Gąbczaste ścieżki
//Miały być grzybowe; bo gąbka i grzyb to w pewnych językach to samo, ale po przetłumaczeniu na polski już tak nie śmieszyło.
Do przeczytania tego tekstu wypada przynajmniej przypomnieć sobie wstępniaczek fakultatywny dla wszystkich kierunków “podstawy fiszyki” dawniej prowadzony na pierwszych dwóch latach. Dla kontekstu będą nas interesować pustki w przewodniku wpływające tym samym na urozmaicenia w polu B i E, a za tym na zmiany temperatury, emisje EM, recepcję EM z powrotem do E i wzbudzanie B. Ponieważ koncentrować będziemy się na średnio wąskich ścieżkach (bez ekstremy) to będziemy ciągle w świecie jako tako klasycznym przy czym gęstości ładunku wynikające z opisu będą dla każdego kto umie liczyć zrozumiałe (za duże – tyle się nie zmieści jeśli …). Oraz pobredzimy sobie o rozwiązaniach “softowych” aby radzić z powstającymi w użytkowaniu problemami wynikającymi z produkcji. Ale to w kolejnych tekstach (w przygotowaniu).
Skupimy się na dwóch szerokościach ścieżki miedzianej (nie będziemy się klepać o glin) 40 i 20 nm jako referencyjnej używając 40nm, żeby mieć wyobrażenie problemów przy węższych. Przy 40nm teoretycznie, przy najlepszym, krystalicznym uporządkowaniu i cywilizowanej temperaturze powinno wejść jakieś 156 plus minus pół atoma w poprzek. I 157 do 210 w pionie (budowanie wyższych ścieżek jest problematyczne tak samo jak tych pierwszych 156×157 do 192 [wyższa wartość pochodzi z idealnego ułożenia przekrojów w kierunkach 100 i 111 dla FCC; jeśli ktoś nie wie o co chodzi to na razie nie warto w to wnikać, temat wróci niżej], tylko bardziej). Dla mniej zorientowanych – układ scalony ma warstwy metalizacji i te pierwsze mogą mieć większą dokładność (w kanionach zbudowanych z tlenków krzemu lub innego paskudztwa) – nawet w jednocyfrowych nm, a kolejne mniejszą co daje przestrzenny układ “kabelków” z dodatkiem tlenków alu aby uzyskać tranzystory (tam jest trochę grubiej).
Oczywiście to 156×157 w przekroju nie oznacza prostokąta. Raczej dwugarbny wykres jak na oscyloskopie przy bardzo ostrych cutoff rozładowania kondensatora (bo w produkcji są kondensatory i ślady tego dłuta w kształcie na wieki zawarte). Fizyka wdziera się tutaj nawet w geometrię. Zależnie gdzie to jest używane napięcie na tej miedzi zaczyna się gdzieś przy 0.6V i kończy na 1.2V. Tozależyzm wynika z długości makaronu obsługiwanego w mniejszym cyklu. W logic core jest mniejsze (krótkie pętle do pomiaru), a w GPU czy peryferiami wyższe. Oczywiście omawiamy warstwy M1-M4, bo wyższe piętra posługują się większą rurą z prądem rozprowadzając zadania, paszę i cykl; na wierzchu jest 3.3V [nie będziemy jeszcze wnikać w Vdd, FinFET i GAAFET]. Ekstrapolując na mniejsze ścieżki – 20nm to pierwiastek przekroju, 8nm – wpisujemy piąteczkę w znaczku.
Ponieważ posługujemy się skalami jeden z groszami mul 10^-15 to normalne parametry oporu dla miedzi (ca 1.7 < mikrołoma mul 10mm) nie mają zastosowania (o tym będzie ten tekst właśnie) i wychodzi eksperymentalnie gdzieś między dwa a trzy, a nawet siedem. Czyli tak jakby to nie była miedź. Co pozwala na ścieżkach zasilających (wyższe piętra) upchnąć osiemset mikroamperów (połączenia główne), ale w logice jest tego tak z osiem do prawie stu razy mniej (resztę po drodze zeżarło; kto składał tranzystory w kupę to wie jakie tam się cuda dzieją na oporze – prąd dosłownie wciąga, uzyskanie rezultatu “za mało” jest powszechne, a zadać więcej i początek układu ulatnia życiodajny dymek). Po czym ten prądzik zmieniamy tak w granicach miliardzik (połączenia główne) do pięciu miliardzików (teoretycznie, w praktyce nie używa się masowo powyżej połowy tego, bo życiodajny dymek) razy na sekundę. Im częściej zmieniamy tym większe straty na sygnale. Oczywiście pomijamy układy analogowe (można stosować większe częstotliwości, ale raczej nie na takich ścieżkach, bo tam inny prąd wypada zadać i by życiodajny dymek się ulotnił).
W praktyce te układy na samej miedzi nie chodzą – bo powody i powleka się to jeszcze innym szpejem. Prozdrowotnie kobaltem, a na bardzo małych ścieżkach (to z pierwiastkiem piątego stopnia) eko-rutenemi TaTaNem. Jednak to co nam będzie potrzebne to jakieś wyobrażenie ile tego leci w przekroju na cykl. Gdybyśmy to sobie liczyli tak teoretycznie na migrujące elektrony to dla przekroju 40^2 w jednym cyklu 1GHz przez naszą powierzchnię przeprowadzkę urządza ekwiwalent jakiś 62500< elektronów, a dla 5GHz byłoby ich tak pi razy oko 1/5 tego. To są już jakieś policzalne liczby. Z czego wnioskujemy ile energii wiózłby taki teoretyczny elektron i wyszłoby 6dżula mul 10^-15. I przy pięciu Ghz pi razy oko 1/5 tego. Niezależnie od liczby elektronów wychodzi 0.6 elektronoVolta na sztukę. Czyli gdyby ścisnąć czas (albo zmniejszyć prędkość światła – co akurat “ma miejsce” bo jesteśmy w miedzi, nie w próżni) to co milion cykli przenosimy tyle energii, że można by z ekwiwalentu upichcić elektron.
