Speaker A
Это видео про самое сложное изобретение за всю историю человечества. Про технологию, которую не стыдно было бы показать инопланетянам. И про путь, который проделывает обычный с виду камень, чтобы научиться мыслить и вычислять.
Документальный разбор о том, как создаются чипы: от кварцевого песка до EUV-литографии и машины ASML стоимостью около 400 млн долларов.
Key Takeaways
- Производство современных чипов — одна из самых сложных технологий в истории человечества.
- EUV-литография позволила продолжить прогресс после замедления закона Мура.
- Ключевой элемент процесса — одна компания, которая производит уникальные литографические машины.
What the video covers
- Видео объясняет, почему чипы называют новой нефтью: экономика, армии и ИИ зависят от кремния.
- Чипы не добывают, а выращивают из кварцевого песка через многоступенчатую очистку и превращение в монокристалл.
- Закон Мура, по которому число транзисторов удваивалось примерно каждые два года, начал замедляться около 2015 года.
- Прорыв связан с EUV-литографией: машина стреляет лазером по каплям олова 50 000 раз в секунду, создавая плазму с экстремальным ультрафиолетом.
- Машина стоит около 400 миллионов долларов, весит около 150 тонн, состоит из сотен тысяч деталей и перевозится в 250 ящиках, а собирается полгода.
- Зеркала в машине настолько гладкие, что ошибка размером с атом может испортить результат, поэтому внутри создан глубокий вакуум.
- Производство чипа включает более десяти тысяч операций и около ста слоев, а транзисторы сейчас измеряются ангстремами.
- Чипы объединяют достижения десятков стран и тысячи патентов, а производитель машин фактически является единственным в мире.
Chapters
- 00:00Введение: самое сложное изобретение человечества
- 04:00Мысленный эксперимент и принцип работы лазера
- 21:00Зеркала и вакуум внутри машины
- 32:00Путь песка: от кварца до монокристалла
- 38:00Легирование и создание транзисторов
- 48:00Ангстремная эра и масштабы схем
- 60:00Многослойные зеркала и фотолитография
- 76:00Маски, точность и финальная сборка чипа
Full Transcript — Download SRT & Markdown
Speaker A
внутри которого работает чип. Когда вы что-то ищете в интернете, ответ считают для вас тысячи чипов в дата-центре в другой части Земли. В вашей машине десятки чипов, в ракете — сотни. Чипы называют новой нефтью: экономика, армии, промышленность и искусственный
Speaker A
Прямо сейчас вы смотрите это видео на устройстве, внутри которого работает чип. Когда вы что-то ищете в интернете, ответ считают для вас тысячи чипов в дата-центре в другой части Земли. В вашей машине десятки чипов, в ракете — сотни.
Speaker A
Прежде чем оказаться у вас в руках, этот камень несколько раз пересёк планету, прошёл через огонь, кислоты и самые стерильные помещения на планете. И почти никто не знает, что на этом пути есть одно место, через которое проходят все самые передовые чипы мира.
Speaker A
Чипы называют новой нефтью: экономика, армии, промышленность и искусственный интеллект функционируют благодаря кремнию. Но в отличие от нефти, чипы не добывают — их выращивают из камня. Каждый из них начинал свой путь куском кварца в горном карьере.
Speaker A
транзисторов. Это нули и единицы компьютера. Чип работает за счёт переноса электронов от одного транзистора к другому. Чем меньше транзисторы, тем меньшее расстояние проходит сигнал, тем быстрее идут вычисления и тем больше транзисторов уместится на чипе. Сегодня на площади размером
Speaker A
Прежде чем оказаться у вас в руках, этот камень несколько раз пересёк планету, прошёл через огонь, кислоты и самые стерильные помещения на планете. И почти никто не знает, что на этом пути есть одно место, через которое проходят все самые передовые чипы мира.
Speaker A
году прогресс начал замедляться. Инженеры заговорили о стагнации и конце эпохи, когда каждый новый телефон заметно быстрее старого. Преодолеть эту проблему получилось благодаря одной компании, которая производит вот такие махины. Машины, которые спасли закон Мура.
Speaker A
Их изготавливает один тип машины. И делает эти машины одна-единственная компания в мире. Перед вами кремниевый микрочип — конечная точка этого пути. Если увеличить изображение, мы увидим наноскопический вычислительный город с высотками в сотни этажей и тысячами километров проводов, которые их соединяют. А в самом низу этого небоскрёба располагаются транзисторы.
Speaker A
деталей и километры кабелей. Чтобы доставить её заказчику, её разбирают и пакуют в 250 ящиков, которые везут грузовыми Boeing 747 и фурами. На месте 250 инженеров полгода собирают её обратно.
Speaker A
Миллиарды транзисторов. Это нули и единицы компьютера. Чип работает за счёт переноса электронов от одного транзистора к другому. Чем меньше транзисторы, тем меньшее расстояние проходит сигнал, тем быстрее идут вычисления и тем больше транзисторов уместится на чипе. Сегодня на площади размером с ноготь помещается больше десяти миллиардов транзисторов — больше, чем людей на планете.
Speaker A
Этот аппарат настолько замысловат, что знакомиться с ним мы начнём с мысленного эксперимента. Его визуализировали ребята с канала Veritasium — именно их ролик вдохновил меня разобраться в этой теме, ссылка в описании. Представьте, что вы уменьшились до размеров муравья. Вам дали лазер, мощности которого хватит, чтобы проплавить
Speaker A
За последние 50 лет число транзисторов на чипе удваивалось примерно раз в два года. Это назвали законом Мура в честь одного из основателей Intel Гордона Мура. Но примерно в 2015 году прогресс начал замедляться. Инженеры заговорили о стагнации и конце эпохи, когда каждый новый телефон заметно быстрее старого. Преодолеть эту проблему получилось благодаря одной компании, которая производит вот такие махины. Машины, которые спасли закон Мура.
Speaker A
Ваша задача — попасть по этой капле лазером не один и не два, а целых три раза за 20 микросекунд.
Speaker A
«Это самый технически совершенный инструмент, когда-либо созданный человечеством».
Speaker A
«Это, с огромным отрывом, самая сложная машина, которую люди когда-либо запускали в серийное производство».
Speaker A
его поглощает всё — стекло, металл, даже воздух. Поэтому внутри машины глубокий вакуум, а вместо линз стоят зеркала. Возможно, во всей Вселенной нет ничего более гладкого. С помощью такого зеркала можно было бы направить лазер с Земли и попасть в мяч для гольфа на Луне.
Speaker A
Машина перед вами стоит около 400 миллионов долларов и весит около 150 тонн — как два пассажирских самолёта. Внутри неё сотни тысяч деталей и километры кабелей. Чтобы доставить её заказчику, её разбирают и пакуют в 250 ящиков, которые везут грузовыми Boeing 747 и фурами. На месте 250 инженеров полгода собирают её обратно.
Speaker A
Около 30 лет считалось, что построить такой аппарат невозможно. Лучшие лаборатории США, Японии и Европы брались за эту задачу и сдавались. Intel, Nikon, Canon — гиганты, которые когда-то владели этим рынком, сошли с дистанции. И тем не менее такие машины существуют.
