Nanómetros: Processo de fabrico.

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Nanómetros: Processo de fabrico.

Mensagempor HidEaL » Quarta Jan 18, 2006 15:11

No seguimento deste post, surgiu a dúvida do que são ao certo os nanómetros a que nos referimos tantas vezes quando falamos de certos e determinados chips, e porque é que por exemplo, um fabrico de 90nm tende a ser melhor do que um de 130nm.

E então:

Para ver se esclareço alguma coisa (até porque é uma dúvida bastante pertinente)...

O fabrico de chips no geral começa na wafer de silicio (principal composto da areia de praia comum), que é fabricada/cortada em/a partir de lingotes:

Imagem
Lingotes com finas wafers recortadas.

Até há bem pouco tempo, tanto a Intel como a AMD tanto como outros fabricantes utilizavam wafers de 200mm. Em meados de 2000, foram-se começando a usar as wafers de 300mm, que permitem logicamente um muito maior aproveitamento por wafer.

Aproveitamento por Wafer:

Imagem

Wafer em branco:

Imagem

E, por cima desta wafer em branco vao sendo aplicadas, em padrão cuidadosamente elaborado / calculado, camadas muito finas de diversos materiais. Como estes padrões são de tamanho muito reduzido seria muito difícil aplicar as camadas de materiais nos sítios cuidadosamente definidos. Assim, aplicam-se por toda a superfície wafer, sendo depois removido o excesso.

Então, apesar de existirem imensos processos que decorrem no fabrico de um chip, podemos definir uns quantos processos essenciais. Este processo começa normalmente com a aplicação de uma camada de dióxido de silicone sobre a wafer em branco, que vai funcionar como um interruptor electrico, prevenindo ou favorecendo o fluxo de corrente eléctrica no chip. Após este passo, é realizada a fotolitografia (Photolithography, para quem quiser googlar), que é o processo no qual os padrões anteriormente referidos são imprimidos por acção de materiais sensíveis à luz (camada remporária), e pela luz obviamente, daí o nome fotolitografia. O processo basicamente consiste na aplicação da dita camada de material sensível à luz, chamada "Photoresist" (o nome é mesmo assim, sem tradução), que vai ser atravessada por luz ultravioleta, sendo que esta passa antes por um stencil (para quem não souber o que é, é uma espécie de decalque), mais conhecido por máscara ou "mask", que vai criar os padrões correspondentes ao desenho do chip. Após a "Photoresist" ter sido atravessada por UV nos sitios especificos por acção do stencil, o excesso de "Photoresist" é retirado, no processo de gravação (etching) e vemos então a anterior camada de dióxido de silicone, já com os padrões definidos, e o que anteriormente era uma wafer em branco (figura anterior), está agora assim:

PM's Dotham numa wafer de 300mm:

Imagem

Closeup da wafer:

Imagem

Estes processos (fotolitografia, gravação/etching) são repetidos a cada aplicação de uma nova camada de material, criando então toda uma estrutura tri-dimensional, que vemos aliás em certas imagens de cores:

Core P4 Prescott (90nm):

Imagem

Core AthlonXP 2500+Barton (130nm):

Imagem

Core Athlon64 X2 4800+ Toledo (90nm):

Imagem

Após a sucessiva aplicação de camadas, seguida de fotolitografia e gravação, segue-se o bombardeamento de átomos (processo de dopagem ou "doping". Descrito em mais detalhe num post do Nelson_ na pág.2) em áreas expostas das camadas, definindo a sua condutividade electrica. Resultante de todo este processo por camadas, fotolitografia e gravação, ficam criados espaços entre camadas, que, com a adição de metal, se criam nesses espaços ligações eléctricas.
É aqui que entra o processo de 250, 180, 130, 90, 65, xx nanómetros.

1nm = 1.0x10^-9 (0.000000001) metros, ou 1.0x10^-6 (0.000001) milímetros.

O que os processos de, por exemplo, 90nm conseguem fazer face aos de 130nm, é colocar o metal, e consequentemente criar ligações electricas, em espaços mais pequenos. Isto é muito importante porque permite diminuir o mm2 (milímetro quadrado, ou área, para quem não entender o uso do mm2) por chip, viabilizando padrões/desenhos mais pequenos no desenho do core e posteriormente na fotolitografia, consumindo menos espaço por wafer.

Comparativo do tamanho dos cores 130nm (P4 Mobile, Banias) e 90nm (Dotham):

Imagem
NOTA: Peço desculpa pelo tamanho da imagem, mas é para se ter melhor ideia da dimensão.

