Paul Simon havde ret, da han sang, at vores tid er præget af mirakler og eventyr. Det er næsten umuligt at tro, at ingeniørerne nu har præsteret at udvikle og fremstille en maskine med komponenter, der har en størrelse på 40 nm. Det er blot en tusindedel af et menneskehårs diameter.

Ikke desto mindre laver vi den slags enheder netop nu. De kaldes generelle processorer, og de er begyndt at udfordre den centrale processors mangeårige position som det mest magiske stykke ingeniørkunst, der findes i en computer.

Hvilke trusler står cpu’en over for? Lad os tage en topprocessor som Sandy Bridge-udgaven af Intels quad core Core i7. Den rummer lige knap en milliard transistorer. En førende generel processor som AMD’s Cayman, der bliver brugt i grafikkortet Radeon HD 6970, rummer hele 2,64 milliarder transistorer.

Eftersom den har ikke færre end 1.536 shader-processorer, 24 simd’er (single instruction multiple data) og 32 rop’er (raster operations unit), er det måske ikke overraskende.

Dette er historien om, hvordan AMD-gpu’er bliver lavet – hvordan en ide bliver til silicium ved hjælp af nogle af de mest avancerede og raffinerede ingeniørteknikker. Læs videre, og dyk med ned i nutidens verden af mirakler og eventyr.

1. Udvikling på højt niveau

Udvikling af en generel processor begynder ikke med betragtninger over transistorer og kobberbaner, men med noget, der kaldes produktkravs-specifikationer (prs).

Der er tale om en prioriteret definition af alle de egenskaber, som den nye chip skal have. Det lyder måske ikke vildt ophidsende, men en prs fungerer som tjekliste gennem hele udviklingsprocessen. Udvikling er en meget kostbar proces, både i tid og penge, og det er derfor afgørende vigtigt, at prs’en giver et tilfredsstillende svar på spørgsmålet: Hvad er det helt nøjagtig, vi prøver at lave her?

Det tager typisk seks måneder at gøre en prs færdig. Tusinder af fagfolk, herunder arkitekter, hardwareudviklere, kortudviklere, valideringsingeniører, softwareingeniører og firmware/bios-ingeniører bliver inddraget, og det samme gælder repræsentanter for produktstyring, teknologistyring og udviklingsmiljøer.

En af de første udviklingsopgaver består i at definere funktionelle blokke og deres indbyrdes kommunikation.

Dokumentet fremstår som en database og kan indeholde over 1.000 funktioner, der hver kan være alting fra en enkelt sætning til en specifikation på 100 sider.

Et andet output fra udviklingen på højt niveau – noget, som de fleste teknikkyndige pc-brugere er fortrolige med – er et blokdiagram. Selvom det ikke ligner den måde, hvorpå gpu’ens elementer bliver arrangeret på chippen, omfatter det hvert af de vigtigste funktionsblokke og viser, hvordan der bliver sendt signaler mellem dem.

2. Floorplan og netliste

Nu begynder ingeniørholdene at arbejde på to bestemte dele af udviklingen. Først skal floorplanen defineres. Det er en fysisk repræsentation, der viser, hvor stor hver blok formodes at blive, og hvor den skal anbringes i forhold til andre blokke. Her beregner man, hvor mange signaler der går imellem blokkene, med det formål at reducere kommunikationsbanernes længde.

I mellemtiden arbejder andre ingeniører på komponentniveau med udvikling af blokkene. Det har imidlertid intet med fremstilling af elektroniske kredsløb at gøre, sådan som en lægmand ville forvente. I stedet for et kredsløbsdiagram bliver designet lavet i et hardwaresprog som vdhl. Hvis du er interesseret, står det sammensatte akronym for ”very-high-speed integrated circuits (det var foreløbig v’et) hardware description language”.

Det ligner et programmeringssprog, og denne metode til fremstilling af kredsløb indebærer mange fordele for softwareingeniøren. Den vigtigste er, at kredsløbene kan defineres hierarkisk. Hvis man for eksempel har defineret en logisk or-port fra individuelle transistorer, kan den bruges i forbindelse med definition af en mere kompliceret blok som en 1bit-add’er.

Udviklingen af gpu’en på komponentniveau foregår i et hardware-beskrivelsesprogram, og det ligner snarere et computerprogram end et blåtryk.

På samme måde bliver stadig mere avancerede byggeblokke opbygget ved genbrug af det, der allerede er blevet lavet. Ofte behøver udvikleren ikke engang at definere byggeblokkene, for de er tilgængelige fra tredjepartsbiblioteker.