Speaker A
Но даже если у вас есть деньги и время, вы всё равно встанете в очередь. За прошлый год было выпущено всего 48 подобных машин — на всю планету. Между заказом и поставкой проходит полтора года, а то и больше. И дело не в бюрократии: одно только зеркало для неё шлифуют год.
Speaker A
компанией в истории европейского фондового рынка: её стоимость превысила 670 миллиардов долларов. Это фильм о путешествии кремния, который научился думать. О том, как песок и кварц становятся самым сложным, что умеет делать человечество, и о машине, которая стоит в самом сердце этого пути.
Speaker A
Этот аппарат настолько замысловат, что знакомиться с ним мы начнём с мысленного эксперимента. Его визуализировали ребята с канала Veritasium — именно их ролик вдохновил меня разобраться в этой теме, ссылка в описании. Представьте, что вы уменьшились до размеров муравья. Вам дали лазер, мощности которого хватит, чтобы проплавить металл насквозь. Прямо перед вами пролетает капелька расплавленного олова размером 30 микрон — примерно в три раза тоньше человеческого волоса. И летит она на скорости около 250 км/ч.
Speaker A
Прежде чем мы отправимся в путь, небольшое личное отступление. Вы заметили, что во вступлении я дважды мерил всё толщиной человеческого волоса? Капля олова в три раза тоньше волоса, транзисторы в тысячи раз тоньше. Так вот, к чему это я: ещё недавно с этой единицей измерения на макушке у меня было, скажем так, не густо.
Speaker A
Ваша задача — попасть по этой капле лазером не один и не два, а целых три раза за 20 микросекунд.
Speaker A
По сути это тоже очень точная микроработа. Только вместо транзисторов - графты. А вместо кремниевой пластины - кожа головы. Первые пару месяцев было шоковое выпадение.
Speaker A
Именно это делает машина. Первый импульс расплющивает каплю, второй превращает её в разреженное облако, а третий раскаляет до 220 000 градусов — это примерно в 40 раз горячее поверхности Солнца. Капля превращается в плазму и испускает свет, которого на Земле в природе практически нет: экстремальный ультрафиолет. И так — 50 000 капель в секунду.
Speaker A
Сейчас прошло больше года, а финальный результат как раз оценивают спустя двенадцать месяцев, так что можно подводить итоги. Мне нравится, что я вижу в зеркале.
Speaker A
— Лазер часто промахивается?
Speaker A
— Он не промахивается.
Speaker A
Можете зайти и посмотреть примеры своими глазами. Ссылки на соцсети GGMed в описании под видео.
Speaker A
«Если перенести эти масштабы в гольф, это было бы эквивалентно непрерывному попаданию с первого удара в лунку, находящуюся на расстоянии в 25 километров, среди завихрений газа и плазмы, которая горячее поверхности Солнца».
Speaker A
Лосось поднимается на сотни километров вверх по течению рек, преодолевая водопады и бурные потоки. Путешествия в мире неживой материи впечатляют ничуть не меньше, особенно если взглянуть на них сквозь призму времени. Вот возьмём обыкновенную песчинку — крошечную частицу кварца. Вообще, это один из самых распространённых природных минералов.
Speaker A
У этого света есть проблема: его поглощает всё — стекло, металл, даже воздух. Поэтому внутри машины глубокий вакуум, а вместо линз стоят зеркала. Возможно, во всей Вселенной нет ничего более гладкого. С помощью такого зеркала можно было бы направить лазер с Земли и попасть в мяч для гольфа на Луне.
Speaker A
её к устьям рек и морским побережьям, приливы перекатывали туда-сюда, пока она снова не оказывалась погребённой под слоями осадков. Ледники перемалывали её, реки перенос или через пороги. Иногда песчинка оставалась неподвижной огромные промежутки времени, прежде чем вновь отправиться в путь. Считается, что примерно половина всех
Speaker A
Вдобавок машина совмещает слои на чипе с погрешностью в несколько атомов. И всё это — пока её части движутся туда-сюда с ускорением свыше 30 g. Это больше, чем испытывает пилот истребителя.
Speaker A
Но нет. Это лишь второе по масштабности путешествие. Первое место принадлежит одиссее, которая начинается с куска грязи в земле и заканчивается в кармане ваших брюк.
Speaker A
Около 30 лет считалось, что построить такой аппарат невозможно. Лучшие лаборатории США, Японии и Европы брались за эту задачу и сдавались. Intel, Nikon, Canon — гиганты, которые когда-то владели этим рынком, сошли с дистанции. И тем не менее такие машины существуют.
Speaker A
Но мало кто осознаёт, насколько они повсеместны. Главный процессор смартфона — лишь один из десятков чипов внутри него: одни работают в сенсорах камеры, другие хранят фотографии вашего кота , третьи регулируют питание и радиосвязь. В современном автомобиле могут быть сотни
Speaker A
Производит их только одна компания в мире — ASML. Её штаб-квартира находится не в Кремниевой долине, как можно было бы предположить, а в маленьком нидерландском городке Велдховен, о котором вы, скорее всего, никогда не слышали. Летом 2026 года ASML стала самой дорогой компанией в истории европейского фондового рынка: её стоимость превысила 670 миллиардов долларов.
Speaker A
чем кажется: они есть в фене, пылесосе и даже в зарядном кабеле смартфона. Микрочипы стали не просто мозгом или нервной системой современного мира. Всё больше они напоминают его мышцы, кровеносные сосуды и органы чувств. Почти вся мировая экономика так или иначе зависит от микроскопических переключателей внутри полупроводников.
Speaker A
Это фильм о путешествии кремния, который научился думать. О том, как песок и кварц становятся самым сложным, что умеет делать человечество, и о машине, которая стоит в самом сердце этого пути.
Speaker A
Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода. Но удивителен он не своим обилием, а универсальностью. Трудно переоценить его вклад в облик нашей цивилизации. Из его соединений получают стекло для окон и оптики, а добавление кремниевых компонентов и песка в бетон позволяет возводить прочнейшие фундаменты и современные небоскребы.
Speaker A
Помимо ролика Veritasium, я советую вам посмотреть и вот это видео с канала Branch Education, это самая детальная визуализация фотолитографии, что я нашёл. Также при подготовке сценария я прочитал несколько книг по теме и буду опираться в том числе и на них. Меня зовут Саша, и это Homo Deus.
Speaker A
Полупроводники десятилетиями ставили учёных в тупик. Они не проводили ток так, как медь, но и не блокировали его, как стекло. Их проводимость к тому же сильно зависела от температуры, освещения и мельчайших примесей. Никто толком не понимал, что с ними делать.
Speaker A
Прежде чем мы отправимся в путь, небольшое личное отступление. Вы заметили, что во вступлении я дважды мерил всё толщиной человеческого волоса? Капля олова в три раза тоньше волоса, транзисторы в тысячи раз тоньше. Так вот, к чему это я: ещё недавно с этой единицей измерения на макушке у меня было, скажем так, не густо.
Speaker A
току. Как кран открывает и закрывает воду. Только у этого крана нет ни одной движущейся детали. Так полупроводник превращается в переключатель. В 1940-х годах роль таких переключателей в компьютерах играли стеклянные электронные лампы. Они были большими, горячими, прожорливыми и постоянно перегорали. Первый электронный компьютер общего назначения ENIAC был построен в 1945
Speaker A
В августе 2025-го я сделал пересадку волос в московской клинике GGMed. За день мне пересадили больше 4000 графтов. Это фолликулы с затылка, которые генетически устойчивы к облысению. Их аккуратно переносят туда, где волос нет или их мало.
