Menu

Ciekawostki fizyczne

Fizyka, ciekawostki, odkrycia, artykuły

Jak powstała pamięć RAM

ramadan18

Jest czerwiec 198B r. W Madrycie prezes koncernu Siemens oznajmia, że wyprodukowano pierwsze egzemplarze układu scalonego o pojemności pamięci 4 megabitów i SIEMENS stał się drugim na świecie producentem (po Japonii) tych układów. Tym samym zakończyło się międzynarodowe przedsięwzięcie, mające za zadanie wyprodukowanie w Europie układu scalonego 4 MB i wprowadzenie go do seryjnej produkcji. Prócz Siemensa w pracach tego projektu uczestniczył również koncern Philips. Wyprodukowanie pierwszego chipa kosztowało wiele milionów marek i guldenów. Dlaczego projekt ten był tak ważny? Czy nie można tych układów po prostu kupić? Do czego można ich użyć? Dlaczego ta produkcja jest tak skomplikowana?

Układy scalone (pamięci) są używane m.in, w produkcji komputerów jako pamięć robocza, by móc szybko przetwarzać dane i uzyskiwać dostęp do programowania. Pamięć 1 MB zawiera około 1 miliona bitów (dokładnie 220 = 1 048 576). Przekładając to na ilość stron i znaków drukarskich 8 bitów (= 1 bajt) odpowiada ok. 130 000 znaków lub 70 s. maszynopisu. Na pierwszy rzut oka jest to liczba ogromna. Gdy jednak nie będziemy wprowadzać do komputera jedynie tekstów, to pojemność takiego układu zapełni się bardzo szybko; jeden obraz komputerowy, skonstruowany z punktów, może odpowiadać już 1 MB. Trendy rozwoju komputerów PC wskazują, że urządzenia posiadające pamięć roboczą 1 MB (a więc układ 1 MB) są dziś już prawie dolną granicą standardu. Im „silniejsze” programy wykorzystujemy, im bardziej użytkownik wspierany jest „wbudowaną wiedzą”, tym większe jest zapotrzebowanie na pamięć. Ten głód będzie długo jeszcze nie zaspokojony.

Nieco zróżnicowana jest sytuacja przy tym rodzaju pamięci, które w ramach projektu MEGA rozwija Philips. Jest on określony mianem pamięci statycznej SRAM (Static Random Access Memory). Jego zalety to: wpisane informacje nie muszą być stale „odświeżane", tak jak to dzieje się przy pamięci dynamicznej DRAM (Dynamie Random Access Memory). Potrzebna do tego technika przełączeniowa tworzy jednak produkcję 1 MB-SRAM tak skomplikowaną jak 4 MB-DRAM. Pamięć SRAM wykorzystywana jest m.in. w układach elektronicznego przekazu informacji, w której operacja „odświeżania" powodowałaby zakłócenia. Zapotrzebowanie na tak dużą pojemność pamięci jest tu jeszcze mało rozwinięte. W każdym razie dziś już można kupować układy pamięci tak jak np. śrubki. Tak więc uniezależnienie się od dostawców, nie byłoby wystarczającym powodem do rozpoczęcia tak gigantycznego projektu badawczo-rozwojowego, jak projekt MEGA. 

