tưởng tượng, tất cả các tín hiệu và lớp kim loại này trở nên cực kỳ khó quản lý rất nhanh. Để giúp giải quyết vấn đề này, các chương trình máy tính được sử dụng để tự động đặt và định tuyến các bóng bán dẫn. Tùy thuộc vào mức độ tiên tiến của thiết kế, các chương trình thậm chí có thể dịch các chức năng trong mã C cấp cao xuống các vị trí thực tế của mọi dây dẫn và bóng bán dẫn. Thông thường, các nhà sản xuất chip sẽ để máy tính tự động tạo ra hầu hết thiết kế, sau đó họ sẽ xem xét và tối ưu hóa một số phần quan trọng nhất định bằng tay.

Khi các công ty muốn chế tạo một con chip mới, họ sẽ bắt đầu thiết kế của mình với các tế bào tiêu chuẩn mà công ty chế tạo cung cấp. Ví dụ, Intel hoặc TSMC sẽ cung cấp cho các nhà thiết kế những bộ phận cơ bản như cổng logic hoặc ô nhớ. Sau đó, các nhà thiết kế có thể kết hợp các ô tiêu chuẩn này thành bất kỳ con chip nào họ muốn chế tạo. Sau đó, họ sẽ gửi đến xưởng đúc, nơi biến silicon thô thành các con chip hoạt động, bố trí các bóng bán dẫn và các lớp kim loại của con chip. Các bố cục này được biến thành mặt nạ được sử dụng trong quy trình chế tạo mà chúng tôi đã trình bày ở trên. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem quá trình thiết kế này có thể trông như thế nào đối với một con chip cực kỳ cơ bản.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Đầu tiên chúng ta thấy cách bố trí cho một biến tần là một ô tiêu chuẩn. Hình chữ nhật màu xanh lá cây bị gạch chéo ở trên cùng là bóng bán dẫn pMOS và hình chữ nhật màu xanh lục trong suốt ở dưới cùng là bóng bán dẫn nMOS. Dây màu đỏ thẳng đứng là cổng polysilicon, vùng màu xanh dương là kim loại 1 và vùng màu tím là kim loại 2. Đầu vào A đi vào ở bên trái và đầu ra Y đi ra ở bên phải. Các kết nối nguồn và nối đất được thực hiện ở trên cùng và dưới cùng trên kim loại 2.

Đọc thêm:  Ghép nối CPU và GPU: Nâng cấp PC và thắt cổ chai

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip 

Kết hợp một số cổng, ở đây chúng ta có một đơn vị số học 1 bit cơ bản. Thiết kế này có thể cộng, trừ và thực hiện các phép toán logic trên hai đầu vào 1 bit. Các dây màu xanh lam được cắt chéo đi theo chiều dọc là 3 lớp kim loại. Các ô vuông lớn hơn một chút ở hai đầu dây là vias kết nối hai lớp.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= CPU được thiết kế như thế nào, Phần 3: Xây dựng chip

Cuối cùng, ghép nhiều ô và khoảng 2.000 bóng bán dẫn lại với nhau, chúng ta có một bộ xử lý 4 bit cơ bản với 8 byte RAM trên bốn lớp kim loại. Nhìn vào mức độ phức tạp của việc này, người ta chỉ có thể hình dung ra độ khó của việc thiết kế một CPU 64-bit với bộ nhớ cache hàng megabyte, nhiều lõi và hơn 20 giai đoạn đường ống. Cho rằng các CPU hiệu suất cao ngày nay có thể có tới 5-10 tỷ bóng bán dẫn và hàng chục lớp kim loại, không quá lời khi nói rằng chúng thực sự phức tạp hơn thế này hàng triệu lần.

Điều này sẽ giúp bạn đánh giá cao lý do tại sao CPU mới của bạn là một sản phẩm công nghệ đắt tiền hoặc tại sao AMD và Intel lại mất nhiều thời gian như vậy giữa các lần phát hành sản phẩm. Thông thường sẽ mất từ 3 đến 5 năm để một con chip mới đi từ bản vẽ ra thị trường. Điều đó có nghĩa là những con chip nhanh nhất hiện nay được sản xuất bằng công nghệ đã vài năm tuổi và chúng ta sẽ không thấy những con chip có công nghệ chế tạo hiện đại ngày nay trong nhiều năm nữa.

Cùng với đó, tất cả chúng ta đã hoàn thành việc tìm hiểu sâu về cách xây dựng bộ xử lý.

Trong phần thứ tư và phần cuối cùng của loạt bài này, chúng ta sẽ quay trở lại từ lĩnh vực vật lý và xem xét các xu hướng hiện tại trong ngành. Các nhà nghiên cứu hiện đang làm gì để làm cho thế hệ máy tính tiếp theo thậm chí còn nhanh hơn?

Trong phần thứ ba của loạt bài này, chúng ta đã khám phá nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn, cách các thành phần riêng lẻ của chúng được chế tạo bằng silicon và cách chúng được kết nối để tạo ra các mạch và chip hữu ích.

Tín dụng tiêu đề: Hình ảnh sản xuất chất bán dẫn của Macro