Speaker A
прорывом была универсальность: компьютер можно было перепрограммировать для решения абсолютно новых математических задач. Но он был чертовски огромным и ненадежным!
Speaker A
По сути, это тоже очень точная микроработа. Только вместо транзисторов — графты, а вместо кремниевой пластины — кожа головы. Первые пару месяцев было шоковое выпадение. Это нормально: фолликулы уходят в спячку и копят силы. С третьего месяца пошёл активный рост.
Speaker A
Бардин. Оба работали под руководством Уильяма Шокли в американской компании Bell Labs. В 1956 году все трое получили за это Нобелевскую премию. Взгляните на это чудо инженерной мысли! Некогда передний край науки! Даа, выглядит довольно неуклюже, словно результат неудачного эксперимента с паяльником. Конструкция свисает с блока оргстекла:
Speaker A
Сейчас прошло больше года, а финальный результат как раз оценивают спустя двенадцать месяцев, так что можно подводить итоги. Мне нравится, что я вижу в зеркале. Волосы прижились, выглядят здоровыми и крепкими.
Speaker A
Но этот первый твердотельный переключатель ознаменовал революцию. Ведь если объединить достаточно много таких переключателей, каждый из которых физически воплощает один бит — ноль или единицу, — то можно построить компьютер. Следующим шагом стала интегральная схема: не отдельные транзисторы, спаянные проводами, а целая схема на одном кусочке полупроводника. В
Speaker A
Отдельное спасибо художнику-портретисту клиники. Он вручную рисует линию роста волос под ваше лицо, поэтому всё выглядит естественно. Я ещё попросил сохранить направление роста вбок, мне так привычнее зачесывать. И это учли.
Speaker A
Эти прорывы заложили физическую основу компьютерной эпохи. И слово «физическую» здесь имеет особое значение. Иногда инновации рождаются из одной гениальной догадки. Историк Антон Хаус приводил отличный пример. Это летучий челнок Джона Кея, созданный в 1733 году. Он совершил революцию в ткачестве. При этом не было никаких фундаментальных причин,
Speaker A
Стоимость составляет около 190 тысяч рублей в зависимости от метода. Плюс есть рассрочка. А в телеграм-канале GGMed собраны сотни результатов реальных пациентов до и после. Можете зайти и посмотреть примеры своими глазами. Ссылки на соцсети GGMed в описании под видео.
Speaker A
пока металлургия не научилась делать прочные котлы высокого давления. С компьютерами произошло то же самое. Ада Лавлейс и Чарльз Бэббидж придумали вычислительные машины более чем за столетие до транзистора. Идея давно ждала своего материала. И этим материалом стал сверхчистый кремний. Первый транзистор был размером с детскую ладонь.
Speaker A
В природе много грандиозных странствий. Европейский угорь плывёт нереститься через всю Атлантику. Полярная крачка за жизнь пролетает полтора миллиона километров. Лосось поднимается на сотни километров вверх по течению рек, преодолевая водопады и бурные потоки.
Speaker A
В 1965 году Гордон Мур написал короткую статью для журнала Electronics. Он заметил, что число компонентов в интегральных схемах удваивается каждый год, и предположил, что так будет продолжаться. Спустя десятилетие он поправил прогноз: предположил удвоение примерно раз в два года. Так родился знаменитый закон Мура. Это не закон природы, конечно,
Speaker A
Путешествия в мире неживой материи впечатляют ничуть не меньше, особенно если взглянуть на них сквозь призму времени. Вот возьмём обыкновенную песчинку — крошечную частицу кварца. Вообще, это один из самых распространённых природных минералов.
Speaker A
Это обещание запустило самоподдерживающийся цикл. Чем меньше транзисторы, тем лучше они работают: переключаются быстрее, тратят меньше энергии, и их больше помещается на чипе. Более мощные чипы порождают новые рынки, новые рынки приносят деньги, деньги ускоряют прогресс.
Speaker A
Каждая его песчинка живёт миллиарды лет. Сначала она была частью скалы, затем превратилась в песчинку, а потом снова с
Speaker A
Каждый транзистор был крошечным — размером примерно с красную клетку вашей крови. Тогда это казалось настоящим чудом инженерии. А теперь в процессоре вашего смартфона помещается уже не две тысячи, а десятки миллиардов транзисторов.
Speaker A
Причём на площади меньше квадратного сантиметра! Каждый из них настолько мал, что даже вирус, вызывающий COVID-19, по сравнению с ним кажется гигантом. Только вдумайтесь: внутри одной вирусной частицы может уместиться с десяток транзисторов! И всё это не единичный лабораторный эксперимент. Такие структуры производят миллиардами, на заводах, каждый день.
Speaker A
Соблазнительно назвать эти структуры микроскопическими. Но, строго говоря, они меньше длины волны видимого света, поэтому их не разглядеть даже в самый мощный оптический микроскоп. Их размеры измеряются уже не в микрометрах, а в нанометрах.
Speaker A
Поэтому правильнее их называть наноструктурами. В этом году мы впервые вступили в ангстремную эру. Один ангстрем — это десятая доля нанометра, или одна стомилионная сантиметра. А атом кремния имеет размер чуть больше пяти ангстремов. Мы уже подобрались к масштабу, где транзистор можно пересчитать по атомам. Почему же мы не падаем в обморок от восторга
Speaker A
каждый раз, беря в руки телефон? Возможно, мы так редко поражаются всему этому потому, что микрочипы невидимы. Они спрятаны глубоко внутри привычных нам вещей.
Speaker A
Раньше сложные технологии были роскошью — как первый автомобиль, телефон или домашний ПК. А сегодня мощный смартфон с миллиардами транзисторов есть у каждого.
Speaker A
Самое удивительное в технологиях — это момент, когда за сложным алгоритмом вдруг проявляется живое человеческое чувство. Что-то такое, что можно потрогать руками и сохранить на годы.
Speaker A
Посмотрите вот на это. Перед вами портрет моей сестры Ани. Подойдёшь ближе — и видишь, что здесь нет ни грамма краски или печати. Лишь единая, неразрывная нить, натянутая между сотнями гвоздиков. Умный алгоритм сначала рассчитывает уникальную траекторию из тысяч пересечений, а потом вы сами, своими руками,
Speaker A
превращаете эту виртуальную схему в арт-объект. Это создано с помощью RingString — набора для создания картины нитью из абсолютно любой вашей фотографии. И это намного больше, чем просто интерьерное украшение. Его вы можете создать своими руками.
Speaker A
Во-первых, это невероятный, глубокий способ проявить внимание. Все мы порой ломаем голову: что подарить близкому человеку — девушке, маме, сестре, — чтобы это не пылилось на полке, а тронуло до глубины души? Отличный вариант - вручить такую необычную картину. Или если хотите - подарите набор (и получательница сама выберет любимый снимок и
Speaker A
получит непередаваемое удовольствие от процесса). Это подарок-эмоция, который запомнится надолго. Во-вторых, сам процесс рингстринг — чистый гедонизм и медитация. В комплекте всё продумано до мелочей: тут даже коробка превращается в устойчивый мольберт как у настоящего художника.