Jednak układy pamięci w zasadzie są tylko kierunkowskazem rozwoju. Mają dwie zalety: relatywnie prostą strukturę, powielaną w milionach komórkę pamięci z należącymi do niej układami sterowania i masowość produkcji, która pozwala na stosunkowo szybkie odzyskanie przynajmniej części poniesionych nakładów. Kto chce się uczyć jak produkować chipy, będzie tego próbował na układach pamięci. Są tu wykorzystywane wszystkie technologie wytwarzania, jednak bez dodatkowych problemów, które cechują skomplikowaną strukturę „układu logicznego" (poprzez taki układ rozumiemy np. procesory dla komputerów lub „kości" komunikacyjne wykorzystywane w sieciach cyfrowych). Przed około 30 laty wynaleziono układ scalony (Integrated Circuid). Jego produkcja polegała na montażu na płytce krzemu pewnej liczby tranzystorów i połączeniu ich w jeden układ. Krzem jest półprzewodnikiem, którego określone własności elektryczne uzyskiwane są poprzez dodanie domieszek. Te domieszki w pierwszym rzędzie arsen i fosfor można również nanosić na górne warstwy płytki krzemowej. Poprzez utlenianie lub obróbkę chemiczną CVD (Chemical Vapour Deposition) można nanieść warstwy izolujące S i0 2, napylony metal może zastąpić przewody łączące ze sobą pojedyncze elementy w układ, itd. Tajemnica tego procesu polega na tym, jak nanieść te materiały w taki sposób, by otrzymać żądane połączenie. Pomocą służy tu litografia. Potrzebne w poszczególnych częściach procesu określone kształty połączeń zostają najpierw naniesione na tzw. maski. Szkło jest np. powlekane chromem, w którym wiązka elektronów wycina wzór. Maska zostaje następnie przeniesiona na powierzchnię krzemu i pokryta światłoczułym lakierem. Po „wywołaniu" lakieru wolne partie mogą być obrabiane w kolejnych procesach.

Rewolucja w mikroelektronice, która nastąpiła w ostatnich 20 latach, polega na tym, że struktury stają się coraz bardziej precyzyjne. Co trzy lata (od 1970) ukazują się nowe generacje układów, które zawierają czterokrotnie więcej elementów niż poprzednie. Przy produkcji układu 4 MB zamknięto obszar submikronowy, gdyż najbardziej precyzyjne struktury mają mniej niż 1 tysięczną milimetra (tylko 0,8 pm), dużo mniej niż ludzka wrażliwość poznawcza włos ma grubość 40 (im. Poprzez miniaturyzację zmniejsza się koszt wytwarzania: pamięć 1 MB kosztuje obecnie około 30 DM i zawiera ponad 1 min tranzystorów. Pojedynczy tranzystor kosztuje tysięczne części feniga, gdyż na jego produkcję zużywa się niewiele materiałów i na dodatek jest ona masowa. Również chip 4 MB nie będzie wytwarzany jednostkowo: ok. 140 sztuk powstaje jednocześnie, montowanych na płytce krzemu o średnicy 6 cali (15 cm). W kosztach wytwarzania nie liczy się tylko koszt tranzystora, lecz także jego połączenia z innymi elementami w wysoce skomplikowany układ. Oczywiście skonstruowanie takiego układu z pojedynczych tranzystorów połączonych przewodami byłoby niemożliwe technicznie i finansowo poza tym miałby powierzchnię boiska piłkarskiego! Następną zaletą zintegrowanego układu jest jego wielkość. Układ 4 MB bez obudowy ma powierzchnię tylko 91 mm2, zaś obudowa wymiary 9 X 17 mm. Eksplozja techniki komputerowej możliwa jest tylko poprzez miniaturyzację. Tu też leży najtrudniejsza część technicznej strony tego zagadnienia. Zmniejszenie przy produkcji układu 4 MB osiągnęło granicę możliwości zastosowania tradycyjnych narzędzi pomiarowych. Do granic możliwości doprowadzono też możli8 wość optycznego odwzorowania maski na płytce. Wartość 0,8 \xm leży już bowiem niedaleko wykorzystywanej długości fali. Przy produkcji chipa 4 MB używa się do tego celu światła ultrafioletowego o długości fali 0,4 nm. Występują tu już trudności wynikające ze zjawiska ugięcia fali, przesuwające każde naświetlenie, a tym samym wymuszające niebywałą precyzję. Jednak tak skomplikowany układ wymaga wielokrotnego naświetlania, trawienia i montażu struktur jednej nad drugą. Dla chipa 4 MB używa się co najmniej tuzina masek. Po każdym naświetleniu płytka zostaje poddana obróbce. Następny wzorzec musi być naniesiony z właściwą dokładnością pokrywania dla chipa 4 MB wynosi on 0,2 nm, by pasował do określonej struktury. Zadziwiające jest, że można to jeszcze kontrolować metodami optycznymi.

