Андрей Колесов

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Одно дело  -  знать теорию современного микроэлектронного производства и совсем другое  -  увидеть его почти на расстоянии вытянутой руки. В этот момент вспоминаешь в общем известную, но отошедшую сейчас на второй план истину: в основе прогресса вычислительной техники лежит технология производства ее элементной базы.

Так выглядит изнутри цех Fab 10

Прогресс микроэлектронной технологии

В этой связи можно привести классическое определение 70-х годов: “Поколение ЭВМ определяется используемой элементной базой”. И далее тезис раскрывался: первое поколение  -  электронные лампы, второе  -  дискретные полупроводниковые приборы, третье  -  интегральные схемы. Позднее это определение подзабылось, что во многом объясняется тем, что совершенствование элементной базы шло в рамках фактически одной технологии. И хотя речь шла вроде бы только о некоторых количественных изменениях, это был как раз тот случай, когда количество переходит в качество. Одним из наиболее ярких примеров служит появление самого термина “микропроцессор” (некоторой главной микросхемы, которая в основном определяет архитектуру компьютера и под которую подстраиваются все остальные его компоненты).

Микроэлектронное производство характеризуется многими параметрами, но основным является средний характерный размер отдельного элемента кристалла. Говоря об элементе, хотелось бы подчеркнуть, что интегральная схема включает не только транзисторы, то также диоды, тиристоры, резисторы, конденсаторы и пр. Впрочем, есть и другой важный показатель  -  количество дефектов на единицу площади.

Довольно много внимания мы уделяем вопросам архитектуры процессоров, но хотелось бы подчеркнуть, что многие решения, реализованные в микропроцессорах, в принципе были отработаны еще 20 - 30 лет назад на больших и суперЭВМ (к вопросу о роли суперЭВМ в истории). Безусловно, современные решения реализованы на совершенно ином уровне, с многочисленными усовершенствованиями, но они стали возможны вследствие повышения уровня интеграции микросхем.

С момента выпуска первого микропроцессора в 1972 г. технологические нормы в микроэлектронном производстве Intel снизились с 10 до 0,25 мкм (показатели Intel соответствуют лучшим параметрам отрасли в целом). Именно это позволило повысить число транзисторов на одном кристалле с 2,3 тыс. (i4004) до 7,5 млн. (Pentium II) и увеличить тактовую частоту со 108 кГц до 333 МГц. (Упрощенно можно считать, что производительность процессора возрастает пропорционально числу транзисторов и тактовой частоте. Таким образом, вычислительная мощность процессоров Intel возросла за 25 лет в 10 миллионов раз! И это примерно при одинаковой стоимости готовых изделий.)

За последние двенадцать лет динамика смены технологии производства выглядит следующим образом: 1,5  -  1,0  -  0,8  -  0,6  -  0,35  -  0,25. Как видно из этого ряда, смена происходит каждые 2 - 2,5 года. И хотя технологические нормы снижаются в среднем на 25%, каждый такой шаг является по существу небольшой научно-технической революцией, которая требует постоянно возрастающих капиталовложений в исследования и производство.

Как “выпекаются” кристаллы

Производственный корпус Fab 10 представляет собой сооружение площадью 100 на 80 м и высотой не более 15 м. Однако, попав внутрь, мы обнаружили, что сам цех, где делаются кристаллы, занимает не более четверти этого пространства. Фактически он представляет собой одноэтажное помещение, опоясанное широким коридором по всему периметру. Все верхние этажи занимает мощное оборудование для очистки воздуха, воды и некоторых химикатов. И вообще цех установлен на отдельном, антисейсмичном фундаменте. Производственное помещение обнесено прозрачными стеклянными стенками и разделено такими же перегородками между отдельными комнатами. Таким образом из внешнего коридора, по которому и проводят экскурсантов, отлично виден практически каждый уголок цеха, его оборудование и обслуживающий персонал.

Исходным материалом для микросхем кристаллов служат 200-миллиметровые отполированные кремниевые пластины, которые Intel покупает у других производителей. Суть производства кристаллов заключается в создании на этой пластине физических неоднородностей, которые и образуют отдельные элементы электрической схемы  -  транзисторы, диоды, сопротивления, конденсаторы и пр. На одной пластине выращивается сразу несколько сотен микросхем. В результате полированная пластина покрывается причудливым микроскопическим узором и становится похожа на вафлю.

Чтобы достичь такого состояния, на пластину нужно нанести около 20 слоев с различными физическими свойствами. Для этого методом фотолитографии последовательно создается 20 различных масок, которые должны иметь отклонение друг от друга не более 0,1 мкм. Общее число технологических операций составляет около трехсот, причем некоторые из них длятся по нескольку часов.

Основной производственный процесс осуществляется в относительно небольшом помещении (на Fab 10 это зал в несколько сот квадратных метров), называемом “чистой комнатой класса 1” (не более тридцати частиц диаметром до 0,2 мкм на один кубический метр воздуха). Каждые 10 секунд воздух в помещении полностью обновляется. Доступ людей сведен к минимуму. Каждый специалист, работающий здесь, проходит через несколько последовательных раздевалок, постепенно надевая защитные средства, в том числе шлем с индивидуальной системой очистки воздуха, и, выходя в рабочий зал, имеет вид тех самых “BunnyPeople”, которых мы так часто видим в рекламе Intel по телевидению. Правда, в реальности их гораздо меньше и они не такие нарядные: костюмы на них белого цвета.