Zwracam uwagę, że to są liczby dość odległe od dyskretnych, czyli jeśli ktoś pier… o efektach kwantowych w scalakach to jeszcze mamy sporo luzu. Tak samo dla mniejszych ścieżek 7nm wychodzi tyle samo elektronów na mniejszym przekroju, bo to zależy od przyłożonego napięcia i zadanego prądu. Jest go tam na tyle dużo aby sygnał po drodze nie zdechł na oporze i odróżnił się od narastającego szumu z niego wynikającego. Przyjmując że miedź ma jeden elektron do wożenia prądu (4s1) to z prostego rachunku z zakresu 156^2 i 157mul210 widzimy, że ta teoretyczna liczba elektronów (nośników ładunku) migrujących przez przekrój czynny jest wyższa od liczby zdolnych do służby (dla skromnej częstotliwości i mniej więcej równa dla wysokich). Ale że przewodnictwo w metalach to nie sztafeta pukających się cząstek i można się spokojnie wybrać z nieskończoności (kilometr dobrym przybliżeniem) na drugi koniec przewodnika i wrócić. Oczywiście nasuwa nam się podejrzenie, że to jest antena i trzeba się nieco nakombinować, żeby była trochę mniej.
Przynajmniej tak by było w świecie idealnym. Czyli nie w tym. To nie jest sztaba miedzi z huty, przepuszczana przez walcownię. Jak widać po oporności coś z tą miedzią jest nie halo. I to poważnie. Niektóre z tych problemików wskażę w powstającym tekście o tym jak się scalak uruchamia i dlaczego trzeba było kombinować ze zmniejszeniem liczby układów dla rdzenia, żeby żadna ścieżka nie istotnie ponad 100mikrometrów, a tak przyzwoicie to w granicach 50. Więc przejdźmy do technologii produkcji.
Żeby przybliżyć to każdy w domu może sobie wyDIYoić PCB kreślone mazakiem i poddane etchingowi. To oczywiście od scalaka na krzemie leży jak stąd do tej palmy, ale wskazuje kierunek, w jakim będziemy się przesuwać. Bo ta płytka szklano-epoksydowa jest pokryta miedzią właśnie. Markerem zabezpieczamy powierzchnię i reszta znika w roztworze chlorku żelazowego FeCl3 (czy innego nadsiarczanu amonu, którego to amonu podstępny Czajnik nie chce eksportować), są zamienniki na kwasie solnym z wodą utlenioną, ale licząc ile potrzeba do tego wentylacji i myślenia to polecam trzymać się pierwszego wariantu. Miedzi jest od osiemnastu do 70 mikrometrów. Czyli bardzo grubo. Ścieżki kreślimy tak na pół milimetra. Żeby miedź się “kleiła” to powierzchnię się matowi chemią i mechaniką. I ta folia jest wytwarzana normalnie – znaczy z walcarki. Gdybyście tego potrzebowali bo armagedon to idziecie do pierwszej z brzegu fabryki wymienników ciepła i takiej folii grubości 0.05 (czyli bardzo grubej) do 0.15 będą mieli w tonach bo używa się jej do lutowania (kapilarowego). Znaczy nie jest taka płytka nic, czego w garażu nie da się wyprodukować nawet mając średnie rozeznanie. Kluczowe jest to, że jest ona wykonana z czystej, przerobionej termicznie (i elektrolitycznie) i mechanicznie, walcowanej, jednolitej miedzi. Ma wzorowe przewodnictwo. Coś jak folia aluminiowa do piekarnika tylko z miedzi – robiona jest na dokładnie tych samych maszynach w identycznym procesie.
Wielowarstwowa płytka PCB (czyli już coś związanego z warstwami) jest robiona w procesie galwanicznym i to też jest coś co na upartego można odtworzyć w garażu mając @impeer i solidną marchewkę. W tym procesie miedź też ma bardzo dobrą konsystencję. W oby przypadkach istotą jest to, że licząc przewodnictwo tych ścieżek uzyskujemy dokładnie to co w książce – miedź przewodzi tak jak podręcznik nakazuje 1.7 µΩ·cm. Nie trzeba kombinować mimo że czasem trafi się atom tlenu czy fosforu jako paproch. A że to są bardzo duże (w porównania do cpu) przewodniki to napięcia są tam gigantyczne i natężenia (do kilku amp) spaliłyby klocka. Taktowanie też jest skromniejsze, ale regulatory prądu nie muszą być precyzyjne i powielane w ciągu (spadki w ciągu są bardzo przewidywalne).
Po wstępniaczku z garażu przechodzimy do IC (układy scalone) na podłożu krzemowym. Wcześniej było szkło z krzemu i jakiś laminat, żeby się nie potłukło, teraz krzem w formie krystalicznej czysty bez mydła. Którego wytwarzanie ogarnięto w granicach ludzkiego Poznania przez Czochralskiego do 9n czystości. Sztuczka z produkcją wafelków krzemowych (monokrystalicznych) prawie milimetr grubych rozmiaru patelni pod poranną jajecznicę polega na tym, że one to same z siebie wychodzą z bardzo dobrą powierzchnią – wystarczy procesu nie spier… a później mechaniczna i chemiczna obróbka (CMP) taka sama jak przy produkcji luster pozwala uzyskać powierzchnię o chropowatości poniżej pół nanometra (czyli dwa razy średnia odległość pomiędzy atomami krzemu 0.235nm; to jest granica tolerancji, niżej nie ma się co spuszczać z powodu fizyki, więc jak mi ktoś pier… że odbłyśniki kubełkowe na Księżyc wysłano idealnie równe to ja wiem o co się czepiam). I to nie są jakieś obecne czary mary, tylko w tej jakości wafle dawało się robić i 50 lat temu, tylko nikt nie potrzebował się tak czepiać o pół nanometra. Tyle że krzem monokrystaliczny nie jest izolatorem jak szkło z laminatem, jest półprzewodnikiem co ułatwia dalszą produkcję. Żeby szlag tego wafelka (dyfuzja) nie trafił to nakładając miedź trzeba użyć podkładki (choćby z tantalu).