Speaker A
Вы просто берете набор, загружаете фото на сайт и получаете голосовую инструкцию, в которой приятный голос шаг за шагом ведет вас от первого узелка до завершенной картины.
Speaker A
Можно выбрать мужской или женский голос, язык, комфортный темп и расслабляющую фоновую музыку. Вы просто сидите, слушаете плавный отсчёт номеров гвоздиков и ведёте нить — и через десять минут ловите себя на мысли, что все дедлайны, тревоги и уведомления из чатов остались где-то далеко.
Speaker A
Никаких художественных навыков не требуется. Инструкция понятная и интуитивная, с ней с удовольствием справляется даже ребёнок, а результат выглядит так, будто картину делал профессиональный дизайнер на заказ. Размер полотна рингстринг — внушительные 50 на 50 сантиметров. Сзади сразу предусмотрено надежное крепление, чтобы повесить картину
Speaker A
в гостиной или спальне. Выглядит она очень стильно, дорого и притягивает взгляды гостей. Набор производится в России из экологичных материалов. Перед покупкой я внимательно изучил множество отзывов — у RingString безупречная репутация и тысячи влюбленных в продукт покупателей. Официальный сайт и магазин производителя —
Speaker A
ringstring.ru, ссылку я оставил в описании. А с промокодом HOMODEUS вы получите скидку 15% на весь заказ. Просто введете его в корзине. Если думаете, что подарить близким, по-моему, это один из самых тёплых и душевных вариантов. Переходите по ссылке под роликом и заказывайте,
Speaker A
пока действует промокод. Дарите красивые подарки с эмоциями. Неочевидный факт. В Кремниевой долине, несмотря на ее статус и название, сегодня даже не производят кремниевые чипы. Последний крупный завод там закрылся 20 лет назад. Компании, которые проектируют чипы, остались, но их давно численно превосходят разработчики приложений,
Speaker A
платформ и сервисов. В Кремниевой долине сегодня пишут софт. Настоящая же физическая работа разбросана по планете в невероятно сложную цепочку.
Speaker A
Надпись на Айфоне гласит: «Придумано в Калифорнии, собрано в Китае». Это удобное упрощение. Apple сама почти ничего не производит. Она гениально соединяет детали со всего света. Процессоры для нее делает фабрика на Тайване. Для этого тайваньцы используют сложнейшие литографические сканеры голландской компании. Внутри
Speaker A
этих машин стоят уникальные немецкие зеркала, линзы и мощнейшие лазеры. Каждый божий чип объединяет в себе достижения десятков стран и тысячи патентов.
Speaker A
Но чтобы кремний ожил и начал думать, его путь должен начаться не в стерильной лаборатории, где фильтруют каждую пылинку. Всё начинается в куда более грубом и первобытном месте — среди копоти, огня, тяжелых карьерных экскаваторов и раскаленных печей.
Speaker A
Перед вами испанская Галисия. 350 миллионов лет назад здесь столкнулись два древних континента — Лавразия и Гондвана.
Speaker A
Колоссальное давление вытолкнуло на поверхность массы ослепительно белого чистейшего кварца. Поэтому рядом со скалой теперь зияет гигантский карьер. Грузовики дробят породу и вывозят куски камня размером с кулак.
Speaker A
Большое количество чипов берут свое начало здесь, в испанском руднике. И возможно, вы сейчас нахмурились. Думаете: Как так? Почему именно здесь, если по миру разбросаны миллионы тонн речного и морского песка. Почему бы не использовать его?
Speaker A
А дело в том, что для создания кремниевых чипов речной или морской песок не подходит. Песчинки слишком малы. Если засыпать их в промышленную печь, мощные потоки горячих газов мгновенно выдуют их крупицы. И никакие фильтры не помогут. Поэтому нужны именно увесистые куски кварца.
Speaker A
Эти белые камни везут на завод. Прямо по соседству гудит крупная электростанция — энергии требуется неимоверно много.
Speaker A
Там формируются условия, напоминающие жерло вулкана. Кварцевые камни смешивают с коксующимся углем и древесной щепой, а затем сбрасывают в пылающую печь при температуре выше 1800°C.
Speaker A
Печь потребляет 45 мегаватт электроэнергии — этого хватило бы небольшому городу. Внутри бушует электрическая дуга. Физика и химия этого процесса до конца не смоделированы на компьютерах даже сегодня — слишком хаотичны электромагнитные и тепловые поля.
Speaker A
Кварц — это диоксид кремния. То есть каждый атом кремния в нём химически связан с кислородом. Но для производства чипов нужен чистый кремний. Поэтому кислород приходится буквально вынимать.
Speaker A
Эту работу выполняет углерод. При высокой температуре он вступает в реакцию с кислородом кварца. В результате образуется газ, главным образом монооксид углерода, а освобождённый кремний плавится и собирается в нижней части печи. Так из шести тонн исходного сырья получается лишь одна тонна жидкого кремния. Рабочие в огнеупорных серебристых костюмах
Speaker A
разливают металл, дают ему остыть и крошат в серый гранулят. Чистота такого кремния — около 99%.
Speaker A
Звучит отлично, правда? В обычной жизни 99% — это выдающийся результат. Если бы у вас телефон работал без ошибок 99% времени, вы, возможно, даже не замечали бы проблему. Но для современной микроэлектроники такой кремний безнадёжно грязный. Вот возьмите миллиард атомов. При чистоте 99%
Speaker A
примерно десять миллионов из них будут посторонними! Поэтому путешествие кремния продолжается. Далее эстафету перехватывает Бавария — городок Бургхаузен на границе с Австрией. Когда-то он богател на торговле солью, а сегодня здесь раскинулся гигантский химический завод размером с город.
Speaker A
Именно здесь производят один из самых чистых материалов, которые человечество научилось получать в промышленных масштабах. Вместо того чтобы пытаться бесконечно очищать твёрдый кремний, химики используют хитрость. Они превращают его в другое вещество.
Speaker A
Сначала металлургический кремний измельчают, а затем заставляют реагировать с хлороводородом. Получается соединение под названием трихлорсилан. При комнатной температуре это летучая жидкость, кипящая при 32 градусах. Но зачем превращать твёрдый кремний в жидкость, которая легко испаряется? Чтобы воспользоваться одним из старейших приёмов химиков — дистилляцией. Представьте, что у вас смесь разных веществ.
Speaker A
Одно испаряется раньше, другое позже. Если тщательно управлять температурой, можно разделять их, удаляя примеси одну за другой. Примерно так работает перегонка нефти. Но здесь требования к чистоте несравнимо выше. Полученный трихлорсилан очищают в специальных колоннах. Снова и снова. А затем происходит ещё одно превращение.
Speaker A
Очищенное соединение отправляют в огромные реакторы, напоминающие металлические колокола. Внутри расположены тонкие кремниевые стержни. Через них пропускают электрический ток, разогревая примерно до тысячи градусов. В реактор подают очищенный трихлорсилан вместе с водородом. И кремний начинает осаждаться на раскалённых стержнях. Сначала стержни сравнительно
Speaker A
тонкие. Но постепенно они становятся всё толще. Через несколько дней перед нами уже массивные блестящие колонны сверхчистого кремния. Этот способ называют процессом Сименса.