После многочисленных операций по выращиванию кристаллов пластина попадает в “северный ангар”, где на нее наносится четыре-пять слоев металлизации для соединения отдельных элементов микросхемы. Затем проводится тестирование. Каждая микросхема проходит первичное тестирование на работоспособность. При этом одной из важнейших тестовых операций является автоматический визуальный контроль качества структуры (рисунка) каждого процессора. Бракованные процессоры тут же помечаются.

В результате всех этих операций за два месяца блужданий по цеху чистая кремниевая платина превращается в вафлю с микросхемами, которая затем отправляется на один из сборочных заводов Intel в Восточную Азию или США. Там “вафля” распиливается на отдельные кристаллы, каждый из которых помещается в свой корпус с надежными внешними контактами. После этого процессоры проходят полное тестирование в условиях температурных, механических и влажностных нагрузок. Этот процесс занимает еще две недели.

Чем различаются процессоры

С точки зрения производства кристаллов процессоры различаются не по тактовой частоте, а только по типу микросхем и по технологии их выращивания. Например, завод Fab 10 в течение трех лет выпускал процессоры Pentium только одного типа  -  по технологии 0,6 мкм. А уже на этапе тестирования готового изделия (где-то в Малайзии) определялось, что же получилось в итоге  -  Pentium 75 или 133 МГц.

Здесь нужно вспомнить о еще одном важном показателе микроэлектронного производства  -  проценте выхода годных изделий. И здесь есть ряд существенных отличий от традиционных производств.

Во-первых, выпускаемые даже на одной технологической линии изделия могут довольно сильно различаться по выходным параметрам (например, по показателю максимальных рабочих частот  -  почти в два раза).

Во-вторых, каждая производственная линия по сути представляет собой научно-исследовательскую лабораторию, постоянно совершенствующую технологический процесс. В результате процент выхода годных изделий и их технические параметры постоянно повышаются.

В Fab 10 это выглядит примерно так (все данные о ПВГИ  -  проценте выхода годных изделий  -  являются условными, но они отражают суть процесса с качественной точки зрения). В момент запуска производственной линии в эксплуатацию выход годных Pentium мог составлять несколько процентов, да и то при стабильной работе только на частоте 75 МГц. Со временем этот показатель повышался, при этом многие процессоры уже могли работать на частоте 90 МГц. В этот момент Intel объявила о выходе новой модели  -  Pentium 90.

Производственный процесс шел, процент выхода годных микропроцессоров повышался, росла и тактовая частота. В какой-то момент ПВГИ приблизился к величине в 80 - 90%, причем минимальная частота всех процессоров составляла 90 МГц,  -  и тогда Intel объявила о прекращении поставок модели 75 МГц. К концу 1996 г. ПВГИ приблизился к 95%, и все процессоры могли работать на частоте 133 Мгц.

И тут Intel прекращает их производство. Это объясняется двумя факторами. Во-первых, повышать дальше тактовую частоту модели Pentium 0,6 мкм невозможно из-за электрических и температурных ограничений. Во-вторых, фабрики Intel, работающие по технологии 0,35 мкм, уже обеспечивают выпуск Pentium с минимальной частотой 166 МГц при ПВГИ не менее 80%.

Из этого можно сделать вывод, что себестоимость производства процессоров напрямую связана с показателем ПВГИ, который является строжайшим секретом любой компании. Себестоимость довольно быстро падает за время жизни технологической линии (на фабриках Intel оно составляет два-три года). При этом розничная цена процессора определяется в первую очередь маркетинговой политикой и довольно слабо связана со стоимостью его производства. Например, себестоимость Pentium II с частотой 233 и 300 МГц практически одинакова, но цена на рынке различается существенно  -  430 и 758 долл.

Более того, в момент объявления нового процессора его розничная цена может быть ниже себестоимости (это определяется наличием товарного запаса изделия, достаточного для его выпуска на рынок). Но главное  -  как быстро фирма может совершенствовать производство и повышать ПВГИ.

В связи с этим приведем пример с процессорами фирмы AMD. Мы часто подчеркиваем, что при одинаковой производительности процессоры AMD стоят дешевле аналогичных изделий Intel. Но это означает лишь одно: AMD в течение многих лет работает на существенно более низкой норме прибыли. В частности, объявив еще весной 1997 г. процессор K6, AMD, по заявлениям ее официальных представителей, даже спустя полгода не смогла выйти на уровень рентабельности их производства.

Intel никак не комментирует подобные технико-экономические показатели своего производства. Однако по некоторым независимым оценкам, его рентабельность существенно превышает 100%, что и обеспечивает высокий уровень прибыли корпорации на протяжении последних десяти лет. Впрочем, как утверждают представители компании, все эти деньги уходят на дальнейшее расширение и модернизацию производства.  Окончание. Начало см. PC Week/RE, № 49/97, с. 1; № 2/98, с. 46.