Slik designes mikroprosessorer

De er veldig små, men kan være veldig avanserte.

Øyvind Nydal Dahl

Publisert 12. august 2014

Tidligere så vi på hvordan en transistor fungerer, og hvor viktig denne oppdagelsen som ble gjort i 1947 har vært i utviklingen av ny teknologi. Blant annet så vi at det kan finnes over en milliard transistorer inne i en prosessor eller mikrobrikke. For de fleste så høres dette helt utrolig ut, og det er vanskelig å forestille seg hvordan dette er mulig å få til. I denne guiden skal vi se på hvordan en mikrobrikke blir designet – fra idé til ferdig brikke.

Prosessen for å lage en mikrobrikke kan deles grovt inn i disse delene:

• Tegning av brikkedesign
• Overføring av brikkedesign til silisiumbrikke
• Innpakning av silisiumbrikke

En mikrobrikke er en elektronisk krets som er integrert på én enkelt brikke. De første brikkene, som ble laget på 50-tallet, inneholdt bare noen få komponenter. Ikke mer enn at det var nok til å lage én enkel logisk funksjon. Videre førte utviklingen til at flere transistorer ble integrert på brikkene, og dermed flere individuelle funksjoner, og etter hvert, hele systemer.

Utviklingen har nå kommet så langt at vi har millioner av logiske porter, og over en milliard individuelle transistorer – integrert på én liten brikke. Prosessorer er et typisk eksempel på en avansert mikrobrikke, men man kan også finne alt fra forsterkere til WiFi-funksjonalitet integrert på mikrobrikker.

Mikrobrikker kan virke litt magiske med tanke på hvor mange transistorer og hvor mye avansert funksjonalitet man klarer å få inn på bare noen få kvadratmillimeter.

Intels nyeste prosessorer bruker noe som kalles en 22 nm prosess. Dette betyr at hver transistor kan være så kort som 22 nanometer. Det er bare 0,000000022 meter – noe som betyr at man kan få plass til ca. 3000 transistorlengder på bredden av et hårstrå.

Intel har anslått på deres «roadmap» fra 2009 at de vil komme med et produkt som bruker 5 nm teknologi i 2020. Ifølge Bob Colwell, tidligere ansatt ved Intel, vil dette være slutten på «Moore's lov». Moore's lov har vært en gjeldende tommelfingerregel som sier at antall transistorer i en prosessor dobles hvert andre år. Den har fortsatt å være gyldig frem til idag.

Det kan virke ganske mystisk og uforklarlig det hele. Hvordan i alle dager klarer man å jobbe med noe som er så utrolig lite som 22nm?

For å forstå dette trenger vi å forstå at transistorer er komponenter som er bygd opp av noen få forskjellige materialer. Man trenger bare en bitteliten mengde av disse materialene for å få en fungerende prosessor. Ved å plassere ekstremt små mengder av disse materialene i riktig posisjon, med ekstremt høy nøyaktighet, kan man lage transistorene veldig små. Og det hele begynner på en helt vanlig datamaskin.

En mikrobrikke designes først på en datamaskin. Faktisk kan du designe din egen mikrobrikke hjemme på din egen PC ved å installere programvare for dette. Kommersielle programvareløsninger for å designe en brikke kan gjerne koste hundretusenvis av kroner – men det finnes også gratisløsninger basert på åpen kildekode som gjør det mulig for hvem som helst å designe en brikke. Å lære å designe mikrobrikker kan man for eksempel gjøre ved å studere "Nanoelektronikk" på Universitetet i Oslo.

Men prosessen for å gå fra et design på en PC til å få laget en ferdig brikke man kan bruke, er i utgangspunktet en veldig dyr affære. Mye dyrere enn små firmaer og universiteter kan ta seg råd til.

Derfor har det oppstått forskjellige «pools» hvor universiteter og mindre bedrifter kan gå sammen om å lage sine brikker. Da kan man få produsert seg noen eksemplarer av sin egen brikke for «bare» noen titusener av kroner. Det er kanskje derfor mikrobrikkedesign ikke er en vanlig hobby å ha.

La oss se på et eksempel på hvordan en mikrobrikke blir til.

Som i de fleste prosjekter, så begynner man med å lage et overordnet blokkskjema av det man skal designe for å få oversikt over de forskjellige delene man trenger for å lage brikken.

Hver av blokkene deles inn i mer og mer detaljerte deler inntil man har blokker som enkelt kan designes på egenhånd. Så begynner arbeidet med å designe hver enkelt del, og sette disse sammen til å fungere som det store systemet.

For hver enkelt del av systemet trenger man å designe det som kalles for skjematikk. Skjematikk er en måte å beskrive hvordan en elektronisk krets skal kobles sammen. Man bruker symboler for å symbolisere forskjellige komponenter, og man bruker streker for å vise hvordan disse komponentene skal kobles sammen.

Skjematikken tegnes inn i et dataprogram hvor man kan simulere hvordan den vil fungere når man kobler til strøm. På denne måten kan man kontrollere at det kommer til å fungere slik man ønsker.

Når skjematikken er klargjort, brukes denne som plan for å designe hvordan selve utlegget av brikken skal se ut – det vil si å tegne hvilke materialer som skal plasseres hvor.

For å lage en transistor må man sette sammen materialer på en bestemt måte. Når man tegner utlegg av brikken bestemmer man hvor man vil plassere de forskjellige materialene. For å gjøre dette, tegner man rett og slett firkanter av forskjellige farger som representerer forskjellige materialer. Ved å plassere disse på bestemte måter, kan man lage forskjellige komponenter. Deretter kobler man komponentene sammen ved å tegne baner av metall mellom dem.

Det er disse tegningene som forteller maskinen, som til slutt skal lage den fysiske brikken, hvilke materialer som skal hvor.