Nie tylko litografia, lecz także inne procesy takie jak domieszkowanie, utlenianie, pokrywanie warstwami, trawienie stają się bardziej skomplikowane wraz ze wzrostem zagęszczenia struktury. Stosowane na początku mokre procesy chemiczne nie są już stosowane. Do trawienia stosuje się metody reaktywnego trawienia jonowego: górna powierzchnia zostaje „ostrzelana” jonami, które reagują przy uderzeniu w atomy powierzchniowe i zmieniają się w molekuły gazu. Głównym problemem przy wszystkich procesach są zanieczyszczenia. Zawieszone w powietrzu drobinki kurzu lub też cząstki pyłu wytworzone przez maszynę, osiadając na płytce niszczą powstający tam układ. Wystarczy że mają one wielkość 0,5 ptm. W Ratyzbonie, gdzie w zakładach Siemensa powstają obecnie chipy 1 MB pod koniec br. produkowane będą seryjnie układy 4 MB, w pomieszczeniach czystość powietrza jest 10 klasy, co oznacza, że maksymalnie 10 takich cząstek może znajdować się w 1 stopie kwadratowej powietrza (28 1). Najbardziej czyste powietrze górskie zawiera 100 000 więcej pyłu! Lecz nawet największa czystość powietrza i najbardziej wyrafinowane metody miniaturyzacji nie pomogą, gdy produkowane elementy układu nie spełniają swych fizycznych funkcji. Jest oczywiste, że zminiaturyzowany tranzystor nadal jest jeszcze tranzystorem. Za element krytyczny w chipie 4 MB uważa się kondensator funkcjonujący jako pamięć: jest on ładowany elektrycznie przez tranzystor, by otrzymać wartość „1”, lub wyładowywany, by otrzymać „0”, Im mniejszy jest kondensator, tym mniejszy ładunek może przyjąć: a więc tym samym mniejsza jest różnica pomiędzy ,,(T a „1”. Przy układzie 4 MB, będąca do dyspozycji „czysta”, geometryczna powierzchnia już nie wystarcza. Trzeba było wykorzystać trzecią płaszczyznę nowość, która w przyszłości będzie mogła być również wykorzystywana.

Montowany jest kondensator warstwowy lub też alternatywnie kondensator rowkowy. Ma on szerokość 1 pm, lecz umieszczany jest w rowku wyciętym w płytce, o głębokości 4 pm. Czy możliwe jest dokładne wytrawienie tak wąskiego i głębokiego rowka i pokrycie go warstwą izolującą i przewodzącą? A może łatwiej skorzystać z kondensatorów warstwowych? Większość firm wykorzystuje obecnie kondensatory rowkowe. Zadziwiające jest, że nie są one przynajmniej dziś głównym problemem w budowie układu. Trudności częściej występują w mniej skomplikowanych elementach np. obudowie. Kto produkuje układy tylko dla siebie (np. IBM) ten może tu dowolnie eksperymentować. Jeśli jednak produkuje się na rynek, to musi się spełniać życzenia klientów. Najchętniej chcieliby oni, by obudowy nowej generacji były zgodne ze starymi, a więc by nqwy typ pamięci można było wprowadzić bez przebudowy płytki drukowanej. Tak było w zakresie układów od 4 do 256 KB stosowano wówczas obudowy 16-nóżkowe typu DIP (Dual Inline Package). Jednak chip 4 MB z technicznych względów musi mieć co najmniej 18 nóżek.