Ponieważ lustra się najłatwiej poleruje kiedy się kręcą to dlatego wafle są okrągłe. Nie kręcić na kancie, to nie moneta. Jak upada to idzie w drzazgi. Dla zastosowań labowych (testy produkcyjne) oczywiście nie bierze się całego krążka tylko prostokąciki – po prostu trzeba je przykleić do talerza przy nakładania warstw. To są żywice (polimery) z fotoinicjatorami, taka trochę inna chemia fotograficzna (gdzieś tam w tekstach się żaliłem, że odbyłem stosunek z wygasłą technologią pomstując, dlaczego nikt nie chce więcej filmów wołać^^; no może nie tylko o filmy do aparatu chodziło^^). Czyli krążek jest pokryty bardzo cienka i dzięki wirowaniu równo rozprowadzoną warstwą czułej na pewne długości światła (bardzo mocnego światła, nie trzeba tego robić po ćmoku) mieszaniny “plastiku” o konsystencji mniej ciekłej od miodu, która jak sobie powiruje to wyschnie. Później wsadzany jest negatyw układu jako przesłona “lampki”, świecenie i szlag trafia odsłonięty fotoinicjator razem z miedzią i tantalem. Oczywiście w ten sposób nikt już tego poza hobby nie robi, a oryginalnie wcale nie używano miedzi tylko aluminium (miedź do produkcji weszła kiedy ja się już golić mogłem) i proces nie był wcale taki skomplikowany. Robiono to w Niedorzeczu. Na upartego bylibyście w stanie prawie cały proces w jakiejś tam jakości przeprowadzić w garażu. Dziś. Bo ówcześnie z tymi lampkami i przesłonami to nie było wcale tak prosto – trzeba do tego nieco narzędzi do mikrodruku, które wtedy nie walały się na Alibabie, a stabilne emitery odpowiedniego UV też robiono na sztukę bo kalibracja wcale nie była prosta. Dziś to produkt masowy, a te gorszej jakości trafiają do kibli jako światło do mordowania zarazków. Lub solariów.
Miedź weszła do produkcji klocków tak całkiem niedawno z mojego punktu widzenia i obecnie ryje się w krzemie rowki (plasma etching) takie do 10nm, nakłada się tantal, azotuje, znowu tantal przez coś co dla laika można opisać jako zawiesinę (w powietrzu) jonizowaną do przywarcia (niby, że to plazma jest, no technicznie jest, ale na takim poziomie jak w trakcie działaniu kwasu powstaje prąd elektryczny – no powstaje). I jeśli weźmiemy to pod mikroszkopa do macania ładunkiem elektrycznym na końcu igiełki to sprawa nie wygląda dobrze – sposób osadzania powoduje, że dosłownie rosną tam krzaki niefortunnie utworzonych połączeń. O ile pierwsza warstwa atomów leży jeszcze jako tako, to kolejna na niej ma coraz więcej chaosu. To są przesunięcia co prawda niewielkie, ale jak na początku wskazywałem ile na ile wypadałoby mieć atomów miedzi w idealnym przewodniku dla przekroju 40nm to już na tym etapie tworzenia podłoża wkradają się zaburzenia tej wartości. I to dopiero początek. Bo chwilę później zawiesina jest wydmuchiwana i komora wypełniana jest kolejną – tym razem miedzią i proces przy nieco innych parametrach powtarzany. Dlatego miedź pod igłą wygląda po tym jak gąbka. Dlatego ścieżki z Gąbki. Baltazara oczywiście. To nie jest sama warstwa, która będzie pracować – ta miedź do zarodnik, aby na niej układać kryształ. Znaczy docelowo z dużą dozą nadziei.
Kolejny proces, mający nałożyć już sensowną warstwę miedzi na tych zarodnikach jest już czymś w rodzaju galwanizacji. Oczywiście nie takiej jak robicie w garażu tylko dość rygorystycznej jeśli chodzi o proporcję mieszanki, ale dalej mamy kwas, metal, prąd żeby to zanęcić, i dodatki, które mają bilansować roztwór w trakcie przemian (takie stabilizatory dynamiczne PEG). Komory do tego procesu próbuje się (odważnie) produkować w Szwecji – jeden z niewielu krajów w okolicy, który został z wystarczającym poziomem obróbki maszynowej aby siadać do sprawy. W Szwajcarii też się próbuje, w Reichu skapitulowali. Oczywiście mówimy o grubych procesach takich po 40+ nm (eksperymentalnie 20+), bo po awanturach ostatnich lat okazało się, że trzeba to będzie przynajmniej na pewne potrzeby strugać sobie w eurokołhozie, no i niby Holendrzy technologię mają, ale nie bardzo jest jak wytworzyć całą aparaturę do jej zastosowania. Na potrzeby jednostkowe, laboratoryjne to się da, ale na potrzeby przemysłu w którym fajnie by było gdyby uczynni Azjaci lub Jankesi nie wsadzi 3nm żaby w 40nm układ wykluczając tym samym zdolność tego układu do latania tam gdzie zamawiający uważa… no na te potrzeby trzeba sobie jednak wydłubać samemu.