No espaço que se poupou por exemplo do core Banias para o core Dotham foi possível adicionar 1MB extra de cache, quase sem aumento da área do core. Hurrah 90nm! :D

Habitualmente o que vemos na transição para processos de menores dimensões (nm) face aos anteriores (e maiores, em dimensão) processos, é o menor consumo energético, menor aquecimento, e algumas melhorias na performance. Mas tudo isto são como que "consequências" da transição de processo de fabrico. E, por exemplo no caso das melhorias de performance, por vezes são melhorias (troca de metal condutor, DSL, SOI, Strained Sillicon, etc) que os fabricantes aplicam entre camadas e nos materiais, porque a arquitectura do core é essencialmente igual.

Bom, com todo este discurso (do qual peço que me desculpem a extensão), espero ter esclarecido um pouco acerca dos processos de fabrico. Peço também desculpa de algumas imprecisões que possam surgir, já que o texto é de minha autoria, e como tal, não é do mais explicativo que pode haver :mrgreen: Mas como era uma dúvida com bastante por dizer (raramente se falou especificamente no processo aqui no fórum) achei que não seria tempo perdido a escrever isto, mesmo que não explique a 100% :)

Cumps.
Editado pela última vez por HidEaL em Domingo Jan 22, 2006 19:33, num total de 3 vezes.
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Mensagempor xmidt » Quarta Jan 18, 2006 16:06

esta eh a copia da "explicacao" k meteste no outro forum...

ta excelente mesmo... realmente n me recordo de nada k possa ser adicionado.
eh sempre bom ter 1 ponto de referencia para tirar duvidas a algumas pessoas

:wink: bom trabalho HidEaL :wink:
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Mensagempor Makas_va » Quarta Jan 18, 2006 16:09

Muito útil e esclarecedor!!!

Sticky nisso

HidEaL tas la!!!
:)
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Mensagempor |_xenon_| » Quarta Jan 18, 2006 17:37

fantastico! aparte de certas especificações tecnicas qua não entendi muito bem, fiquei esclarecido sobre a origem dos tais tamanhos de fabrico dos cpu's.
esta aki um trabalho sem duvida excelente. Parabens HidEal.
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Mensagempor CLS » Quarta Jan 18, 2006 18:14

Os meus parabens!!

está aqui um trabalho que me parece bastante acessivel a utilizadores com o minimo de conhecimentos e que também me ilucidou bastante, pois até agora também nunca tinha compreendido certas coisas...

Apoio o sticky!!
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Mensagempor DJTDias » Quarta Jan 18, 2006 18:41

Muito bom, como sempre hideal.


Penso q devia haver outro forum com as "explicações", porque daqui a nada estamos cheios de stikys !!! :wink:
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Mensagempor Nukke » Quarta Jan 18, 2006 19:26

Well done m8. Props :P

Deixa-me só frisar que com a mesma waffer, é possível fazer muito mais cores em 90nm (comparando claro processadores equivalentes, nomeadamente a nível de cache, (cache são aqueles espaços grandes que vêm nas imagens)) do que em 130nm (por exemplo...), logo é muito mais rentável. Ou então, para o mesmo número de CPU's por waffer, fazem-se CPU's melhores (mais cache). Ou seja, menor custo de produção, logo mais lucros ou preços mais baixos... :P

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Mensagempor Nelson_ » Quarta Jan 18, 2006 23:49

Outstanding!

Muito bom. As explicações, embora possam não parecer, são simples e concisas. Para se fazer isso é preciso saber já "alguma coisa" sobre o assunto.

Só uma correcção. Se o artigo tem interesse convém que tudo esteja bem. É uma coisinha simples mas que pode induzir em erro:
HidEaL, a wafer é fabricada em silício e não em silicone. Sílicio não é o mesmo que silicone. Nós é que traduzimos mal do inglês, ou não traduzimos... Em português, silicone é um polímero que por acaso se faz a partir do silício. A Pamela Anderson tem muito silicone, e não são wafers :wink: . Silício é um elemento (Si) que existe abundantemente na crosta terrestre. Pode-se quase dizer que é a areia da praia. Ao aquecer o silicio ao ponto de fusão podemos criar duas coisas: silicio cristalino ou amorfo. Silicio cristalino = wafers por exemplo. Silicio amorfo = vidro.

