Физические основы действия современных компьютеров

выходит необходимость синхронизации процессора с памятью, однако, существующая технология не позволяет осуществить этот процесс.

Следовательно, возникает необходимость в новых технологиях памяти, которые смогут преодолеть возникший разрыв. Кроме SDRAM, это DDR, SLDRAM, RDRAM, Concurrent RDRAM, и Direct RDRAM.


Шесть технологий памяти будущего. Определения


SDRAM


Synchronous (синхронная) DRAM синхронизирована с системным таймером, управляющим центральным процессором. Часы, управляющие микропроцессором, также управляют работой SDRAM, уменьшая временные задержки в процессе циклов ожидания и ускоряя поиск данных. Эта синхронизация позволяет также контроллеру памяти точно знать время готовности данных. Таким образом, скорость доступа увеличивается благодаря тому, что данные доступны во время каждого такта таймера, в то время как у EDO RAM данные бывают доступны один раз за два такта, а у FPM - один раз за три такта. Технология SDRAM позволяет использовать множественные банки памяти, функционирующие одновременно, дополнительно к адресации целыми блоками. SDRAM уже нашла широкое применение в действующих системах.


SDRAM II (DDR)


Synchronous DRAM II, или DDR (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных) - следующее поколение существующей SDRAM. DDR основана на тех же самых принципах, что и SDRAM, однако включает некоторые усовершенствования, позволяющие еще увеличить быстродействие. Основные отличия от стандартного SDRAM: во-первых, используется более "продвинутая" синхронизация, отсутствующая в SDRAM; а во-вторых, DDR использует DLL (delay-locked loop - цикл с фиксированной задержкой) для выдачи сигнала DataStrobe, означающего доступность данных на выходных контактах. Используя один сигнал DataStrobe на каждые 16 выводов, контроллер может осуществлять доступ к данным более точно и синхронизировать входящие данные, поступающие из разных модулей, находящихся в одном банке. DDR фактически увеличивает скорость доступа вдвое, по сравнению с SDRAM, используя при этом ту же частоту. В результате, DDR позволяет читать данные по восходящему и падающему уровню таймера, выполняя два доступа за время одного обращения стандартной SDRAM. Дополнительно, DDR может работать на большей частоте благодаря замене сигналов TTL/LVTTL на SSTL3. DDR начала производиться в 1998 году.


SLDRAM (SyncLink)


SLDRAM, продукт DRAM-консорциума, является ближайшим конкурентом Rambus. Этот консорциум объединяет двенадцать производителей DRAM. SLDRAM продолжает дальнейшее развитие технологии SDRAM, расширяя четырехбанковую архитектуру модуля до шестнадцати банков. Кроме того, добавляется новый интерфейс и управляющая логика, позволяя использовать пакетный протокол для адресации ячеек памяти. SLDRAM передает данные так же как и RDRAM, по каждому такту системного таймера. SLDRAM начала производиться в 1999 году.


RDRAM


RDRAM - многофункциональный протокол обмена данными между микросхемами, позволяющий передачу данных по упрощенной шине, работающей на высокой частоте. RDRAM представляет собой интегрированную на системном уровне технологию. Ключевыми элементами RDRAM являются:

модули DRAM, базирующиеся на Rambus;

ячейки Rambus ASIC (RACs);

схема соединения чипов, называемая Rambus Channel.

RamBus, впервые использованный в графических рабочих станциях в 1995 году, использует уникальную технологию RSL (Rambus Signal Logic - сигнальная логика Rambus), позволяющую использование частот передачи данных до 600MHz на обычных системах и материнских платах. Существует два вида Rambus - RDRAM и Concurrent RDRAM. Микросхемы RDRAM уже производятся, а Concurrent RDRAM будет запущена в производство в конце 1997 года. Третий вид RDRAM - Direct RDRAM, находится в стадии разработки, а его начало ее производства планируется в 1999 году.