Speaker A
То есть сперва инженеры взяли грязный твёрдый кремний, превратили в летучее химическое соединение, очистили его, а затем собрали твёрдый кремний заново.
Speaker A
Это атомная алхимия невероятной энергоемкости. Для получения ультрачистого кремния нужно в три тысячи раз больше энергии на единицу веса, чем для производства цемента, и в тысячу раз больше, чем для стали. И результат того стоит. Чистоту материалов измеряют числом девяток после запятой. Для солнечных батарей, к примеру, хватает
Speaker A
восьми или девяти девяток. Но высший пилотаж — это полупроводниковый кремний. В нем двенадцать девяток: 99,9999999999% абсолютной чистоты. Попробуйте произнести это число вслух.
Speaker A
Двенадцать девяток! Это означает, что на триллион атомов кремния приходится порядка одного постороннего атома. Триллион — число, которое трудно даже представить. Но давайте попробуем. Возьмем огромный олимпийский бассейн. 50 метров в длину и 25 в ширину. Он вмещает миллионы литров воды. А теперь бросьте туда одну-единственную крупинку
Speaker A
сахара. Вот насколько ничтожной должна быть концентрация загрязнений. И это не лабораторный рекорд, полученный на крошечном образце размером с пылинку.
Speaker A
Такой материал производят промышленно. Тоннами. Поэтому сверхчистый поликремний по праву называют одним из самых чистых материалов, которые человек способен с оздавать в промышленных масштабах.
Speaker A
Но и этого мало. После того как кремниевые стержни вырастут, их дробят на куски. И тут возникает новая опасность: загрязнение поверхности. Представьте, что вы неделю очищали предмет до идеального состояния, а затем случайно коснулись его пальцем.
Speaker A
Для кремния полупроводникового качества это катастрофа. Поэтому куски материала дополнительно обрабатывают кислотами, смывая тонкий поверхностный слой вместе с возможными загрязнениями. Затем промывают сверхчистой водой и упаковывают в специальных чистых помещениях. Всё это ради того, чтобы крошечная посторонняя частица не испортила материал. Кажется, ну всё, теперь можно делать
Speaker A
процессор, верно? Как бы не так. У нас всего лишь невероятно чистые куски поликристаллического кремния. Но для современных процессоров нужен не просто очищенный кремний. Нам нужен огромный монокристалл, в котором атомы выстроены в единую упорядоченную решётку. Поэтому впереди ещё один этап. И на нем всё,
Speaker A
что мы с таким трудом создали и очистили, снова придётся расплавить. И только после этого мы сможем начать делать из него микрочипы. Возможно, у вас возник вопрос. Зачем так стараться? На кой черт бороться за какие-то доли процента после запятой? Разве кто-нибудь заметит
Speaker A
один посторонний атом среди миллиардов? Ещё как заметит. Представьте огромный город, где миллиарды людей движутся по строго заданным маршрутам.
Speaker A
А теперь представьте, что на одном из перекрёстков барахлит светофор. Город не остановится. Но если этот блок окажется в критически важном месте, последствия будут значительными. Нечто похожее происходит внутри микрочипа. Один посторонний атом не обязательно сломает транзистор. Но некоторые примеси способны
Speaker A
нарушать его электрические свойства. Они могут создавать дополнительные энергетические уровни, захватывать электроны или вызывать утечки тока. Последствия могут быть самыми разными. Компьютер вдруг выдаёт синий экран смерти. В вычислениях вместо нуля появляется единица. Процессор перегревается или слишком быстро расходует заряд батареи.
Speaker A
Или ещё хуже: один крошечный дефект в критически важном месте — и дорогущий процессор нужно отправлять на свалку. Но вот парадокс. Чтобы транзисторы работали, инженеры сами на определенном этапе добавляют в кремний чужие атомы.
Speaker A
Например, атомы бора или фосфора. В одном случае примесь — это враг. А в другом — важная часть устройства. Разница в том, что полезные примеси мы вводим намеренно. В строго определённых количествах и местах. В микроэлектронике важно не просто избавиться от чужих атомов. Важно научиться ими управлять.
Speaker A
Но высокая химическая чистота — лишь половина задачи. Нам нужно, чтобы атомы кремния выстроились в правильную кристаллическую решётку.
Speaker A
И не на расстоянии нескольких нанометров, а на протяжении десятков сантиметров. Ранние компьютеры уже столкнулись с тем, насколько важен выбор полупроводника.
Speaker A
Первый транзистор в 1947 году создали из германия. И он действительно работал. Но у германия обнаружился серьёзный недостаток. При нагревании через него начинал проходить электрический ток даже тогда, когда транзистор должен был быть выключен. А значит, компьютер мог ошибаться и перегреваться. Кремний справлялся с этой проблемой гораздо
Speaker A
лучше. Его электронам сложнее начать свободно двигаться под действием тепла. Физики называют это более широкой запрещённой зоной. Но главное — кремний позволял легко создавать на своей поверхности тончайший изолирующий слой. Простая аналогия - изоляция на электрическом проводе. Она не даёт току течь куда попало. Вот и тут так же. В транзисторе такой слой
Speaker A
позволяет управлять потоком электронов с помощью электрического поля, практически не пропуская ток через сам изолятор. Именно это помогло инженерам создать крошечные, надёжные транзисторы и размещать их миллиардами на одном чипе. В общем, кремний крут! Оставалось только научиться выращивать на нем гигантские монокристаллы.
Speaker A
И для этого инженерам пришлось придумать способ буквально вытягивать кристалл из расплавленного металла. На этой стадии производство больше напоминает научную лабораторию, чем металлургический завод. Воздух тщательно фильтруют.
Speaker A
Температуру контролируют. Оборудование защищают от пыли и загрязнений. Здесь очищенный поликремний загружают в огромный тигель. Это специальная жаропрочная чаша. Внутри поддерживают атмосферу из аргона и разогревают кремний выше температуры плавления — примерно 1414 градусов Цельсия. Металл превращается в раскалённую жидкость.
Speaker A
Инженеры берут крошечный затравочный кристалл кремния. Это не просто случайный кусочек. Его атомы уже выстроены в правильном порядке. Затравку осторожно опускают в расплав, а затем начинают медленно вытягивать вверх, одновременно вращая.
Speaker A
В этот момент атомы жидкого кремния присоединяются к затравке. Причём не как попало, а продолжая её кристаллическую структуру. Это происходит благодаря физике кристаллизации.
Speaker A
Это называется методом Чохральского. Его предложил польский учёный Ян Чохральский ещё в 1916 году. Но есть тонкость. Если сразу вытягивать широкий кристалл, то внутри могут сохраниться дефекты кристаллической решётки. Поэтому в начале выращивают очень тонкую шейку. Иногда всего несколько миллиметров в диаметре. Она помогает избавиться от дислокаций,
Speaker A
чтобы атомы располагались правильно. И только после этого кристалл постепенно расширяют до нужного диаметра. Получается форма, напоминающая гигантскую каплю с длинным цилиндрическим хвостом. И вот из расплава медленно появляется огромный тёмно-серый слиток.
Speaker A
Для современных пластин его диаметр составляет 30 сантиметров. Почти как большая обеденная тарелка. Длина может превышать метр, а масса — достигать сотен килограммов.