Później się tę warstwę poleruje, uzyskując polikryształ miedzi o ziarnach 10-100nm. Teoretycznie… Bo jak widzicie to ten rozrzut przekracza rozmiar oczekiwanej ścieżki, a to oznacza, że w ścieżkach będą uskoki i weź se teraz wylicz która część układu jaką będzie miała oporność… i czy właściwie będzie tylko przewodzić, czy tam może przy tych częstotliwościach na chwilę wyjdzie kondensator? A może opornik? A może antena? Więc sami państwo rozumieją, że na konsystentność tej ścieżki z gąbki to tak liczyć za bardzo nie można. Bo problemy są i mikro i makro (względem ścieżek). Oporność średnia takiej “miedzi” jakoś dwukrotnie bije podręcznikową o ile pójdzie dobrze. Miejscami są przewężenia i elementy ścieżki szerokości 1/3 po długości 70nm dla 40nm szerokości, które w ogóle się z przepływem nie stykają (są izolowane) i tam układ jest efektywnie cieńszy – nagrzewa się. No i potrafi robić to za bardzo. Co względem liczb podanych na początku powoduje, że tak średnio na jeża możemy liczyć na dobre spojenie połowy, a w przewodniku powstaną nam cavity (wypełnione przewodnikiem, ale niebiorące udziału w przepływie) generujące pola EM niczym bąbelki opływane przez wartki nurt. Do miedzi domieszkowana jest cyna, a w niektórych procesach alu, ale tak bardzo aptekarsko, miejsca po przecinku. Przy czym osadzanie atom po atomie (PVD/CVD/ECD) spowoduje że się robią krzaki i gąbka mimo prekursorów organometalicznych (znaczy z wunglem), aby się miedź “antenkami” w dobrą stronę ustawiała (polaryzacja w polu), które w procesie są usuwane. W nowych rozwiązaniach kombinuje się nawet z domieszkami kobaltu (bo akurat jest) na kilka procent, ale to są że tak powiem sposoby łatania problemu z tworzeniem jednolitej warstwy przy użyciu taśmy na gada i trytyki. Problem metalurgiczny jest tu fundamentalny. Gdyby go przeskoczyć to przy jakiś 12nm procesu mielibyśmy klocki chodzące w 15-17Ghz. Na początek, bo jak się dobrze zmrozi obecne układy i wyłączy bardziej upierdliwe elementy (gdzie oporność jest tak duża, że udają antenę z emisją zakłócającą ścieżki obok) to da się tyle pod azotem wycisnąć. Gdyby ten problem udało się rozwiązać powiedzmy… 20 lat temu (a jeszcze się nie udało) to mielibyśmy dziś pewnie jakieś 40Ghz klocki chodzące na jednym core i rozwój klocków i oprogramowania poszedłby w inną stronę, bo układ klocka jest dostosowywany do tego jak kodoklepcy go stosują, a nie jak jest najrozsądniej – na początku robiono to najrozsądniej bo się inaczej nie dało, a i kodoklepców było mało i wyłącznie rozsądni. Dlatego ejaja poszły na GPU bo tam rozsądek i rygor został zachowany. Tylko się to ciężko programuje – w jednym kierunku i jak nie wiesz co zje… to Twój problem.
Trochę lepiej wychodzą interconectory bo są duże, i tam problem jest mniejszy, a do tego są eksponowane między procesami, więc się te krzaki goli i powierzchnię wygładza. Tam przewodnictwo jest do pewnego stopnia dobre. Ale tylko tam. Dobre w kontekście, że na waflu jest ono od dwóch do pięciu razy gorsze niż w kablu do żelazka i na interkonektorach akurat tak bliżej dwójki: 3-7 μΩ·cm lub wyżej poniżej 30 nm.
Omówmy te wady dla takiego w miarę nowoczesnego procesu 10nm, więc… średnia droga swobodna elektronów w Cu to ok. 40 nm (mean free path). Poniżej tej wartości (np. w liniach 10-20 nm) elektrony częściej rozpraszają się na powierzchniach i granicach, zwiększając oporność o 2-10 razy w porównaniu do bulk/masowej Cu. W damascenie bariery dyfuzyjne (np. TaN/Ta, grubość 3-4 nm) zmniejszają efektywną szerokość Cu (np. w linii 10 nm zostaje tylko 2-4 nm miedzi), potęgując problem. Więc o ile przy ścieżce 40nm mamy straty rzędu 1/3 do 1/5 na warstwę ścieżki (czyli zostaje nam od .36 do .25 przekroju roboczego w użyciu) to przy 10nm od .04 do .16 więc delikatnie mówiąc… jest issue. Do tego w miedzi masowej ziarna są duże, ale i przekrój przewodzący olbrzymi. Duże znaczy pińcet nanometrów do przewodnika w mikrometrach. Jeśli ziarna są większe od przekroju to issue zamienia się w problem i podwajamy (konserwatywnie) oporność, a optymistycznie robimy mul1.2. W środku wafla jesteśmy optymistyczni, im dalej od środka tym bardziej konserwatywni i od razu lockujemy klocka na niższe obroty maksymalne oraz delikatniejsze ustawienia PMU (będzie w następnym tekście).
