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CPU之布局和物联构建芯片应该怎样去设计

2019年10月12日 文章来源:网络整理 热度:103℃ 作者:刘英

处理器和所有其他数字逻辑都是由晶体管制成的。晶体管是电子控制开关,我们可以通过施加或去除栅极电压来打开或关闭。我们讨论了两种主要类型的晶体管:nMOS器件在栅极导通时允许电流,pMOS器件在栅极关闭时允许电流。晶体管内置的处理器的基本结构是硅。硅被称为半导体,因为它没有完全导电或绝缘;它在中间的某个地方。

为了通过添加晶体管将硅晶片转变为有用的电路,制造工程师使用称为掺杂的工艺。掺杂过程包括将精心挑选的杂质添加到基础硅衬底中以改变其导电性。这里的目标是改变电子的行为方式,以便我们可以控制它们。就像有两种类型的晶体管一样,有两种主要的相应类型的掺杂。

CPU之布局和物联构建芯片应该怎样去设计

芯片封装之前的晶片的制造过程

如果我们添加精确控制量的电子供体元素,如砷,锑或磷,我们可以创建一个n型区域。由于现在施加这些元素的硅区域具有过量的电子,因此它将带负电。这就是n-type和nMOS中的“n”的来源。通过向硅中添加诸如硼,铟或镓的电子受体元素,我们可以产生带正电的p型区域。这是p型和pMOS中的“p”来自的地方。将这些杂质添加到硅中的具体过程称为离子注入和扩散。

现在我们可以控制硅的某些部分的导电性,我们可以结合多个区域的特性来创建晶体管。集成电路中使用的晶体管,称为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管),具有四个连接。我们控制的电流流经源和漏。在n沟道器件中,它通常进入漏极并流出源极,而在p沟道器件中,它通常流入源极并流出漏极。Gate是用于打开和关闭晶体管的开关。

硅中逆变器的物理结构。每个着色区域具有不同的导电性质。注意不同的硅组件如何对应右侧的原理图

晶体管他们工作方式,一个很好的比喻是河上的吊桥。汽车相当于晶体管中的电子,想要从河流的一侧流到另一侧,即晶体管的源极和漏极。以nMOS器件为例,当栅极未充电时,吊桥向上,电子不能流过沟道。当我们降低吊桥时,我们在河上形成一条道路,汽车可以自由移动。同样的事情发生在晶体管中。对栅极充电在源极和漏极之间形成通道,允许电流流动。

为了能够精确控制硅的不同p和n区域,英特尔和台积电等制造商使用称为光刻的工艺。这是一个极其复杂的多步骤过程,公司花费数十亿美元来完善它,以便能够构建更小,更快,更节能的晶体管。想象一下,超精密打印机可用于将每个区域的图案绘制到硅片上。

将晶体管构建芯片中的过程始于纯硅晶片。然后在炉中加热,在晶片顶部生长薄的二氧化硅层。然后将光敏光致抗蚀剂聚合物施加在二氧化硅上。通过以特定频率将光照射到光刻胶上,我们可以在我们想要掺杂的区域剥离光刻胶。这是光刻步骤,类似于打印机如何将墨水应用于页面的某些区域,只是规模小得多。

用氢氟酸蚀刻晶片以溶解除去光致抗蚀剂的二氧化硅。然后除去光致抗蚀剂,仅留下下面的氧化层。然后可以将掺杂离子施加到晶片上,并且仅在氧化物中存在间隙的地方植入它们。

这种掩蔽,成像和掺杂的过程重复数十次,以缓慢地建立半导体中的每个特征级。一旦完成基本硅水平,将在顶部制造金属连接以将不同的晶体管连接在一起。我们将稍微介绍一下这些连接和金属层。

当然,芯片制造商不只是一次制作一个晶体管。设计新芯片时,它们将为制造过程中的每个步骤生成掩模。这些掩模将包含芯片上数十亿晶体管的每个元素的位置。多个芯片组合在一起并在单个芯片上一次制造。

一旦制造出晶片,就将各个管芯切片并包装。根据芯片的尺寸,每个晶片可以适合数百或更多的芯片。通常,生产的芯片越强大,芯片就越大,制造商从每个晶圆上获得的芯片就越少。

我们很容易认为我们应该制造超级强大且具有数百个内核的大型芯片,但这是不可能的。目前,阻止我们制造越来越大的芯片的最大因素是制造过程中的缺陷。现代芯片有数十亿个晶体管,如果一个晶体管的一个部分被破坏,整个芯片可能需要被丢弃。随着我们增加处理器的大小,芯片出现故障的可能性也会增加。

公司从制造过程中获得的实际收益率是密切关注的,但是从70%到90%的任何地方都是一个很好的估计。公司通常会使用额外的功能来过度设计芯片,因为他们知道某些部件不起作用。例如,英特尔可能会设计一个8核芯片,但仅将其作为6核芯片出售,因为他们估计可能会损坏一个或两个核心。具有异常低缺陷数量的芯片通常被留出以在称为装箱的过程中以更高的价格出售。

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