Speaker A
Но самое интересное не снаружи. Если исследовать его структуру, мы обнаружим, что перед нами не множество маленьких кристаллов, сросшихся друг с другом.
Speaker A
Это один гигантский монокристалл. Весь этот цилиндр обладает единой кристаллической ориентацией. Только представьте масштаб. Расстояние между соседними атомами кремния — порядка четверти нанометра. В одном сантиметре такой решётки помещаются десятки миллионов межатомных расстояний.
Speaker A
А здесь перед нами объект длиной больше метра! Получается, кристаллический порядок сохраняется на расстоянии, которое в миллиарды раз превосходит размеры отдельных атомов.
Speaker A
После этого инженерам нужно сделать с этим гигантским произведением инженерного искусства кое-что совершенно варварское. Они его распиливают.
Speaker A
Специальные пилы с алмазным абразивом разрезают монокристалл на сотни тонких дисков. Для стандартной 30-сантиметровой пластины толщина составляет примерно 775 микрометров. Это меньше миллиметра. Кремниевую пластину можно сравнить с идеально плоской обеденной тарелкой, толщина которой меньше толщины банковской карты.
Speaker A
Секреты этой технологии охраняются жестче государственных тайн. Китай сегодня держит 90% мирового производства кремния для солнечных батарей, но вырастить безупречные кристаллы для передовых чипов ему пока не под силу. Чужих на эти фабрики не пускают: скорость подъема слитка, градиент температуры расплава и состав защитных газов — это патенты на миллиарды долларов.
Speaker A
Но у всей этой цепочки есть одна пугающая точка отказа. Тот самый тигель, в котором плавят кремний для метода Чохральского, должен быть сделан из кварца абсолютной, эталонной чистоты. Малейшая посторонняя молекула из стенок чаши перечеркнет многомесячную очистку.
Speaker A
И такой кварц добывают практически в единственном месте на планете. Это крошечный городок Спрус-Пайн среди лесов Северной Каролины.
Speaker A
Уровень секретности здесь напоминает военную базу. Колючая проволока, охрана, глухие заборы. Сторонних инженеров для ремонта станков на предприятие иногда заводят буквально с повязками на глазах.
Speaker A
Если оползень разрушит единственную дорогу от этих рудников или карьер выйдет из строя, то мировое производство микрочипов и солнечных панелей остановится уже через полгода.
Speaker A
Без чистейшего кварца не будет тиглей, без тиглей не вырастить монокристалл, а без монокристалла не нарезать пластины для процессоров. Вся цифровая цивилизация — спутники, серверы, финансовые рынки и умные гаджеты — всё это в буквальном смысле держится на песке из одной неприметной точки на карте. Далее наш кремний снова меняет континент. Он
Speaker A
летит через океан в герметичном контейнере и приземляется на острове Тайвань. Здесь располагается город Тайнань. Для физиков и инженеров это настоящий пуп Земли.
Speaker A
Здесь возвышаются гигантские фабрики компании TSMC — одни из самых дорогих и сложных промышленных сооружений на планете. Один только комплекс Fab 18 стоит семнадцать миллиардов долларов — дороже, чем тоннель под Ла-Маншем.
Speaker A
Основал эту компанию Моррис Чанг, когдша ему было за пятьдесят. Его идея была в следующем: не придумывать процессоры самому, а стать независимой «кузницей» для чужих чертежей. Сегодня именно TSMC материализует в кремнии мечты Apple, Nvidia и других компаний.
Speaker A
Внутри фабрики расположены гигантские чистые залы общей площадью в 25 футбольных полей. Воздух здесь фильтруют и меняют шестьсот раз в час. Это самое стерильное место на планете.
Speaker A
Фабрики оснащены сложнейшими системами сейсмической защиты. Специальные демпферы, опоры и платформы уменьшают вибрации, способные нарушить работу сверхточного оборудования. Ниже на отдельных технических этажах, расположены огромные инженерные системы, подающие кислоты, растворители и другие химические реагенты.
Speaker A
В самих производственных залах людей сравнительно немного. И это неудивительно. С точки зрения нанотехнологий человек — просто грязный мешок с отшелушивающейся кожей, дыханием и пылью. Даже микроскопическая частица может испортить структуры будущих транзисторов и сделать дорогостоящую пластину бракованной. Поэтому тысячи операций автоматизированы.
Speaker A
Над головами инженеров по потолочным рельсам скользят роботы, перевозящие кремниевые пластины. Главное таинство на фабрике — фотолитография. Это проецирование схемы чипа на пластину с помощью света, только наоборот. В кинопроекторе маленькая пленка проецируется на огромный экран. Здесь же гигантскую схему уменьшают оптикой до микроскопической точки на кремнии.
Speaker A
Если бы инженеры нарисовали схему современного чипа на листе бумаги со всеми транзисторами, то этот лист был бы шириной в километр и высотой с небоскреб Бурдж-Халифа. А уменьшить его надо до размера почтовой марки.
Speaker A
Обычный видимый свет для этого слиш ком груб. Его длина волны больше самих транзисторов. Поэтому голландская компания ASML создала литографический аппарат размером с автобус стоимостью в сотни миллионов долларов. Он работает в экстремальном ультрафиолете — на длине волны всего тринадцать с половиной нанометров. Это уже граница мягкого рентгена.
Speaker A
Фотолитографическая установка - это по сути, наноскопический копировальный аппарат. Он берет чертеж микросхемы и переносит его на кремний с помощью света. Самая передовая технология называется EUV — экстремальная ультрафиолетовая литография. Принцип ее работы в следующем.
Speaker A
Внутрь машины загружают кремниевую пластину диаметром тридцать сантиметров и шаблон с рисунком схемы. Затем установка вспыхивает ультрафиолетом. Система уникальных зеркал уменьшает луч и проецирует нанометровый узор на поверхность кремния.
Speaker A
Машина делает оттиск, сдвигает пластину на шаг и повторяет операцию. Снова и снова. Всего за восемнадцать секунд она успевает напечатать сотню сложнейших чипов.
Speaker A
Чтобы осознать плотность этой записи, давайте упростим. Допустим, машина печатает не транзисторы, а обычные буквы толщиной в тринадцать нанометров. Слово «кот» займет невидимую точку в сотню нанометров. Страница книги сожмется до размера эритроцита. А длинная глава уместится на одной пылинке.
Speaker A
Если заполнить такими буквами кристалл одного графического процессора, на нем поместятся все тома «Гарри Поттера», полное собрание сочинений Стивена Кинга, вся англоязычная Википедия — еще и останется место.
Speaker A
Вдумайтесь: Такой исполинский объем информации установка переносит на кремний меньше чем за секунду. Полупроводниковая фабрика похожа на фантастический улей. Под потолком по монорельсам бесшумно скользят герметичные контейнеры. Внутри каждого прячутся кремниевые диски. Контейнер опускается к машине, выдает пластины на обработку, забирает обратно и летит к следующей.
Speaker A
Суть этой технологии можно свести к простой метафоре: нанесение краски через трафарет. Роль трафарета выполняет светочувствительный полимер — фоторезист.