Rambus использует низковольтовые сигналы и обеспечивает передачу данных по обоим уровням сигнала системного таймера. RDRAM использует 8-битовый интерфейс, в то время как EDO RAM и SDRAM используют 4-, 8- и 16-битовый интерфейс. RAMBUS запатентована 11 крупнейшими производителями DRAM, обеспечивающими 85% всего рынка памяти. Samsung в настоящее время проектирует 16/18-Mбитную и 64-Mбитную RDRAM. Toshiba же уже производит 16/18-Mбитную RDRAM и разрабатывает 64-Mбитную RDRAM.

В 1996 году консорциум RDRAM получил поддержку со стороны корпорации Intel, и новые чипсеты фирмы Intel будут поддерживать технологию RDRAM с 1999 года. В настоящее время игровые видеоприставки Nintendo 64 используют технологию Rambus для 3D-графики и звука высокого качества. Стандартные PC производства Gateway и Micron поддерживают карты фирмы Creative Labs c Rambus на борту.

Concurrent Rambus

Concurrent Rambus использует улучшенный протокол, показывающий хорошее быстродействие даже на маленьких, случайно расположенных блоках данных. Concurrent Rambus применяется для 16/18/64/72-Mбитных модулей RDRAM. Это второе поколение RDRAM, отличается высокой эффективностью, необходимой для графических и мультимедийных приложений. По сравнению с RDRAM, применен новый синхронный параллельный протокол для чередующихся или перекрывающихся данных. Эта технология позволяет передавать данные со скоростью 600Мб/сек на канал и с частотой до 600MHz с синхронным параллельным протоколом, который еще повышает эффективность на 80%. Кроме того эта технология позволяет сохранить совместимость с RDRAM прошлого поколения. Планируется, что в 1998 году, благодаря дополнительным улучшениям, скорость передачи может достигнуть 800MHz.

Direct Rambus

Технология Direct Rambus - еще одно расширение RDRAM. Direct RDRAM имеют те же уровни сигналов (RSL: Rambus Signaling Level - уровень сигналов Rambus), но более широкую шину (16 бит), более высокие частоты (выше 800MHz) и улучшенный протокол (эффективность выше на 90%). Однобанковый модуль RDRAM будет обеспечивать скорость передачи 1.6Гбайт/сек, двухбанковый - 3.2Гбайт/сек. Direcr Rambus использует два 8-битных канала для передачи 1.6Гбайт и 3 канала для получения 2.4Гбайт.



 SDRAM DDR SDRAM SLDRAM RDRAM Concurrent RDRAM Direct RDRAM
Скоость передачи данных 125 Mb/sec 200 Mb/sec 400 Mb/sec 600 Mb/sec 600 Mb/sec 1.6Gb/sec
MHz 125 200 400 600 600 800
Стандарт JEDEC JEDEC SLDRAM Consotium RAMBUS RAMBUS RAMBUS
Время появления 1997 1998 1999 1995 1997 19999
Питание 3.3В 3.3.В 2.5 3.3В 3.3В 2.5В

Также перспективными (из более далекого будущего) кажутся модули памяти, в которых роль конденсатора (элемента памяти) будет играть колечко из сверхпроводника.


Центральный процессор.

Современные центральные процессоры работают на тактовых частотах до 1гигагерца и со скоростью в миллиарды операций в секунду. Перед тем, как осветить последние технологические новшества в области производства процессоров, приведем несколько схем, на основе которых процессоры и собираются.

Дело в том, что суть центрального процессора – это счет и логические действия. Как легко догадаться, аппарат счета в двоичной системе счисления является достаточно простой комбинацией логических схем «И», «ИЛИ» и «НЕ».


Новые технологии.


В последние годы к стадии возможности использования в коммерческом производстве подошел целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы транзисторов, либо столько же заметно уменьшить размер чипа без перехода на более тонкий технологический процесс. Некоторые из этих технологий уже начали применяться в течение последних месяцев, их названия упоминаются в новостях, относящихся к компьютерам, все чаще.

