Juhime tähelepanu, et artikkel on rohkem kui viis aastat vana ning kuulub meie arhiivi. Ajakirjandusväljaanne ei uuenda arhiivide sisu, seega võib olla vajalik tutvuda ka uuemate allikatega.
/nginx/o/2019/10/09/12639016t1h7a45.jpg)
Pooljuhtmaterjalidel põhinevad (arvuti)kiibid on kõikjal meie ümber. Aina enam seadmeid saab «nutikaks» – autod, televiisorid, majapidamisriistad. Kuidas saab ränist kiip?
«Kiip» on mugandus inglise keelest – sõnast chip, mis tähistab integraalskeemi, ühele (räni)kristallile integreeritud miljoneid ja enamatki transistore ja muid mikroelektroonika komponente. Kuid millest ja kuidas neid imeasju valmistatakse? Siin vallas on areng olnud meeletu.
Tihti tuuakse sellist näidet: kui autotööstuses oleks areng sama võimas, siis sõidaks Mercedes valguse kiirusega, kasutaks 1000 km läbimiseks tilga kütust ja maksaks ühe sendi. Algsed arvutid oli mehhaaniliste releedega suured ja kallid jurakad ning IBMi toonane tippjuht hindas, et maailmaturul on ruumi vaid viiele arvutile. Elektrilampide kasutuselevõtt andis küll kiirust juurde, aga suureks ja aeglaseks jäid arvutid ikkagi.
Alles siis, kui 1947. aasta lõpus hakkasid John Bardeen ja Walter Brattain AT&T Bell Labsis tegema katseid germaaniumil põhinevate pooljuhtmaterjalidega ning valmistama nendest integraalskeeme, oli uks tõeliselt kiirele arengule lahti löödud. Kuid germaanium on suhteliselt haruldane ja kallis element ning pealegi on sellel baseeruvate kiipide kuumataluvus väike. Nii asuti otsima võimalikku asendajat. Loomulikult oli selleks germaaniumiga perioodilisuse tabelis samas neljandas rühmas tema kohal paiknev räni.
/nginx/o/2019/10/09/12639018t1hc524.jpg)
Räni on maakoores (juba nimi Sial ütleb seda) 28 protsendiga üks levinumaid elemente. Enamik mineraale on silikaatsed ning liiv ja eriti kvarts (ja tema puhtaim kuju mäekristall) on ränidioksiid. Tänapäeval on odavaks meetodiks räni tootmisel puhta liiva ja söe segu kuumutamine elekterkaarahjudes temperatuuril umbes 1900 °C. Sulatustiigli põhja kogunenud vedel räni valatakse vormidesse.
Kuid sellise ainega pole kiibitööstusel midagi peale hakata – niivõrd palju on seal lisandeid. Kuna monokristalne räni on infrapunaoptikas oluline toore, vajatakse ka seal suurt puhtust – 99,9999 protsenti ehk «kuus üheksat» (6N, 6 nines). See tähendab, et iga miljoni räniaatomi kohta võib olla ainult üks «võõrkeha». Kuid kiibid nõuavad veelgi enamat – 99,9999999-protsendilist (9N) puhtust ehk üks võõraatom miljardi räniaatomi kohta.
Teiseks on saadud toode polükristalne, kiibid vajavad aga monokristalset toodet. Monokristalle kasvatatakse nagu küünlaid kastes – sulamistemperatuuri lähedal olevale vedela räni pinnale lastakse monokristallist ühik. Sinna veidi jahedamale pinnale hakkab korrapäraselt kristallima lisa. Nüüd kergitatakse seda ülespoole ja kristall muudkui kasvab, kuni saadakse omajagu jämedaid küünlaid. Kuna lisanditel on tendents jääda vedelasse osasse, siis neile aega andes väheneb järjest ülaosas nende hulk. Valmis kristallid puhastatakse veel kord tsoonsulatusahjudes, kus fikseeritud kristalli pidi liigutatakse elektriliselt väga kitsast riba sulatav elektrilist kuumutit. Ja taas viiakse iga tsükliga lisandeid alla osasse, kuni vajalik puhtus käes.
Nüüd on meil oma küünal käes ja edasi lõikame selle nn vahvliteks (ingl k wafer), kuna hiljem sinna loodud kiipidega paistab ta nagu vahvlipressi alt tulnud maiustus. Need lõigatakse sellest tsoonsulatusest tulnud ränisilindrist õhukeste ketastena, mille paksus on 275–925 μm. Viimase etapina vahvli pinnale valgustundlikke maske kandes ja neid võimalikult väikese lainepikkusega valgusega (tänapäeval juba alla 160 nm eksimeerlaserid) töödeldes joonistataksegi sinna need miljonid transistorid. Töö toimub nn puhasruumides (cleanroom), kus nõuded on mitu korda rangemad kui haigla operatsioonisaalis. Puhasruumis ei tohi suuremaid kui 0,5 μm osakesi üldse olla ja 0,3 μm väiksemaid tohib olla puhtamais (ISO 1) ruumis mitte rohkem kui 12 ühes kuupmeetris. Valmis vahvlid läbivad ülitiheda kontrolli (isegi elektronmikroskoopidega) ning sõidavad hermeetilistes vaakumkonteinerites kiibitehastesse, kus kiibid välja saetakse ning jalgade ja muu vajaminevaga (kaitsekate, termopasta jne) varustatakse.
/nginx/o/2019/10/09/12639017t1h844f.jpg)
/nginx/o/2019/10/09/12639020t1h6b9b.jpg)
Värske maailmarekord
Augustis löödi kiibinduses üks uus uskumatu rekord. Kui senini oli suurima transistoride arvuga kiip Nvidia Volta V100, mille 815 mm2 suurusel pinnal oli end sisse seadnud 21,1 miljardit transistori, siis Cerebras Systems loodud kiip Wafer Scale Engine (WSE) on tõeline lahmakas – 46 225 mm2, kuhu on mahutatud 400 000 arvutituuma ja 18 GB SRAMi kiiret operatiivmälu kokku 1,2 triljoni transistoriga.
/nginx/o/2019/10/09/12639019t1h10e7.jpg)