Там, где рождается Opteron

Андрей Борзенко

В середине января корпорация AMD (Advanced Micro Devices, http://www.amd.com)
организовала и провела двухдневный пресс-тур для европейских журналистов. В
его программу вошло посещение полупроводниковой фабрики Fab30 и знакомство с
работой некоторых ее подразделений. Кроме того, ряд сессий и лабораторных работ,
подготовленных специалистами корпорации, был посвящен современным методикам
тестирования процессоров. В частности, журналистам дали возможность получить
более глубокое представление о том, что именно измеряют при помощи пакетов эталонных
тестов и как следует настраивать конфигурацию системы, чтобы создать согласованную
рабочую среду и добиться точных и сопоставимых результатов.

Fab30 на Эльбе

Официальное открытие Fab30 состоялось еще в октябре 1999 г., ознаменовав окончание проекта, начавшегося осенью 1996 г. с земляных работ. Первые тестовые полупроводниковые пластины были получены во второй половине 1998 г., а уже в январе 1999 г. здесь начали выпускать пробные партии процессоров AMD K6. Первые устройства на базе технологии медных межсоединений были созданы в июле 1999 г. (до шести слоев металлизации). После официального открытия серийной продукцией Fab30 стали микропроцессоры Athlon.

Fab30 – это уникальный производственный комплекс, раскинувшийся на обширной территории площадью в 75 акров в северной части Дрездена (земля Саксония), которая принадлежит муниципальному образованию Вильшдорф. Когда завод Fab30 будет полностью укомплектован оборудованием, общий объем вложенных в это предприятие средств достигнет 1,9 млрд долл. В настоящее время на предприятии работает около 1900 сотрудников. За неделю производится около 5 тыс. полупроводниковых пластин размером 200 мм. Площадь "чистой комнаты" составляет примерно 14 тыс. м2. (класс 100T). Для бесперебойного электроснабжения комплекса предусмотрена специальная подстанция мощностью 26 МВт. Одной из основных технологических задач на фабрике в 2002 г. стал переход с проектных норм 0,18 мкм на более жесткие – 0,13 мкм.

В AMD считают, что фабрика Fab30, оборудованная по последнему слову техники, сыграет решающую роль в осуществлении амбициозных планов корпорации. Фабрика также призвана стать основным фактором возрождения Саксонии и вернуть ей былую славу крупнейшего научно-технического центра Европы. Сегодня на этом предприятии выпускают самые современные микросхемы, включая Athlon XP и Athlon MP. Здесь же вскоре будет развернуто массовое производство 64-разрядных микропроцессоров восьмого поколения Opteron. Стоит отметить, что еще в 2001 г. журнал Semiconductor International присудил фабрике почетную награду "Fab of the Year 2001".

Как известно, производство кристалла микропроцессора Athlon занимает несколько недель. Каждая пластина проходит через несколько сотен стадий технологического процесса, прежде чем формирование функциональной части кристалла будет завершено. Вопреки распространенному заблуждению, конечная продукция фабрики – полупроводниковые пластины, на которых сформировано несколько десятков интегральных схем (микропроцессоров). Окончательная сборка микропроцессора как устройства производится не в Дрездене и даже не в Остине, а на третьем предприятии – в Малайзии.

Кристаллы "одеваются" в корпус в далекой Малайзии.

На первый взгляд, может удивить местоположение Fab30. На самом же деле Дрезден был центром полупроводниковой промышленности еще во времена существования восточного блока. После объединения Германии многие предприятия отрасли были закрыты и множество высококвалифицированных специалистов в области электроники из Восточной Германии остались без работы. Однако к середине 90-х началось возрождение электронной промышленности. Именно благодаря местным высококвалифицированным кадрам сегодня предприятия AMD могут функционировать на очень высоком уровне без привлечения специалистов из США. В частности, корпорация активно приглашает на работу студентов немецких университетов, часть из которых еще нигде до этого не работала. Руководители AMD отмечают, что для них на первом месте люди.

Фабрика AMD Saxony Fab30.

Стоит отметить, что проект AMD Saxony Manufacturing GmbH (AMD Saxony) вошел в число крупнейших международных инвестиций в Восточную Германию. Общая сумма к концу 2003 г. должна достичь 2,3 млрд долл. Кроме Fab30, проект охватывает Дрезденский центр разработок DDC (Dresden Design Center) – часть европейского центра микроэлектроники AMD, который начал работать еще в 1998 г. Руководство корпорации уделяет ему большое внимание, считая, что для достижения и закрепления положения лидера в производстве процессоров необходимо продвигать готовые решения, включая не только сам микропроцессор, но и окружающую его обвязку, что в совокупности и составляет платформу. Таким образом, основная задача Дрезденского исследовательского центра состоит в разработке сопутствующих схем для будущих микропроцессорных продуктов.