Etter at alle firkantene er tegnet opp i henhold til skjematikken, utfører man diverse tester og simuleringer. Dette skal sørge for at firkantene faktisk stemmer overens med de komponentene og sammenkoblingene man tegnet i skjematikken – og at kretsen oppfører seg på den måten man vil den skal oppføre seg.

Man gjør dette på alle delene, og deretter setter man disse sammen til større deler – og simulerer igjen på den større delen for å se at alt fortsatt fungerer som ønsket. Dersom alt fungerer etter planen, sender man inn designet av brikken til en produsent, som til slutt mater designet inn i en maskin som produserer den ferdige brikken.

Når Intel skal designe en ny prosessor med en milliard transistorer så tegner de ikke opp hver enkelt transistor for hånd. Dette ville vært utrolig tidkrevende. I stedet er det vanlig å gjenbruke det man har designet tidligere, i tillegg til at mye av designet kan gjøres automatisk.

Ved hjelp av et programmeringsspråk som kalles «hardware design language» kan man skrive kode for å beskrive hvordan man vil at elektronikken skal oppføre seg. Komponentene vil tegnes automatisk ut ifra denne koden slik at man kan lage mye mer komplekse kretser enn ved å tegne alt for hånd. Men i deler som krever ekstra høy ytelse, for eksempel SRAM-celler, tegnes fortsatt mye for hånd for å forsikre at man får et optimalt design.

Med et ferdig brikkedesign på plass, trenger man på en eller annen måte å få overført denne tegningen av hvilke materialer som skal hvor. Det må over til en fysisk brikke, hvor de riktige materialene er på riktig plass.

Dette er en omfattende og dyr prosess som foregår i mange steg. Man starter med en plate av silisium, som gjennom en avansert prosess blir påført de riktig materialene slik at man ender opp med en fungerende fysisk krets.

Mikrobrikker lages som regel i et større antall i en omgang, på noe som kalles en «wafer». Dette er en tynn plate laget av ekstremt rent silisium. Silisium kan utvinnes fra sand, leire eller stein, og faktisk inneholder over halvparten av jordoverflaten stoff som silisium kan utvinnes fra.

For å fremstille en wafer, trenger man ekstremt rent silisium. Man starter med å smelte klumper av silisium som allerede er 99% rent. Deretter plasseres en stav med et krystall ned i det smeltede silisiumet, noe som får silisiumet til å vokse på staven.

Staven trekkes langsomt opp fra silisiumbadet og man ender opp med en stav av ekstremt rent silisium på 30 cm i diameter. Renhetsgraden er på dette stadiet imponerende høy – faktisk hele 99,999999 prosent. Den resulterende staven skjæres i veldig tynne skiver, på godt under en millimeter, som blir brukt som wafere til å lage mikrobrikker på.

Visste du forresten at området «Silicon Valley» i California fikk kallenavnet sitt på grunn av det var så mange produsenter og oppfinnelser innen mikrobrikker i området? Grunnen til at det ikke heter «Silisium Valley» er fordi det engelske navnet for silisium er «silicon» – som altså ikke er det samme som silikon.

Neste steg i prosessen er å få overført det designet som ble laget på datamaskinen over til waferen. Dette skjer ved hjelp av en omfattende prosess bestående av fotolitografi og etsing.

Fotolitografi er en metode hvor noe blir belyst gjennom en maske for å få et bestemt mønster. Det kan sammenlignes med at du går ute i sola en varm og solrik sommerdag med singlet. Når du tar av deg singleten om kvelden, kan se du at du har blitt sprutrød på armene og i ansiktet – imens du har fått et fint og hvitt singletavtrykk på resten av overkroppen. Her kan du si at singleten var masken.

I prosessen for å lage en mikrobrikke, brukes masker som er laget ut ifra de firkantene som ble tegnet på datamaskinen under designprosessen. Disse maskene belyses, og gjennom linser blir strålene fokusert på det området hvor brikken fremstilles. Dette fører til at det blir etset bort materialer noen steder og formet nye lag med materialer andre steder. Prosessen med å fjerne eller legge til lag med materialer gjennom masker skjer i veldig mange omganger for å produsere det endelige resultatet.

Et større antall mikrobrikker lages samtidig på en og samme wafer. Når prosessen er ferdig, kuttes waferen opp i de individuelle brikkene den består av. Størrelsen på en brikke fra waferen kan være alt fra 1x1 mm for en liten mikrobrikke, til noen hundre kvadratmillimeter på større og mer komplekse brikker slik som en prosessor.

En brikke som er kuttet ut av en wafer er lite håndterlig og veldig sårbar. Derfor pakkes brikken inn i en innpakning som både beskytter brikken og som gjør det enklere å koble brikken inn i en elektronikkrets, som for eksempel i prosessorsokkelen på hovedkortet.

En innpakning kan for eksempel være laget av plast eller keramikk, og har pinner arrangert i ett eller annet mønster. Waferbiten legges inn i pakningen og pinnene kobles til de riktige stedene på brikken ved hjelp av en teknikk som kalles «wire bonding». Tynne tråder, som kan være av for eksempel gull, festes mellom brikken og pinnene i pakningen for å lage elektrisk kontakt.

Pakningen lukkes og mikrobrikken er klar til bruk.

Vil du vite hvordan Intel lager sine toppmoderne prosessorer?
Vi besøkte kontoret i Silicon Valley for å se hvordan det gjøres »

(Kilder: Wikipedia, Wikipedia, Popsci, Wikipedia)

Les også

Supertynt stoff lager strøm bare ved å bli «strukket»

Nytt materiale kan gi 1000 ganger raskere prosessorer

Slik ser en datamus ut på innsiden

Transistoren

Slik lages en prosessor