Первая интегральная схема, где соединения между транзисторами сделаны прямо на подложке, была сделана более 40 лет назад. За это время технология их производства претерпела ряд больших и малых улучшений, пройдя от первой схемы Джека Килби до сегодняшних центральных процессоров, состоящих из десятков миллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже говорить о сотнях миллионов.

Здесь пойдет речь о некоторых последних технологиях в этой области, таких, как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но сначала необходимо в общих чертах затронуть традиционный процесс производства чипов из кремниевых пластин. Нет необходимости описывать процесс превращения песка в пластины, поскольку все эти технологии не имеют к столь базовым шагам никакого отношения, поэтому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую пластину, диаметр которой на большинстве сегодняшних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см. Ближайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой окислов - SiO2, являющейся прекрасным изолятором и защитой поверхности пластины при литографии.

Дальше на пластину наносится еще один защитный слой, на этот раз - светочувствительный, и происходит одна из ключевых операций - удаление в определенных местах ненужных участков его и пленки окислов с поверхности пластины, до обнажения чистого кремния, с помощью фотолитографии.

На первом этапе пластину с нанесённой на её поверхность плёнкой светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая по сути работает как фотоувеличитель. В качестве негатива здесь используется прецизионная маска - квадратная пластина кварцевого стекла покрытая плёнкой хрома там, где требуется. Хромированные и открытые участки образуют изображение одного слоя одного чипа в масштабе 1:5. По специальным знакам, заранее сформированным на поверхности пластины, установка автоматически выравнивает пластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластине получается изображение кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не обработаются все чипы на пластине. Сама маска тоже формируется фотохимическим способом, только засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по программе электронным лучом примерно также, как в телевизионном кинескопе.

В результате засвечивания химический состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, меняется. Что дает возможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или других методов, вроде плазмы или рентгеновских лучей.

После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ, разумеется) подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова, опять же, уже новыми химикатами, снимается светочувствительный слой:

Потом накладывается следующая маска, уже с другим шаблоном, потом еще одна, еще, и еще... Именно этот этап производства чипа является критическим в плане ошибок: любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередной маски, и чип уже может отправиться на свалку. После того, как сформирована структура чипа, пришло время для изменения атомной структуры кремния в необходимых участках путем добавления различных примесей. Это требуется для того, чтобы получить области кремния с различными электрическими свойствами - p-типа и n-типа, то есть, как раз то, что требуется для создания транзистора. Для формирования p-областей используются бор, галлий, алюминий, для создания n-областей - сурьма, мышьяк, фосфор.

Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованием ионизации или без, наносится небольшое количество требуемых примесей. После чего, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В результате на поверхности пластины получаются участки с нужными свойствами. И в конце этого этапа на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, толщиной порядка одного микрона.

Все. Осталось только проложить по поверхности чипа металлические соединения (сегодня для этой роли обычно используется алюминий, а соединения сегодня обычно расположены в 6 слоев), и дело сделано. В общих чертах, так в результате и получается, к примеру, классический МОП транзистор: при наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов между измененными областями кремния.

Теперь, слегка пробежавшись по классическому процессу создания сегодняшних чипов, можно более уверенно перейти к обзору технологий, которые предполагают внести определенные коррективы в эту картину.


Медные соединения


Первая из них, уже начавшая широко внедряться в коммерческое производство - это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь является лучшим проводником, чем алюминий (удельное

сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики, позволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Вполне своевременно, учитывая постоянное движение индустрии в сторону уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на чипе, когда использование алюминия начинает становиться невозможным. Индустрия начала сталкиваться с этой проблемой уже в первой половине 90-х. Вдобавок, что толку в ускорении самих транзисторов, если соединения между ними будут съедать весь прирост скорости?

Проблемой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт с кремнием. Однако после не одного десятка лет исследований, ученым удалось найти принцип создания сверхтонкой разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов.

По данным IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия, позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за счет снижения площади чипа. Их технология CMOS 7S, использующая медные соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И, наконец, просто увеличение производительности чипа (до 40 процентов) за счет меньшего сопротивления проводников.

IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце этого года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года, Intel переходит на медь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм техпроцесс.