В прошлом году начаты работы по созданию центра внедрения новых технологий ATPC (Advanced Technology Production Center). В частности, в его состав войдет дополнительная "чистая комната" площадью 2100 м2. Основной задачей ATPC станут исследования в области технологических процессов с проектными нормами 90 нм.

Кроме того, в июле 2002 г. стартовал проект AMTC (Advanced Mask Technology Center) – совместное предприятие AMD, Infineon Technologies AG и DuPont Photomasks.

EUV-литография

Крупнейшие полупроводниковые корпорации и научно-исследовательские организации озабочены сегодня созданием новых технологий, которые позволят производителям полупроводниковых приборов по крайней мере еще десять лет использовать в качестве базового материала кремний. Как известно, транзисторы и соединения на нем реализуются с помощью серии уровней, в современных микросхемах их может быть пять или шесть. Уменьшение размеров транзисторов и увеличение плотности их размещения на кристалле влечет за собой увеличение числа уровней. Однако чем больше слоев в схеме, тем тщательнее должен быть контроль за ними в процессе производства, поскольку на каждый из уровней будут оказывать влияние нижележащие. Стоимость усовершенствования средств контроля и создания соединений между множеством уровней может оказаться фактором, сдерживающим увеличение числа слоев.

Кроме всего прочего, усложнение интегральных схем требует совершенствования условий производства, к которым и так предъявляются беспрецедентно высокие требования. Необходим более точный механический контроль за позиционированием исходной кремниевой пластины. Стерильное помещение ("чистая комната"), где создаются микросхемы, должно стать еще чище, дабы исключить попадание мельчайших частичек пыли, способных разрушить сложнейшую схему.

"Чистая комната" – сердце полупроводникового производства.

Одна из таких технологий, названная EUV (Extreme Ultra Violet), нацелена на улучшение процесса фотолитографии при производстве микросхем. Корпорация AMD принимает в работе консорциума EUV LLC (Limited Liability Company) самое деятельное участие.

Дело в том, что использование коротковолнового УФ-излучения позволяет реализовать более жесткие проектные нормы и, следовательно, разместить на той же площади поверхности кристалла большее количество элементов. Как известно, цель фотолитографии – создание в слое материала-фоторезиста "окна" заданной конфигурации для доступа травителя к расположенной под этим слоем полупроводниковой пластине с оксидной пленкой. Такие "окна" образуются при экспонировании фоторезиста в потоке УФ-излучения лазера, в результате которого материал теряет (или приобретает) растворимость. Конфигурацию "окон" задают соответствующие маски; полученное после них изображение конденсируется с помощью специальной системы линз. Современная фотолитографическая машина обрабатывает за час несколько десятков 8-дюймовых полупроводниковых пластин.

Управлять ультракоротковолновым излучением не так просто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо абсорбируется стеклом, в новой технологии предполагается использовать серию из четырех специальных выпуклых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изображение, полученное после маски. Каждое такое зеркало содержит десятки отдельных металлических слоев, толщина которых – несколько атомов.

При использовании технологии EUV уже к 2005 г. ожидается появление кристаллов, работающих на тактовой частоте 10 ГГц. Отметим, что в соответствии с законом Мура количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 18 месяцев. Одной из предпосылок этого и является уменьшение базовых размеров элементов (иначе говоря, ужесточение проектных норм), что позволяет производителям разместить на одной и той же пластине больше базовых элементов.

Как отмечают эксперты, возможности используемой в настоящее время фотолитографии ограничены и она полностью исчерпает свои возможности уже в ближайшее время. В то же время технология EUV уже сейчас позволяет говорить о размерах базовых элементов менее 30 нм, что соответствует ширине примерно в 150 атомов. Неким пределом пока считаются размеры в 15-20 нм. Наряду с внедрением новых технологий в области фотолитографии, основными заботами полупроводниковой индустрии остаются уменьшение проектных норм и переход на 12-дюймовые пластины (300 мм).

Ключевые технологии

Эксперты AMD сходятся во мнении, что в настоящее время ключевые технологии полупроводниковой промышленности – это медные межсоединения (copper interconnect), транзисторы "кремний на изоляторе" SOI (Silicon On Insulator), новый тип изоляционного материала с низким коэффициентом диэлектрической пропускаемости (low-k диэлектрик), а также процесс "растянутый кремний" (strained silicon).