Dyslokacje niby są usuwane przy polerowaniu CMP (wielokrotnie ten proces jest odpalany na warstwach wafla), ale za każdym razem zostają uskoki po nanometrze przynajmniej. Czyli brakuje atomów miedzi, które i tak ledwo się tam trzymały. Niby, teoretycznie można cały wafel wygrzać i odpuścić (ponoć w 3nm się to robi, niby, ale na razie nie udało się tego poza labem zreplikować, a kto by skośnookiemu Holendrowi wierzył), ale to jest bardzo delikatna robota i nie da się tego zrobić na dużych ścieżkach (>22nm bo przewodnictwo cieplne, prędkość akumulacji, prędkość oddawania ciepła – w skrócie szlak trafi krzem). A nikt chyba w procesie masowym nie zrobił tego nawet na >10nm, bo za wąskie tolerancje przepływu ciepeła, za dużo uskoków w przewodniku, za dużo odpadu wychodziło w serii.
Na omawianych uskokach hipotetyczne elektrony odbijają się jak od lustra (przy tej częstotliwości) tylko dlatego, że zaburzony przepływ (różnice natężenia wynikające z oporności) wymuszają “popchnięcie” kolejnych (to tylko model aby sobie to wyobrazić, te elektrony i podobne rzeczy, taki sposób opisu, ale pole zachowuje się wystarczająco podobnie). Sposób wyobrażenia jest mało istotny – ważny jest wynik pomiaru wsadzany z powrotem do równania. Oczywiście można się z rzeczywistością targować – dodanie srebra lub aluminium (nawet rutenu) zwiększa bazową wartość oporności, ale redukuje liczbę defektów, tylko że robi to… niekonsystentnie, ponieważ nie mamy dość dobrej kontroli nad procesem. Jak do tej pory nie mamy na to rozwiązań, więc kolejne pokolenia mają się z czym męczyć. I to nie są jakieś bardzo wymyślne problemy, tylko zwykła metalurgia, żadne tam kwantowe czary mary – najprostsza materiałówka: poproszę kawałek czystej miedzi takiej jak w kablu, tylko przekrój kabla 20nm^2 i proszę poukładać kabelki zgrabnie na czymkolwiek co wytrzyma to układanie i zapewni półprzewodnictwo.
No i na dobitkę mamy te pustki (seam voids) wywołane zanieczyszczeniami (bardzo rzadkie, ale rzadkie razy hopsztylion atomów zaczyna być problemem probabila. Częściej to elektromigracja w wyniku tego nakładania “plazmy” metalicznej coraz mocniejszym prądem wzbudzanym światłem, które musi przeniknąć przez… plazmę izolującą światło. To jest dosłownie popychanie zjonizowanych atomów “latarką”. Efekt jest podobny jak zamiatania liści dmuchawą. Wiesz gdzie ich nie będzie, ale dokąd pójdą to różnie bywa. I czasem ułożą się w stosik tak zgrabnie, że pod spodem, w środku nie ma liści, a górka jest. Dołożysz jednego i górka się rozłazi. Na to są mądre terminy: partial interstitials lub clusters vacancies. Bo na przykład w układzie może brakować pół atomu miedzi, nikt jeszcze pół nie widział, ale cavity jest mierzalne pod 3d rtg (coś jak krystalografia tylko więcej komputera i bardziej na chama). Lokalnie takie g potrafi zwiększyć oporność o połowę, a tak średnio na jeża to robi mul1.1 na całym układzie. Tylko średnio to jeż jest łysy, ale rośnie mu nieco włosów i lepiej się nie nadziać.
Najwięcej tych pustek powstaje po pasywacji na odsłoniętej miedzi, czyli w interconectorach. I to jest główna przyczyna śmierci klocków – jak za mocno dostaną w d to tam właśnie rozłączają się całe warstwy układu. I klocek is dead.
To może strzelmy sobie takie przykładowe (tak po nic, bo to tak nie działa, znaczy działa tylko jest pięć rzędów wielkości słabsze jak się liczy na sucho, a w rzeczywistości sprawa jest bardziej skomplikowana bo jest inkluzja, cavity i uskok razem i trzeba od tej losow powstałej anteny ścieżki odsuwać, żeby nie szumiało)… pustka jako defekt radiacyjny / scatter / loop. Czyli przy 5Ghz dla 1V mała antena… Cavity jako mały loop antena, bo pustka w przewodniku może powodować lokalny prąd kolisty i zaatakujemy to na oko probabilnie (aż mi wstyd) Biotem Czarnym:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Biota-Savarta
Częstotliwość f = 5 GHz (ω = 2πf ≈ 3.14 × 10¹⁰ rad/s);
Szerokość w = 20 nm, @Grubość h = 20 nm (przekrój A _prz = 400 nm²; typowe dla lokalnych interconnects);
Cavity 1/10 przekroju, czyli A_cav ≈ 40 nm²; przybliżamy jako kwadrat o boku d_cav ≈ 6.3 nm (√A_cav);
V = 1 V (peak, typowe dla CMOS; dla RMS użyjemy √2 mniejszy);
Prąd I_rms = 1 mA (typowy dla sygnału w interconnect; dla V=1 V i impedancji ~50 Ω, I ≈ 20 mA, ale w IC prądy są niższe, więc konserwatywnie 1 mA);
Przewodnictwo “naskórkowe” δ ≈ 0.92 μm (dużo > d_cav), więc pole EM penetruje całą ścieżkę, a cavity działa jako lokalny defekt;
Parametry EM, fala:
λ = c / f, gdzie c = 3 × 10⁸ m/s. λ ≈ 0.06 m (60 mm).