Når vdhl-koden er færdig, gennemgår den en proces, der kaldes syntese. Det svarer til at kompilere et programmeringssprog. Kompilering af et programmeringssprog tjekker koden for fejl. Når koden er fejlfri, genererer den en fil, der indeholder individuelle processorinstruktioner. Syntesen leverer et output, der kaldes en netliste, og den definerer forbindelserne mellem alle komponenterne, herunder de 2,64 milliarder transistorer.

3. Kredsløbsverifikation og emulering

Netlisten kunne godt gå direkte ind i fremstillingsprocessen, men det ville være risikabelt, fordi konstruktionerne, der er så komplicerede som en gpu, aldrig er 100 procent korrekte i første forsøg. Og i betragtning af at et sæt matricer kan koste op mod 1 million dollars, ville det blive urimelig dyrt at afprøve konstruktionen på rigtigt silicium. I stedet bliver processen verificeret og emuleret.

Det er en enorm, processorintensiv afprøvning, der kræver adgang til supercomputere. Verifikationen omfatter afprøvning af individuelle blokke med måske 1.000 test pr. blok. Hver gang noget slår fejl, søger udviklerholdet tilbage for at rette fejlene og gennemfører så et komplet sæt af simulationstest for at sikre sig, at rettelsesproceduren ikke har ødelagt noget, der før fungerede korrekt. Når alle de enkelte blokke fungerer, går holdet videre til emulering.

Det indebærer at arbejde med gpu’en som en helhed. Men i betragtning af den mængde processortid, det kræver at simulere en chip med flere milliarder transistorer, kan disse test i begyndelsen dreje sig om bare at tegne en enkelt pixel. Foruden funktionstest sikrer emuleringen også, at chippen lever op til kravene, når det gælder processorhastighed.

4. Fremstilling af matricer

Når simuleringen er overstået, ved udviklerne, at kredsløbets tilslutninger er i orden. Men bortset fra floorplanen på højt niveau er der ingen, der har tænkt på, hvor komponenterne skal sidde på chippen. Det foregår ved hjælp af en speciel cad-pakke, der bliver styret af floorplanen.

Denne proces, der i høj grad er automatiseret, placerer hver komponent og beregner de kobberbaner, der til sidst skal forbinde dem alle sammen med hinanden.

Matricerne koster op mod 1 million dollars pr. sæt, men de er også grundlaget for de fleste af de produktionstrin, der følger efter.

Kulminationen på denne proces er en vigtig milepæl, der bliver kaldt ”take out”, og den markerer overgangen fra udvikling til produktion. AMD udvikler halvledere, men producerer dem ikke selv, og derfor er dette det stade, hvor stafetten bliver givet videre til Tsmc, der er AMD’s foretrukne producent af gpu’er.

Før der kan blive produceret nogen chips, skal producenten imidlertid lave et sæt fotografiske matricer, der bliver brugt ved fotolitografien – en for hver af de mange lag, som kredsløbet på chippen består af. Ved hjælp af de data, der kommer ud af tape out (som man kan betragte som billeder af mønstret på hvert lag), bliver matricerne dannet som et mønstret lag af uigennemsigtigt metallisk krom på kvartsglassets overflade.

5. Fotolitografi

Fotolitografi er nøglen til mange efterfølgende trin, der indgår i fremstillingen af gpu’en. Den bliver brugt igen og igen, efterhånden som kredsløbet bliver opbygget lag på lag på siliciumwaferen. Der bliver placeret en mønstret matrice på waferens overflade, således at de efterfølgende kemiske processer kun påvirker de områder, hvor der er åbninger i matricen. Bogstaverne a til e i den følgende beskrivelse svarer til trinnene i diagrammet.

Først anbringer man et lag af lysfølsomt materiale, der kaldes fotoresist, oven på de lag, der allerede er dannet (a). Det gør man ved at smøre en opløsning på waferen og derefter centrifugere den, så opløsning bliver spredt til et tyndt, jævnt lag. Når opløsningen er tør, bliver waferen udsat for ultraviolet lys gennem en af matricerne (b). Denne proces ændrer fotoresistens kemiske sammensætning på de steder, hvor matricen tillader det ultraviolette lys at trænge igennem. Waferen bliver nedsænket i fremkaldervæske, der opløser de dele af fotoresisten, der blev udsat for uv-lys.

Fotolitografi er nøglen til halvlederfabrikation og bliver brugt gentagne gange i processens løb.

Nu er der et vist lag fotoresist på waferen, og man kan derfor gennemføre en kemisk proces, der kun påvirker waferen på de områder, hvor resisten har virket – det ser vi et eksempel på i trin 6 (d). Nu da den kemiske proces er overstået, kan vi fjerne resten af fotoresisten fra waferen med et opløsningsmiddel (e).

Siliciumwaferen rummer hundreder af individuelle chips. Belysningen, der er nævnt ovenfor (b), bliver gennemført adskillige gange – en for hver chip – og waferen bliver flyttet i forhold til matricen og det optiske system mellem hver belysning.