Вообще говоря, по сравнению с технологией, где межсоединения выполнены на основе алюминия, медь позволяет сделать кристалл не только более быстрым, но и меньшего размера. Медная металлизация по сравнению с обычной уменьшает общее сопротивление, что позволяет увеличить скорость работы кристалла на 15-20%. Малое сопротивление позволяет уменьшать и геометрические размеры проводников.

Напомним, что любой микропроцессор состоит из миллионов транзисторов, которые работают в так называемом ключевом режиме (т. е. пропускают или не пропускают ток). В частности, технологии типа "кремний на изоляторе" помогают остановить ток, когда транзистор выключен (ток утечки), а такие технологии, как "растянутый кремний", помогают увеличить ток при включении транзистора.

Технология SOI, например, уменьшает паразитные емкости, возникающие между элементами микросхемы и подложкой. Это значительно уменьшает величину заряда, который может помещаться между легированным кремнием и кремниевой подложкой процессора, следовательно, транзисторы переключаются быстрее и поддерживают более высокие тактовые частоты. Увеличение скорости за счет использования данной технологии может составить 20-30%. SOI должна также уменьшить потребление энергии этими транзисторами, так как для подзарядки емкости транзистора требуется меньший ток.

Технология "растягивания кремния", как видно из названия, как бы "растягивает" кремний на канальной области транзистора. Дело в том, что кремний помещается на специальную подложку, у которой расстояние между атомами больше, чем у кремния. В результате атомы кремния "растягиваются", чтобы соответствовать атомам подложки. Поскольку расстояние между атомами возрастает, то электроны проходят сквозь канал с меньшим сопротивлением. В результате получается увеличение тока до 10-20%. Ожидается, что технология "растянутого кремния" начнет применяться при использовании проектных норм 90 нм.

Один хорошо, а два – лучше AMD изготовила в своей лаборатории высокопроизводительные транзисторы нового типа – с двумя затворами. Эта конструкция позволяет удвоить протекающий через транзистор ток, подобно тому, как дополнительная полоса движения увеличивает пропускную способность автомагистрали. Инженеры в один голос утверждают, что полевые транзисторы с несколькими затворами, выполненные по технологии Fin Field Effect Transistor (Fin-Fet), – ключ к дальнейшему повышению быстродействия микропроцессоров. Эта конструкция может использоваться и для создания экономичных микросхем, рассчитанных на применение в устройствах с автономным питанием. К тому же новая конструкция транзисторов позволяет уменьшить их размеры, так что можно разместить до миллиарда ключей на кристалле той же площади, которая сейчас вмещает 100 млн транзисторов. Fin-Fet означает введение в конструкцию транзистора тонкого вертикального "ребра" из кремния, которое уменьшает ток утечки, когда транзистор находится в закрытом состоянии. В остальном технология изготовления транзисторов остается прежней, что позволяет довольно быстро наладить их производство.

Многообещающий альянс

В начале января AMD и подразделение IBM Microelectronics корпорации IBM (http://www.ibm.com) объявили о заключении соглашения, в рамках которого компании будут совместно разрабатывать технологии изготовления микросхем, рассчитанных на применение в будущих высокопроизводительных продуктах. Предполагается, что новые технологические процессы, созданные специалистами AMD и IBM, позволят повысить производительность микропроцессоров и снизить уровень энергопотребления. Эти технологии будут базироваться на усовершенствованных структурах и материалах – таких, как высокоскоростные транзисторы типа "кремний на изоляторе", медные межсоединения и диэлектрики low-k повышенного качества. Соглашение предусматривает совместные исследования в области 65- и 45-нм технологий, которые планируется реализовать на 300-мм кремниевых пластинах.

По мнению руководства AMD, корпорация сможет начать выпуск 90-нм решений в IV квартале 2003 г., поэтому именно сейчас активизирует работы по внедрению технологических процессов, которые будут применяться при изготовлении процессоров новых поколений с нормой проектирования 65 нм и менее. Кроме того, сотрудничество с лидером отрасли, каковым является IBM, позволит AMD достичь высоких уровней производительности и самых широких диапазонов функциональных возможностей, а также добиться снижения стремительно растущей в последнее время стоимости технологического оборудования.

Как сообщается, работы в рамках совместного проекта будут проводиться специалистами AMD и IBM в научно-исследовательском центре полупроводниковых технологий (SRDC) корпорации IBM в г. Ист-Фишкилл (штат Нью-Йорк). AMD и IBM смогут применить результаты своих совместных разработок при изготовлении микросхем на собственных производственных предприятиях, а также на заводах и фабриках некоторых партнеров. Появление первых продуктов, основанных на новых 65-нм технологиях, ожидается в 2005 г.