Scatter i penetracja (dzik w zmachu penetruje lochy) miedzi:
δ = √(2 / (ω μ₀ σ_Cu)), gdzie μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m, σ_Cu = 5.96 × 10⁷ S/m. δ ≈ 0.92 μm (920 nm) – choć cavity jest dużo mniejsze to blokuje całkowicie fali, ale działa jako scatterer/reflektor/rozpraszacz; no tak jakbyście lustrem rozpraszali widzialne na podczerwone za lustrem; znaczy zwierciadło się grzeje i świeci we wszystkie strony;
Parametry B:
r << λ/2π ≈ 9.5 mm; czyli B = (μ₀ I_rms A_cav) / (2 r³), a ten r to odległość od pustki;
i dlatego odległość między ścieżkami M0 do 4nm wynosi 100nm;
A_cav = (w × h) / 10 = 4 × 10⁻¹⁷ m²;
μ₀ I_rms A_cav = 4π × 10⁻⁷ × 10⁻³ × 4 × 10⁻¹⁷ ≈ 5.03 × 10⁻²⁶
2 r³ = 2 × (10⁻⁷)³ = 2 × 10⁻²¹. B ≈ 2.5 × 10⁻⁵ T (25 μT) przy r = 100 nm;
Niemoc radiowa:
Rezystancja radiacyjna R_rad = 320 π⁴ (A_cav / λ²)² Ω;
320 π⁴ ≈ 3.1 × 10⁵. R_rad ≈ 3.8 × 10⁻²³ Ω
czyli świecimy P_rad ≈ 1.9 × 10⁻³⁰ W
to jest jakieś 21 rzędów poniżej bluetooth; po razy oko;
W rezultacie antena z tego jest do dupy, jest z tego grzałka jak się patrzy, ale… tylko dlatego, że odległość między ścieżkami jest 100nm. Bo jakbyście próbowali je ułożyć obok siebie tak jak układacie normalne kable zasilania, to na 10nm ta antena ma skutki i jak się dobrze trafi to tam wyjdzie odbiornik (statystycznie wychodzi, dlatego odległość jest mul10. Tak jak w dawnych kablach do podłączania anten od głośników – może pamiętacie, takie płaskie, z dwoma cienkimi, szeroko oddzielonymi żyłami). Na tej odległości 100nm indukowane w ścieżce “obok” napięcie będzie w nanoVoltach. I nie zakłóci pracy układy chyba że… obok jest ścieżka analogowa, a nie pod sygnał cyfrowy. No i dlatego trudno jest wykombinować małe układy analogowe. A Wojscy płaczą…
Aby życie miało smaczek to się ścieżki sadzi co 20-50nm. Jest ryzyko, jest zabawa. Żeby się logika miała szansę wysrać trzeba indukować 10mV lub więcej. I co ciekawe… zanim pustka będzie na tyle duża (jakoś trzy razy większa od przekroju ścieżki – killer defect) żeby wytworzyć taką antenę to energii wystarczy (dużo wcześniej) na przerwanie ścieżki przez wywalenie atomu miedzi (zazwyczaj łańcuchowa migracja) i zwarcia ze ścieżką obok. Obwody potrafią rozłazić się jak spaghetti w cienkie, zwijane nici. Ale jak się tych ścieżek ułoży w szeregu (magistrala) za dużo obok siebie i zbyt blisko to crosstalk jednak ma miejsce i jest upierdliwy (szereg działa w bok jak wzmacniacz).
Wyzwaniem jest wyprodukowanie wolnostojącej folii miedzianej o grubości między 20 a 100nm, tak żeby laminować ją na krzem omijając całe pierdololo z napylaniem. Czyli problem z gatunku prasa/walcarka/piecyk. Poniżej 10nm jest to niekompatybilne z procesem produkcji, ale dla grubszych klocków jak najbardziej jest. Teoretycznie jest to możliwe, ale na razie wyszłoby drożej od napylania. Komercyjnie dostępna folia zaczyna się od pięciu mikrometrów. Do laba możecie się doprosić o cztery i pół plus minus pół i wyciąć sobie kawałek gdzie jest czwóreczka z groszem. Nikt tego na produkcję nie kupi, bo się rwie w procesach dla piątki. I tak okrutnie ciężko się ustawia ciąg produkcyjny na taką przezroczystą miedź. Od biedy udaje się wywalcować folię na 1mikrometr, ale wtedy przestaje być folią – to krucha tafla, pęka z faktu istnienia. Dosłownie rozpada się na drzazgi od ruchu Jowisza. Próba osadzania tego na podłożu sprowadza nas z powrotem do tego jak produkowany jest obecnie wafel. No to tak się właśnie robi i jest liche, a lepszego nie ma. Aby się taka folia luzem utrzymała (powiedzmy 100nm) musiałaby być wyprodukowana w próżni (i to nie byle jakiej jak w piecu) i najlepiej jakby cały proces produkcji klocka przenieść do 0G – kupa problemów by się rozwiązała, za to bez liku nowych (choćby kręcenie waflem aby rozprowadzić warstwy nic nie da). Bo taka folia utlenia się szybciej niż zdążysz popatrzeć (dlatego szybki z grubszą folią wyglądają na zielone, to są przezierniki na potrzeby pracy przy piecach). I utlenia się na głębokość 50nm czyli grubiej od oczekiwanych ścieżek. No i nawet te próbki, które udało się uzyskać w rygorystycznych warunkach na laboratoryjną sztukę za w pip hajsu mają dokładnie te same problemy co napylanie jonizowanej – uskoki, nieciągłości, cavity. W rezultacie oporność jest mul2-3. Do tego w nanoskali nie da się przeprowadzić etchingu bo chlorki miedzi nie są lotne i nie można ich wentylować z resztą plazmy. A nikt jakoś tego karcherem płukać nie zamierza^^ Choć z polerowaniem elektrochemicznym było tak samo, kiedy inżynierowie zrobili to pierwszy raz (w maszynach do produkcji klocków) to zrobili to z pominięciem naczialstwa, bo za samą myślozbrodnię aby do bezcennych maszyn o takiej czystości wrzucać jakieś chemiczne gówna i proces elektrolityczny mogliby trafić do koreańskiego obozu wprost z Kalifornii i nikt by się nie zdziwił.