6. Mønstret oxidlag

Vi så i trin 5, at laget af fotoresist danner en velegnet barriere for mange kemikalier og derved muliggør en kemisk proces, der kun bliver gennemført på de dele af waferen, der er defineret af matricen.

Andre processer – hvoraf de kendteste er dem, der inddrager varme luftarter – ville ødelægge fotoresisten, og der er derfor brug for endnu et lag resist. I disse tilfælde bruger man et mønstret oxidlag, der senere bliver fjernet, som beskrevet i de følgende trin (a) til (d). Også her henviser bogstaverne til illustrationen.

Når man bruger varme luftarter til at lave kredsløbselementer, inddrager man et mønstret oxidlag som matrice, fordi fotoresisten ellers ville blive ødelagt.

Waferen bliver dækket af et lag siliciumdioxid, der fuldstændig dækker alle de eksisterende lag (a). De processer, der bliver beskrevet i trin 5, bliver nu gennemført (b), idet den kemiske proces, der er nævnt i (d), er opløsningen af siliciumdioxid ved hjælp af flussyre.

Slutresultatet bliver et partielt lag af siliciumdioxid i det mønster, som de ønskede funktioner danner. Den påkrævede kemiske proces bliver gennemført – det påvirker kun de dele af waferen, hvor det mønstrede oxidlag mangler (c). Det resterende oxidlag bliver fjernet, og det sker igen ved hjælp af flussyre.

7. Transistorerne bliver dannet

En mosfet (den form for transis-tor, som man bruger i gpu’er) er en elektronisk kontakt. Med andre ord er den en elektronisk komponent, der bruger et signal på et kredsløb til at styre strømmen på et andet. Det er det mest fundamentale krav inden for digital elektronik. Her ser vi, hvordan en n-channel-mosfet bliver lavet, men der er også behov for p-channel-mosfets.

Den eneste forskel er, at den ene har materiale af n-type, men den anden har materiale af p-type. I den følgende beskrivelse bliver der indført ændringer selektivt til dele af siliciumwaferen, enten ved hjælp af et lag fotoresist som beskrevet i trin 5 eller med et mønstret oxidlag som beskrevet i trin 6.

Waferen bliver bombarderet med fosforjoner, der indplanter sig selv i siliciummet via sprækker i fotoresisten. Det danner såkaldte brønde med materiale af n-type. Det er en modificeret form for silicium med yderligere elektroder, der leder den elektriske strøm. Nu bliver der dannet to mindre øer af materiale af p-type inden i n-type-brøndene – de udgør de to elektroder, der er kendt som mosfettens kilde og dræn.

Derefter bliver der placeret et meget tyndt isolerende lag af siliciumdioxid, blot nogle få molekyler tykt, på siliciummets overflade mellem kilden og drænet. Det finder sted ved hjælp af en proces, der kaldes chemical vapour deposition (cvd), og den finder sted i en ovn, der er fyldt med gasser, som modificerer siliciummet kemisk. Til sidst bliver et lag silicium placeret over oxidlaget ved hjælp af cvd. Det danner mosfettens tredje og sidste elektrode, der bliver kaldt porten.

8. Det hele skal forbindes

Nu har vi en wafer med adskillige chips, der hver for sig rummer milliarder af transistorer. For at kunne omdanne dem fra isolerede komponenter til et fungerende kredsløb skal man forbinde dem med kobberbaner.

Først bliver waferen belagt med et isolerende lag af siliciumdioxid for at forhindre, at de forbundne baner ikke kortslutter alle mosfettene. Så bliver der ætset huller i siliciumdioxiden, så kan man få forbindelse til mosfettens elektroder.

Derefter ætser man grøfter i form af baner ind i siliciumdiox-iden, før der bliver tilført et lag kobber ved hjælp af galvanisk udfældning. Det dækker hele siliciumdioxidens overflade og udfylder grøfter og huller, så der kommer kontakt til mosfetten. Til sidst fjerner man overskydende kobber ved hjælp af en proces, der kaldes kemisk-mekanisk polering. Nu er der kun kobber i grøfterne og i hullerne.

Et enkelt lag kobberforbindelser er ikke nær nok til at danne et levedygtigt kredsløb. Eftersom det ikke er muligt at forbinde alt på et enkelt lag uden at forårsage kortslutning, bruger man ekstra lag, der bliver dannet på samme måde som det første kobberlag. Hvis man øger antallet af lag, kan man reducere chippens størrelse, og nogle lag skal kun levere strøm. Derfor er det ikke usædvanligt at se ti eller flere lag på de dyreste chips.