Acho que também é bom saber um pouquito sobre a origem dos chips maravilhosos que nos permitem escrever estas coisas todas. :)

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Mensagempor HidEaL » Quinta Jan 19, 2006 0:04

Tens toda a razão. Aliás, nem sei porque lá pus silicone... :roll: Pamela Anderson maybe? :lol: TY Nelson_

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Mensagempor ghost_matrix » Quinta Jan 19, 2006 0:08

Tecnologia bastante simples, e bastante acessivel 8O :P

O core P4 parece bue desorganizado comprado com o do XP, X2, PM :?
Dai os novos PD com 4mb cache serem de 65nm senao nao cabiam os 4mb. Ja tou a fikar kom uma ideia da cena
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Mensagempor Kispo » Sexta Jan 20, 2006 14:37

Mt bom mesmo! Hideal obrigadão pelo trabalho k tiveste em explicar tudo com bastante profundidade. Tinha uma ideia muita superficial do mecanismo, mas agora já fikei muito mais esclarecido acerca da materia :P

Continua com estas belas iniciativas (só é pena k este tipo de topicos passado um tempo vão para ao "fundo do saco" :roll: )

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Mensagempor Nelson_ » Sexta Jan 20, 2006 17:11

HidEaL Escreveu:Tens toda a razão. Aliás, nem sei porque lá pus silicone... :roll: Pamela Anderson maybe? :lol: TY Nelson_

Cumps.


Se fosse só a Pamela Anderson... :wink:
Elas já são mais que as mães. :)

O forum serve para isto mesmo, pra ajudar e sermos ajudados. Obrigado HidEaL.

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Mensagempor mavidoor » Sexta Jan 20, 2006 23:13

Pois...se transpuser-mos os seios da pamela para uma waffer de silicio provavelmente iremos obter uma cache com quase o triplo do tamanho do que existe actualmente....e olhem que n é so a pamela que os tem! :mrgreen:
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Mensagempor Jet_Black82 » Sábado Jan 21, 2006 12:31

de uma maneira geral o texto ta mt bom, mt bom mmo, n me conseguiria exprimir melhor.

no entanto so me resta fazer umas pekenas correcções, kuando falas em iões a determinar a condutividade do material, n são os iões mas sim atomos com exesso de electrões ou exesso de lacunas, para que se possam criar regiões do tipo N (com exesso de electrões) e regiões do tipo P (com exesso de lacunas) é isto k define o elemento basico de todo a logica do processador, o transistor.


Para criar estas regiões é necessário aplicar a tal substancia fotosensivel, cmo o hideal disse e bem, dps akece-se o silicio a uma temp tal k ele n é likido nem sólido e aí se introduzem as "impurezas" sob a forma gazoza para k se formem as regioes acima referidas.

no final, kuando o silicio arrefece, no exterior (por cima da wafle) forma-se uma camada finissima de silicio amorfo (vidro) é por essas e por outras k os nucleos dos bartons n tinham probs ao ficar descobertos, no entanto se hovesse uma ddp k conseguisse "kebrar" o dielectrico dessa camada de vidro, processador bye bye :)


voto tb pelo sticky ;)

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Mensagempor HidEaL » Sábado Jan 21, 2006 21:19

Jet_Black82 Escreveu:no entanto so me resta fazer umas pekenas correcções, kuando falas em iões a determinar a condutividade do material, n são os iões mas sim atomos com exesso de electrões ou exesso de lacunas, para que se possam criar regiões do tipo N (com exesso de electrões) e regiões do tipo P (com exesso de lacunas) é isto k define o elemento basico de todo a logica do processador, o transistor.


Espera... O que é um átomo com excesso de electrões? (questinono eu no âmbito das minhas habilitações, por enquanto, de 12º ano, o que quer dizer que não sou propriamente doutourado... lol) Não é um ião ou composto iónico? Daí que a energia de ionização (ionização: processo de formação de um ião / composto iónico, por perda ou ganho de e-) seja a energia necessária para remover o electrão de menor energia de um átomo no estado fundamental.

O que me está a querer parecer é que não entendeste o que eu quis dizer nesse pedaço de texto onde falo nos iões que definem a conductividade do material.
HidEaL Escreveu:Após a sucessiva aplicação de camadas, seguida de fotolitografia e gravação, segue-se o bombardeamento de iões em áreas expostas das camadas, definindo a sua condutividade electrica.

E realmente pode levar a erro de interpretação, sim senhor. Mas o que eu quis dizer é que, com o bombardeamento de iões no sílicio puro (mau condutor eléctrico), num processo de dopagem, cria essas regiões de tipo N (excesso de electrões livres) ou de tipo P (défice de electrões livres). Ou seja, os iões definem a condutividade electrica do silício, criando essas zonas no silício, e nao porque os iões (Boro e Fósforo, sei que são utilizados, por exemplo) foram bombardeados para lá... Não sei se agora me fiz entender, mas não sei explicar melhor :oops:

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