Speaker A
Роль «краски» — атомы металлов, газы для травления или потоки ионов. Сначала кремниевый диск раскручивают на центрифуге и заливают тончайшей пленкой фоторезиста. Затем пластина отправляется в литографическую установку. Там пучок ультрафиолета падает на фотошаблон — то есть на кварцевую маску с нанесенной схемой. Отраженный свет проходит через сложнейшую систему
Speaker A
зеркал, уменьшается в размерах и с ювелирной точностью проецирует наномаску прямо на пластину. Там, где упал свет, свойства полимера меняются.
Speaker A
Пластину промывают реактивом, смывая засвеченные участки. Трафарет готов. Теперь в дело вступают «распылители краски». Другие машины вытравливают открытые участки кислотой, бомбардируют кремний ионами бора или фосфора, либо осаждают на него атомы меди и вольфрама. Затем остатки фоторезиста смывают. На поверхности остается готовый наноскопический рисунок.
Speaker A
Но это лишь один слой. Микрочип — не плоский чертеж, а многоэтажный город. В самом низу, на «первом этаже», располагаются миллиарды крошечных транзисторов.
Speaker A
Выше тянутся тончайшие металлические дорожки. Еще выше — магистральные шины питания. Чтобы построить один графический процессор, этот цикл с трафаретом повторяют около восьмидесяти раз. В общей сложности кристалл проходит через тысячу сложнейших операций, а весь процесс занимает около четырех месяцев.
Speaker A
При этом использовать эту передовую литографическую установку для всех восьмидесяти слоев не имеет смысла. Экстремальный ультрафиолет с длиной волны тринадцать с половиной нанометров незаменим для нижних, критических слоев, где транзисторы имеют атомные размеры. Но верхние этажи с широкими проводниками проще и дешевле засвечивать машинами предыдущего поколения.
Speaker A
Сама EUV-машина делится на пять ключевых узлов: генератор излучения, блок освещения, позиционер маски, проекционная оптика и рабочий стол для пластин.
Speaker A
Но прежде чем разберем механику этих узлов, стоит задать главный физический вопрос: почему инженерам вообще пришлось приручать капризный экстремальный ультрафиолет? Неужели нельзя было придумать что-то попроще?
Speaker A
Свет здесь работает точно как маркер. Тонкую линию толстым маркером не провести. Можно слегка наклонить стержень, но предел наступит быстро. Чтобы нарисовать линию шириной в сорок пять атомов, нужен принципиально иной инструмент — невероятно острое лезвие света.
Speaker A
В физике этот предел задает дифракция. Если длина волны больше детали на чертеже, свет просто огибает препятствие, размывая контуры. Обычный синий свет с волной в четыреста пятьдесят нанометров превратит наноузор в мутное пятно. Поэтому инженеры спустились к тринадцати с половиной нанометрам — к экстремальному ультрафиолету.
Speaker A
Но как добыть свет, которого почти нет в природе? Инженеры придумали вот что. Источник света разместили прямо в вакуумной камере машины, превратив ее в миниатюрный ускоритель плазмы.
Speaker A
Все начинается со слитка чистейшего олова. Металл плавят и под давлением азота подают в микроскопическое сопло. Пьезоэлемент вибрирует, дробя струю на крошечные капли. Они вылетают в камеру со скоростью поезда — сто метров в секунду.
Speaker A
Снизу, из подвального этажа фабрики, навстречу этим каплям бьет гигантский импульсный лазер. Видеокамеры отслеживают траекторию каждой капли на лету. В полете ее настигает первый лазерный импульс. Он не испаряет металл, а лишь бьет по нему, превращая шарик в плоский диск — тонкий оловянный блинчик.
Speaker A
Спустя доли микросекунды по расплющенной капле бьет главный лазерный залп чудовищной мощности. Он в десятки раз мощнее промышленных лазеров для резки толстой стали.
Speaker A
Температура олова подскакивает до миллиона градусов, превращаясь в раскаленную плазму. Электроны внутри атомов срываются со своих орбит на более высокие уровни. Возвращаясь обратно, они сбрасывают энергию в виде квантов света.
Speaker A
Инженеры выбрали олово неслучайно: пик его квантового перехода приходится ровно на тринадцать с половиной нанометров.
Speaker A
Этот адский фейерверк повторяется 50000 раз в секунду. Пятьдесят тысяч лазерных ударов и микровзрывов плазмы ежесекундно.
Speaker A
Огромное зеркало-коллектор собирает вспышки этого излучения и направляет концентрированный луч дальше — сквозь крошечное отверстие промежуточного фокуса прямо в оптический тракт машины.
Speaker A
Когда впервые видишь эти кадры, невольно задумываешься: Большинство компаний не разрешают устанавливать камеры для просмотра своей интеллектуальной собственности, а ASML как бы говорит: «Ну давай, попробуй скопировать это».
Speaker A
Так инженеры получили , возможно, самый тонкий маркер во Вселенной. Осталось провести им линию по кристаллу кремния.
Speaker A
После рождения в плазме луч попадает в осветительную систему — иллюминатор. Физика здесь сталкивается с суровым ограничением: экстремальный ультрафиолет поглощается воздухом.
Speaker A
Малейшая молекула кислорода или азота забирает фотоны себе. Поэтому весь оптический тракт машины находится в глубоком вакууме.
Speaker A
Более того, этот свет не проходит сквозь обычное стекло. Линзы бесполезны. Всю работу выполняют зеркала — брэгговские отражатели. Они состоят из десятков чередующихся слоев кремния и молибдена толщиной в несколько нанометров.
Speaker A
Каждый отдельный слой отражает лишь около трех процентов падающего света. Но слои подогнаны так, что отраженные волны складываются в фазе и усиливают друг друга благодаря конструктивной интерференции. В итоге зеркало возвращает до семидесяти процентов излучения.
Speaker A
Остальные тридцать процентов теряются. А поскольку в оптической цепи больше десяти таких зеркал, до кремниевой пластины доходит меньше одной десятой доли исходного света. Вот почему плазменный источник обязан работать с такой сокрушительной мощностью.
Speaker A
Но мало просто отразить луч — его нужно приручить. Для этого свет направляют на фасеточные зеркала.
Speaker A
Первое из них напоминает сложный фасеточный глаз насекомого. Оно собрано из сотен микроскопических зеркал, каждое из которых управляется независимо. Отклоняясь на доли градуса, они перенаправляют пучки света на соседнее зеркало.
Speaker A
Вместе они лепят форму светового потока: кольцевую, квадрупольную или разделенную на два пучка. Но зачем такие сложности? Всё дело в архитектуре самого чипа.
Speaker A
Слои кристалла неоднородны. В одном слое идут только параллельные горизонтальные дорожки. В следующем — крошечные круглые колодцы-контакты. Еще выше — вертикальные проводники.
Speaker A
Если вернуться к аналогии с маркером, фасеточные зеркала позволяют наклонять его наконечник под нужным углом. Кольцевой луч идеально прорисовывает круглые контакты.
Speaker A
Дипольный пучок собирает свет так, чтобы с максимальной резкостью прочертить параллельные горизонтальные линии, а поворот луча позволяет отпечатать вертикальные дорожки.
Speaker A
Машина буквально перестраивает геометрию световой волны на лету, подгоняя физику излучения под каждый новый нанометровый чертеж.