SiGe

Соединения - соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает справляться с нагрузкой сама кремниевая подложка. И если для традиционных областей применения чипов кремния пока достаточно, в области беспроводной связи уже давно дефицит на дешевые скоростные чипы. Кремний - дешево, но медленно, арсенид галлия - быстро, но дорого. Решением здесь стало использование в качестве материала для подложек соединения двух основ полупроводниковой индустрии - кремния с германием, SiGe. Практические результаты по этой технологии стали появляться с конца 80-х годов. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (когда германий используется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году уже появилась возможность применения при производстве чипов с SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.

Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во столько же снижается и их энергопотребление. При этом, в ход вступает все тот же решающий фактор - стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин, таким образом отпадает необходимость в дорогом переоснащении производственного оборудования. По информации IBM, потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работы над увеличением этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe в компьютер ждать не стоит - при тех скоростях, что потребуется PC чипам в ближайшем будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями, как медные соединения или SOI.


Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI)

Еще одна технология, позволяющая достаточно безболезненно повысить скорость чипов, не требуя от производителей отказаться от всех их сегодняшних наработок. Как и технология медных соединений, SOI позволяет создателям чипов убить двух зайцев одним выстрелом - поднять скорость, до 25 процентов, одновременно снизив энергопотребление. Что из себя представляет эта технология? Вспомним начало обработки кремниевой пластины - она покрывается тонкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду добавляется еще один элемент - сверху опять наносится тонкий слой кремния:

Вот и получается - кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы уменьшить емкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только будет исчезнет питание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП). Но наш мир далеко не идеален, это справедливо и в данном конкретном случае. На время срабатывания транзистора напрямую влияет емкость области между измененными участками кремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает и заканчивает идти не мгновенно, а только после, соответственно, зарядки и разрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тем быстрее работает транзистор, можно сказать, что тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI - при наличии между измененными участками и основной массой кремния тонкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопрос снимается и транзистор начинает работать заметно быстрее.

Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается в разных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке - кристалл, пленка окислов - нет, и закрепить на ее поверхности, или же не поверхности другого изолятора еще один слой кристаллического кремния весьма трудно. Вот как раз проблема создания идеального слоя и заняла весьма много времени. Не так давно IBM уже продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с использованием этой технологии, просигнализировав этим о том, что SOI подошла к стадии возможности коммерческого применения. Совсем недавно, IBM объявила о том, что она достигла возможности сочетать SOI и медные соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее, пока что никто кроме нее не заявил публично о намерении использовать эту технологию при производстве чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.


Перовскиты

Поиски замены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут давно, учитывая, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в последнее время - при постоянном увеличении плотности транзисторов на чипе необходимо уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный его электрическими свойствами, который уже довольно близок. Однако пока, несмотря на все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем месте. В свое время IBM, предполагала использовать в этой роли полиамид, теперь пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом - перовскиты.

Этот класс минералов в природе встречается довольно редко - Танзания, Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов отличаются очень высокими диэлектрическими свойствами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в три-четыре раза снизить толщину транзисторов по сравнению с использованием традиционного подхода. Что, в свою очередь, позволяет значительно снизить ток утечки, давая возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе, одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.

Пока что эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки, однако Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также рабочий КМОП транзистор, созданный на базе этой технологии.


Заключение

Таким образом, в данной работе были рассмотрены технологические и физические основы производства и действия приборов, входящих в современный компьютер. Впрочем, с учетом скорости развития данной области знаний и данной области промышленности, данная работа (и так практически не содержащая ничего нового) скорее всего устареет окончательно лет через 5-10.


Список использованной литературы:

  1. В.И. Федотов «Основы электроники» -- «ВШ», 1990

  2. Л.Н. Преснухин «Микропроцессоры» – «ВШ», 1986

  3. «Знакомьтесь, Компьютера», под ред. к.т.н Курочкина, Мир, 1989

  4. www.ixbt / Статьи Ященко А. и др.

  5. www.toshiba

  6. www.acer

  7. www.intel