Zadziwiający jest fakt, że tak niewielka liczba wyprowadzeń pozwala na skomunikowanie się z każdą komórką pamięci, których jest przecież ok. 4 milionów (2‘2). W rzeczywistości do adresowania wystarczy 11 z 18 nóżek. Komórki są bowiem przyporządkowane koszarowe . 211 poprzecznych i 211 prostopadłych „dróg” ( linii bitów i słów) łączy je ze sobą. Pojedyncza komórka adresowana jest poprzez wybór obydwu właściwych dróg. Następuje to w 2 krokach przez 11 nóżek. Każda z nich przenosi dokładnie jedną cyfrę obu jedenastopozycyjnych numerów dróg. Dwa następne przyłącza potrzebne są do sygnalizacji przejęcia adresu bitów i słów, trzy przyłącza służą do odróżniania pisania i czytania (kierunku przenoszenia danych pamięci). Do tego dochodzą oczywiście dwa przyłącza zasilania: Szerokość obudowy stosowanej aż ‘ do układu 1 MB wynosi 0,3 cala (300m ili inch = 300 m il) i nie daje się zastosować przynajmniej w tej fazie produkcji przy układzie 4 MB. W międzyczasie jednak na rynek trafiła nowa standardowa wersja obudowy „Strink". Siemens chce swój układ proponować w obudowie 20-nóżkowej o szer. 350 mil. w wersji DIP, lub montowanej powierzchniowo obudowie SOJ. Wewnątrz obudowy nóżki połączone są za pomocą maleńkich złotych przewodów z płytką krzemu (a więc właściwym układem), a całość wtopiona w masę plastikową.

Przy ogrzaniu występują mechaniczne naprężenia (rys.). Tylko specjalna symulacja komputerowa pozwoliła ustalić, w których miejscach występują naprężenia krytyczne i jak należy je zniwelować. Dodawanie takich niezależnie od siebie występujących problemów tworzy właściwą trudność projektu MEGA, rozwiązania zaś oparte być muszą na ekonomice. Idee powstające w laboratorium niewiele pomogą, jeśli nie da się ich zastosować w produkcji masowej. Przy ok. 400 pojedynczych procesach składających się na powstanie gotowego układu, nie może występować żaden słaby punkt. Co przy pojedynczej operacji występuje jako niedogodność może przy następnych procesach prowadzić do katastrofalnych błędów. Wysoka niezawodność produkcji, bliska 100%, nie występuje w mikroelektronice. Jednak gdy co trzeci wyprodukowany chip przetrzyma kontrolę końcową, to produkcję można uznać za opłacalną. Całkiem innym problemem projektu MEGA, rozwiązanym przez konkurentów, jest personel. Od 1984 r. Siemens wprowadził do tego projektu ponad 100 naukowców. Dzięki siedzibie w Monachium, udało się zdobyć wysoko kwalifikowane kadry, choć w.NEuropie bardzo trudno jest znaleźć wybitnych specjalistów z dziedziny mikroelektroniki. Nie czekano jednak na zakończenie badań nad poszczególnymi operacjami. W ciągu dwóch lat w Perłach, siedzibie monachijskiej Siemensa, zbudowano dwie instalacje pilotujące produkcję chipów 1 i 4 MB, tymi samymi metodami, jakimi będą one wytwarzane w Ratyzbonie, Trzeba teraz ten proces tylko przenieść w skali 1:1 i odtworzyć.