Pomijamy że nowoczesne procesy <5nm to są rowki, a nie ścieżki, no ale to jest detal architektoniczny, że się rowy kopie by je miedzią zasypywać. A cała zabawa z plazmą i odpuszczaniem polega na tym, że trzeba się zmieścić poniżej 40stC lokalnie, bo szlag trafi warstwy półprzewodzące. A i tak blisko 10% produkcji idzie do zsypu w najlepszych fabrykach na świecie.
Nie żebyśmy byli bez alternatywy! Mamy AFM – Atomic Force Microscopy i STM – Scanning Tunneling Microscopy i nic nie stoi na przeszkodzie [jakie urwał nic! – księgowy krzyczy “Ye shall not pass!”] aby sobie atom po atomie poukładać tę miedź jak nam się przyśni nie tylko warstwami, ale w ogóle przestrzennie, i dołożyć tam gdzie chcemy (mniej więcej) taki atom jak nam się uwidzi (na przykład z plemenia Rutenów, Aluminiów, Galów, Rzymian). Powiedzmy na płasko się da, a przestrzennie to jest problem ze zwalnianiem atomu z igły, bo się może cała struktura wyrwać z podłoża. No ale się da. Coś takiego jak druk 3d, tyle że… po pierwsze potrzeba do tego ultrawysokiej próżni (UHV, ciśnienie <10⁻⁹ Pa i tak żeby to objaśnić – starlinki latają w próżni 10⁻⁵ do 10⁻⁶ Pa, ISS na 10⁻⁷ Pa, a ok. 10⁻⁸ do 10⁻⁹ Pa zaczyna się tak powyżej tysiąca kilometrów od tej planety; na geostacjonarnej jest spokojnie 10⁻¹² Pa) i klimę trzeba ustawić poniżej pięciu kelwinów (bo inaczej atomy zaczną nam termicznie spier… po podkładzie, to wygląda na pomiarze tak, jakby się dosłownie teleportowały poza zasięg pomiaru, jeden cykl zegara i ni mo). I oczywiście się to robi, ale na razie to jest “ręczna” jebanina:
https://www.nist.gov/programs-projects/atom-manipulation-scanning-tunneling-microscope
do której trzeba zbudować maszyny o takiej precyzji, stopniu swobody i nauczyć ejaja, żeby stał i tym kręcił. Bo kłopotem jest chłodzenie – jak się za szybko tam majstruje to pouciekają. To że na razie nie da się tego robić na krzemie to jest akurat pikus (robi się na monokrysztale tego, z czego się układa mozaikę – najlepszy podkład bo wyrywasz piki i wstawiasz gdzie indziej, i sorbcja daje radę). Dobry wynik to układanie jednego atomu na godzinę… Jeśli w okolicy przejedzie tramwaj to po zabawie – poturlają się gdzie indziej. Dlatego w okolicy nie wolno niczym jeździć, nawet mebli przesuwać.
//A teraz sobie ze trzy strony pojęczę; Koniec jest bliski! – pokutujcie!
W Europie klocki są robione w STMicroelectronics (22 nm FD-SOI), GlobalFoundries w Dreźnie, a w Irlandii Intel (Fab34 w Leixlip) stara się i ma móc. Robi się nody 40 do 55nm. To w kontekście globalnym są zabytki, ale jeszcze nie antyki. Przy czym są to układy FDSOI takie jak komunikacja 5G, gps, IoT czy elektronika samochodowa, radary. A nie klocki do rachunków jak w komputerze. To są takie energooszczędne duperele. Niby Francuzi z Włochami kombinują 18 nm FD-SOI z ePCM, no ale to na razie są obietnice białych kołnierzyków bo do tej pory robią sampling. Niby NXP – Holandia, Infineon – Niemcy robi w 28-40nm, no ale duperele dla automotive, żadne tam prawdziwe, programowalne na serio klocki. No i niby TSMC ma w Dreźnie coś mieć za kilka lat, ale jak to zwykle – się zobaczy za ile (nie tylko lat^^). Pomijając Fab34 gdzie niby dłubane są Xeony to ostatnia fabryka robiąca cokolwiek podobnego do CPU (mikrokontrolery w technologii 130nm) była STMicroelectronics w Grenoble (Żabojady) i sobie umarła po fikimiki z przejęciem. W STMicroelectronics, Rennes robili 250nm, NXP, Nijmegen 250nm (Holandia, to ci co niby maszyny robią dla TSMC, a sami sobie nie umieją w garażu wydłubać produkcji cipów?) zdechło 15 lat temu. No i w rzeszy jest jeszcze Qimonda (Infineon w Dreźnie) – robili RAM 70nm, ale też naście lat temu poszli z torbami (zaraz po kryzysiku 2008).
No i ten XEON z Irlandii to jest w 65nm, i sobie 15 lat temu “rozpoczął modernizację” – znaczy produkcja zdechła. To było ostatnie źródło prawdziwych CPU na kontynencie. Ale komercyjnie nie ruszyła produkcja do dzisiaj, sampling owszem, ale komercyjnie nic. Więc to że tam zrobią 7,4, czy 3 nm to jest takie jankeskie gadanie. Najbliżej tego wszystkiego leży Grenoble mikrokontrolery ST7, ST9 (130nm) no ale to jest nieśmiały krok w kierunku CPU, który naście lat temu umarł. W tym samym czasie umarł NXP (80C51) niby prawie procesor. No i w Crolles kombinują STM32.