9. Afprøvning

De indledende produktionsprocesser er nu færdige, og waferen rummer flere hundrede chips, selvom det som regel ikke er dem alle, der virker. Det næste trin består i at afprøve dem en ad gangen.

Det finder sted ved hjælp af et avanceret stykke udstyr, der etablerer elektrisk kontakt med mikroskopiske puder på chippen. Det skal sikre korrekt registrering ved hjælp af optisk billedgenkendelse.

Af de omkring hundrede enheder, der er på en wafer, virker op til halvdelen ikke korrekt. Det er derfor afgørende at afprøve dem. Man bør kassere enheder, der ikke virker ordentligt.

I denne fuldautomatiske proces husker maskinen, hvilke chips der har bestået testen. For en chip i topklasse er succesraten (den procentdel af chips, der fungerer) omkring 50-60 procent. Men det bliver ofte bedre,
i takt med at produktionsmetoderne bliver mere modne.

10. Den endelige indpakning

Når afprøvningsprocessen er overstået, bliver waferen savet op i enkelte chips, og de defekte bliver sorteret fra. Det sidste trin består i at tage de fungerende enheder – små siliciumfirkanter, der er alt for skrøbelige til at blive brugt som regulære elektroniske komponenter – og pakke dem sammen, så de svarer til de flestes opfattelse af en chip, der er parat til at blive loddet på et kredsløb.

Siliciumskiverne bliver samlet i en chip og loddet på et kredsløb.

Enheden bliver placeret på et substrat, og man etablerer forbindelser mellem de bittesmå puder på enheden og de noget større loddefelter, der i sidste ende skal bruges til at lave de elektriske forbindelser på et grafikkort. Der bliver foretaget en sidste funktionstest for at sikre, at processen er gået godt, og dette mirakel inden for digital teknologi er parat til at blive sendt til grafikkortproducenten.

Sand til silicium

Her producerer man silicium til brug i gpu-wafers

Halvlederproducenter bruger blanke wafers som udgangspunkt, men hvis vi skal spore gpu’en tilbage til dens rødder, skal vi begynde langt tidligere. Silicium hører til den lille gruppe af kemiske grundstoffer, der kaldes metalloider. Det betyder, at stoffet har de elektriske egenskaber, der skal til for at danne halvledere.

Halvledere er grundlaget for al digital elektronik. Mange ved, at man laver silicium af sand, men det er ikke hvilket som helst sand. Ordet ”sand” bruger man til at beskrive alle finkornede mineraler, men til siliciumproduktion skal man bruge sand, der hovedsagelig består af siliciumdioxid, og det udvinder man i stenbrud. Siliciumproduktion indebærer, at siliciumdioxiden bliver smeltet ved 2.000 grader sammen med kulstof.

Kulstoffet reagerer med ilten i siliciumdioxiden, og der bliver dannet grundstoffet silicium, der samler sig i bunden af ovnen. Dette silicium er af metallurgisk kvalitet og 99 procent rent, men det silicium, man skal bruge til gpu’er, skal yderligere renses til en renhedsgrad på 1 til 100 millioner. Den rensning foregår ved, at man lader siliciummet reagere med klorbrinte, så der bliver dannet triklorsilan, mens alle urenhederne også bliver konverteret til deres respektive klorider.

Siliciumforbindelsen bliver udvundet ved hjælp af fraktionsdestillation, før man lader det reagere med brint for at vende tilbage til rent silicium.

Fra silicium til wafers

Perfekte siliciumwafers kan man kun udskære af én fejlfri krystal

En siliciumwafer af den type, som AMD bruger til sine bedste gpu’er, er en skive af rent silicium, 300 mm i diameter og med en tykkelse på 0,775 mm. Men den siliciumstang, der ender med at blive skåret op for at danne disse wafers, skal have en meget vigtig egenskab. Det dur ikke, at den består af masser af små krystaller – hvis man vil undgå fejl, der kan påvirke siliciummets elektroniske egenskaber, skal siliciummet være groet som en enkelt krystal.

Ved hjælp af den hyppigt brugte Czochralski-proces smelter man rent silicium i en roterende kvarts-smeltedigel lige over smeltepunktet på 1.414 grader. Dernæst dypper man en lillebitte siliciumkrystal i det smeltede silicium, hvorefter man langsomt trækker den op igen, mens den konstant bliver drejet i modsat retning i forhold til smeltediglen.

En blank wafer på 300 mm bliver undersøgt efter fremstillingen.

Forudsat at den bliver drejet tilstrækkelig langsomt (få millimeter i timen), bliver der dannet en monokrystallinsk stang, en såkaldt boule. Den bliver derefter skåret i skiver med en båndsav. Dernæst sliber man og polerer sine wafers, indtil de har en tykkelse på to tusindedele af en millimeter, og eventuelle urenheder på overfladen bliver ætset væk.