Jak jest to trudne, okazało się przy uruchamianiu produkcji masowej układu 1 MB. W uruchomieniu produkcji, szkoleniu personelu itp. pomogła firma Toshiba: lecz nadal nie otrzymywano chipów właściwej jakości. Dopiero dłuższe poszukiwania pozwoliły odkryć, iż jeden z komponentów ma zańieczyszczenia prawie niemożliwe do wykrycia metodą analityczną. Dalsza pogoń za jeszcze bardziej zintegrowanymi układami i jeszcze większą ilością elementów spowoduje dalsze nawarstwianie trudności występujących w technikach pomiaru. Ale proces rozwoju trwać będzie nadal: układ 4 MB nie będzie już długo celem, gdyż prowadzone są prace nad budową chipów 16 i 64 MB. Również Europejczycy stworzyli wspólny front dla tych prac: JESSI (Joint European Submicron Silicon). Do 1996 ma się osiągnąć skalę integracji 100 min elementów na układ. Struktury będą wówczas miały szerokość tylko 0,3 pm. JESSI nie jest jednak kontynuatorem projektu MEGA. Chodzi tu przede wszystkim o podjęcie produkcji chipa 64 MB, w którą zaangażował się ~ prócz Siemensa i Philipsa ~ również koncern Thompson. Interesuje się on przede wszystkim pamięciami nieliniowymi, dającymi się doskonale łączyć z siemensowskim DRAM i philipsowskim SRAM. Rozwój technologii prowadzony przede wszystkim w tych trzech firmach, jest jednak tylko jednym z aspektów programu. Równie wielką uwagę (ok. 1/3 nakładów) zwracać się będzie na opracowanie i rozwój maszyn, pojazdów, mechaniki precyzyjnej, chemii w tym również rozwój techniki CAD. Ważne w tym planie jest uniezależnienie się w budowie urządzeń i maszyn.

Przy projekcie MEGA większośp urządzeń pochodziła z importu z USA i Japonii. Jednak małe firmy biorące udział w tym programie twierdzą, że rynek europejski jest zbyt mały na rozwinięcie produkcji takich maszyn i urządzeń, by zwróciły się poniesione nakłady. Szanse Europejczyków nie są jednak złe. Przy technologii kluczowej dla produkcji nowej generacji chipów są nawet nieco z przodu: w rentgenolitografii. Jest ona traktowana jako technologia przyszłości, stosowana najpóźniej w produkcji układów 64 MB, gdyż efekt ugięcia fal uniemożliwi stosowanie masek optycznych. Litografia rentgenowska opracowana została w Berlinie Zach., gdzie uczeni dysposieci krystalicznej krzemu wynosi 5,43 A, czyli 0,000543 mm, a zatem dokładność wykonania urządzeń przy orzewidywanej w 1995 roku produkcji układów 256 Mbit pamięci sięga rzędu 15 odległości międzya tom owych w krysztale! Planowane uruchomienie w skali przemysłowej w 1990 roku produkcji pamięci 16 Mbit musi być już oparte na technologicznej rewolucji w oparciu o rentgenołitografię. Maska „do naświetleń'7 struktury wykonana jest z cienkich warstw (ok. 1-2 ftm) przepuszczających promienie rentgenowskie (krzem domieszkowany borem lub węglikiem krzemu) oraz warstwy absorbującej o grubości ok. 0,5 gm wykonanej najczęściej ze złota lub wolframu.

Jak już wspomnieliśmy, nie istnieje produkcja bez strat spowodowanych defektami w sieci połączeń struktur półprzewodnikowych. Jednak ilość defektów, wbrew pozorom, zmniejsza się wraz z zagęszczeniem struktury układu (10-krotnie mniej defektów przy czterokrotnym wzroście pojemności pamięci). Jest to jeden z głównych motywów ciągłego powiększania pojemności pamięci z jednego układu cena jednego bitu ciągle maleje. Na razie przyjęto cel 256 Kbit pamięci z jednego układu w połowie lat dziewięćdziesiątych być może wtedy możliwa będzie realizacja całkowicie cyfrowej telewizji wraz z cyfrowymi systemami rejestracji obrazu? Codziennością staje się pamięć 4 MB w roku 1989 Siemens uruchamia produkcję seryjną tych układów. Równocześnie z uruchomieniem produkcji prowadzi się badania związane z programem MEGALOGIK, mającym doprowadzić do powstania układu • o znacznie bardziej skomplikowanych funkcjach w stosunku do dotychczasowych pamięci. Czy jednak Europa będzie w stanie dotrzymać kroku Japonii i innym krajom Dalekiego Wschodu? 

© Ciekawostki fizyczne
Blox.pl najciekawsze blogi w sieci