Więc pogrzebmy głębiej – kto w Europie robił całe, prawdziwe komputery… dowiemy się co tak naprawdę potrafi to mocarstwo zieleni: Ferranti F100-L to szesnastobitowy procesor wprowadzony przed Jaruzelem. Na ścieżkach pięć mikrometrów. I na tym bohaterska armia rzymska do dziś jedzie. Ale produkcja tego klocka odbywała się na terenach jakże rzymskich.. w Manchester. Blisko limesu^^
Ostatnie klocki zrobiono zanim runął Mur. Lata zanim.
Młodość czytelników ośmiobitowy Z80, przetrwał nawet w Amstradzie schodząc do trzech mikrometrów. SGS-ATES czyli znowu Rzymianie i Galowie. Ale kiedy Jaruzel wyłączył teleranek to produkcja schyliła się ku upadkowi i zgasła zanim teleranek wrócił. Zima czy jak…
32-bitowe RISC z UK (Inmos T414/T800) – upadł zanim runął Mur. Dokładnie wtedy co Ferranti. Zeszli do dwóch mikrometrów. Ale narobili tego tyle, że skończyli montować kompy w kupę dopiero kiedy elektryk zasiadł na tronie nowej, odrodzonej.
Siemens klonował Intela (SAB 80186/80286) ale na licencji więc jako tania siła robocza/montownia. Gdy runął Mur skończyło się.
Tymczasem w Rosji… przy yield poniżej 50% (znaczy bardzo niska wydajność, komercyjnie nie do przyjęcia) w technologii 360nm-500nm (niżej nie zeszli) i liniach 1mikrometr na prymitywnym NMOS/CMOS z prostą litografią kontaktową/proximity printing… robią duperele potrzebne zbrojeniówce. Ale własne. Nie żeby całe klocki (ostatnie były na lampach, klony IBM dziś w tamtej fabryce jest muzeum), ale tak jak Niemcy – kontrolery, krytyczne elementy układów do radarów, anten. Tam gdzie lepiej mieć stare, ale bez żaby. Istotne w tej produkcji są diody (do naprowadzania rakiet, produkcję mają na bazie Niedorzecznej bo tam się udała, to te słynne głowice opto), a jeśli chodzi o już zupełną drobnicę to Angstrem robi 130 nm w ilościach aptekarskich (yield ca 20%). I próbują poskładać faba na 65nm.
Czyli na kontynencie gdzie projektowane są architektury Cortex-A, Neoverse, RISC-V IP
(Pepiczki), Rhea, 64-bitowy RISC-V pod HPC (EPI, ale sampling) nikt, absolutnie nikt na prawie miliard luda nie potrafi wyprodukować komputera, jeśli biały Pan z Ameryki nie przywiezie techu, a żółty Pan majstrów. A ten cały sampling jest na importowanych maszynach. Do ktorych kombinuje się lokalne modernizacje, żeby w labach popchnąć kwestię “czy sami sobie wydłubiemy maszyny jak nam Jankesi każą się wybrać na palmę”.
No nie że nikt… Kacapy ciągle wytwarzają K1811VM88 czyli klona Z80 (ZX Spectrum). I są ostatnią europejską “potęgą” zdolną samodzielnie wyprodukować cały komputer. Ledwo… bo yield jest poniżej 20%. A technologia jest w moim wieku.
W d kontynent jest od 35 lat, urządził się. Jeśli dojdzie do jakiegoś konfliktu z Kacapami i Jankesi akurat będą się ciągali za uszy z Pochatkiem to będzie to bohaterskie starcie dwóch emerytów, z których jeden ma zabytkowy balkonik (mówimy o przewadze technologicznej na poziomie ZX spectrum wobec braku kompletnego kompa), a drugi kuśtyka o kulach (mikrokontrolery i embedy), ale chyba nikt nie liczy, że coś z Tajwanu dojedzie kiedy się z Puchatkiem jakiś Długi Nos zacznie przepychać na kadłuby? Więc tak jak Kacapii rozbierali pralki, tak pewnie będą masowe konfiskaty smartfonów, żeby robić drony. No może trochę przesadzam, ale znając ostatnią razem to się tak może skończyć. I co ciekawe… wygląda na to, że durny Kacap ma przewagę energetyczną, zasobową, produkcyjną (w zbrojeniówce) i nawet… technologiczną bo może (ledwo bo ledwo) ale wyprodukować ZX Spectrum, a w Europie niedasiem.exe.
No to chyba oczywistym jest dlaczego taki tekst mi wyszedł, kolejny jak widać po głupich zapytanaich od klientów, a czy dałobysiem. Znaczy jak się bardzo uprzemy to możemy zrobić zdecydowany krok naprzód i przeciwko ZX wystawić coś co będzie przypominało toporną wersję Commodore. Jak się bardzo zepniemy to może nawet Amigę… za 10 lat^^
Ale oni mają już, a Gejropeje mają mieć…
O rurki już pytali, Jankesi przywieźli linię i od dwóch lat jest obsuwa o dwa lata (co roku). W Intelu w Irlandii to samo. Może niech nas podbiją i nie będziemy się męczyć? Bo po pół roku szarpaniny w obronie okaże się, że radary skończyły się z braku części zamiennych, szyfrowanie najwyżej na kartce, a artyleria to może i ma donośność, ale rachunki trzeba przeprowadzać na podręcznym kalkulatorze. Kochajcie swoje komputery – możliwe, że będą Wam jeszcze bardzo długo służyć. Nie zaszkodzi mieć też kilku w piwnicy na zapas. Szczególnie polecam zapas pamięci RAM, ponieważ tego na kontynencie nie produkuje już nikt. No chyba że chcecie dzwonić do Moskwy po pamięci do Spectrumny.
Nie ma jednak tego złego. Bez komputerów i sieci cała biurwa zgubi się wychodząc z urzędu. Więc może i lepiej, że Kacapy gps zakłócają?