Speaker A
Теперь взглянем на сам чертеж — фотошаблон. Еще его называют ретикулом. Это сердце конкретного слоя микрочипа. Маска стоит около трехсот тысяч долларов и требует маниакальной заботы. Она путешествует в двойном герметичном контейнере. Робот принимает ее, отправляет в шлюз, откачивает воздух и передает другой механической руке уже в чистом вакууме.
Speaker A
На пластине выгравированы крошечные метки. Они позволяют оптическим датчикам выровнять чертеж с точностью до долей нанометра.
Speaker A
Затем маску закрепляют на подвижной платформе. Во время печати этот стол с бешеной скоростью мечется взад-вперед сквозь луч ультрафиолета с ускорением больше семи g — как истребитель на крутом вираже. При этом точность позиционирования остается абсолютной.
Speaker A
Сама маска представляет собой квадрат со стороной пятнадцать сантиметров. Ее основа — знакомый нам брэгговский отражатель, поверх которого нанесен поглощающий ультрафиолет узор.
Speaker A
Чертеж на маске в четыре раза крупнее будущего чипа. Оптика машины уменьшит изображение при переносе.
Speaker A
Если чип огромен, как передовой графический процессор, на маске помещается всего один его кристалл. За смену на тридцатисантиметровом диске кремния удается отпечатать около девяноста таких гигантов. Процессоры поменьше умещаются на шаблоне парами — и тогда с пластины снимают уже почти две сотни чипов. А миниатюрные кристаллы оперативной памяти размещают на маске дюжинами,
Speaker A
получая под тысячу чипов с одного диска за раз. Плотность данных на этом стекле ошеломляет. Это эквивалент двадцати одного миллиона страниц плотного текста — вся мировая классика, научные архивы и Википедия на одной ладони.
Speaker A
На всех этих миллионах «страниц» не должно быть ни единой помарки. Никаких микротрещин, пылинок или случайных дефектов толщиной в несколько атомов. Любая микроскопическая ошибка на маске будет с абсолютной точностью скопирована на каждый последующий чип.
Speaker A
Окей, маска идеальна, луч света откалиброван. Впереди у нас самое сложное — сжать этот исполинский чертеж в четыре раза и сфокусировать его на кремниевой пластине.
Speaker A
На пути между маской и кремнием лежит проекционная оптика — набор особых зеркал. Их задача сжать отраженный световой чертеж ровно в четыре раза и сфокусировать его без малейших искажений.
Speaker A
Предел этой точности диктует уравнение Рэлея. Оно определяет минимальный размер детали, который вообще способен различить свет: длина волны умножается на технологический коэффициент процесса и делится на числовую апертуру оптики.
Speaker A
Длина волны у нас уже предельно мала — тринадцать с половиной нанометров. Технологический коэффициент инженеры выжали почти до теоретического предела.
Speaker A
Остается последний рычаг — числовая апертура, то есть способность оптики собирать световые лучи под широкими углами. Чем шире конус света, который зеркала могут поймать и свести в фокус, тем тоньше интерференционные полосы и тем мельче транзисторы. Инженеры подняли числовую апертуру
Speaker A
до 0,55, перешагнув порог детализации в восемь нанометров. Чтобы собрать такой угол расхождения лучей, зеркала пришлось сделать исполинскими, а саму установку перестроить с нуля.
Speaker A
А тем временем к оптическому узлу машины снизу подается кремниевая пластина. Капсула привозит диск из транспортной сети фабрики прямо к комплексу.
Speaker A
Сначала пластина заезжает в трек-систему: ее крутят, заливают слоем светочувствительного фоторезиста и запекают в печи. Затем робот передает диск через вакуумный шлюз внутрь рабочей камеры. Внутри нее работают два подвижных стола.
Speaker A
Литографическое время слишком дорого, чтобы тратить его впустую. Пока на первом столе печатается наноузор одной пластины, на соседнем столе вторая пластина уже закреплена и сканируется лазерными датчиками. Машина заранее измеряет микрорельеф поверхности. Как только экспонирование завершено, столы меняются местами.
Speaker A
В компании ASML любят голландскую пословицу: «Измерять — значит знать». В мире наноэлектроники это закон выживания.
Speaker A
Проводники и контакты чипа имеют ширину всего десять-двадцать нанометров. Если новый этаж этой наноструктуры съедет относительно нижнего хотя бы на пару нанометров, контакты разомкнутся.
Speaker A
Чип не будет работать. Ошибка превратит всю партию в кремниевый шлак стоимостью в миллионы. Поэтому перед печатью пластину прощупывают светом.
Speaker A
На кремнии вытравлены сотни опорных меток. Оптический датчик считывает координаты каждой из них и строит двумерную карту деформаций.
Speaker A
Ведь от нагрева и предыдущих обработок кристалл неизбежно коробит — где-то на доли нанометра, а где-то и на десятки. Параллельно косой луч света замеряет микрорельеф пластины по высоте. Машина знает каждый холмик и впадину на ее поверхности, чтобы фокус ультрафиолета лег идеально плоско.
Speaker A
Теперь подготовленный стол с пластиной въезжает под рабочий луч. Начинается синхронный танец. Стол с фотошаблоном несется в одну сторону, а стол с пластиной движется параллельно ему.
Speaker A
Но поскольку зеркала уменьшают картинку в четыре раза, нижний стол перемещается ровно в 4 раза медленнее. На ходу он непрерывно подруливает на доли нанометра, компенсируя неровности по составленной карте. При переходе к новому полю скоростная заслонка на мгновение перекрывает луч. Снова синхронный разгон, вспышка, печать. Всего за восемнадцать
Speaker A
секунд сто сложнейших микросхем отпечатываются на диске. Но что делает сам квант света, когда касается кремния? Здесь вступает в силу тонкая радиационная химия.
Speaker A
Поверхность пластины покрыта полимером с генератором фотокислоты. Кванты экстремального ультрафиолета несут огромную энергию. Врезаясь в молекулу полимера, они выбивают каскад электронов.
Speaker A
Эти свободные электроны атакуют молекулы генератора, и в точке удара рождается кислота. Она расщепляет химические связи полимера, делая его растворимым. Состав подобран ювелирно: реакция идет лавинообразно, создавая резкие, вертикальные стенки нанотрафарета.
Speaker A
Засвеченные участки легко смываются проявителем. Теперь давайте разберёмся, как перемещаются пластина и её подвижный стол. Любопытно, что никаких направляющих и рельсов нет — столы буквально парят в воздухе.
Speaker A
Они левитируют на магнитной подушке над платформой из тысячи посто янных магнитов. Электромагниты в основании стола за доли секунды разгоняют его в любом направлении с точностью до микрометров. Лазерные интерферометры ловят малейшее смещение положения.
Speaker A
Саму кремниевую пластину удерживает чистая электростатика. Под ней спрятаны электроды под высоким напряжением. Они притягивают пластину ко дну стола намертво, словно натертый о шерсть воздушный шарик, прилипающий к стене.
Speaker A
Поверх левитирующей платформы установлены миниатюрные пьезоприводы. Они отзываются на импульсы за миллионные доли секунды, подруливая пластину прямо на ходу.
Speaker A
Вместе эти две системы синхронно танцуют: массивная механическая каретка носится с чудовищной скоростью, удерживая точность позиционирования в один нанометр. Это погрешность размером всего в четыре атома кремния.
Speaker A
Как только луч завершает экспонирование, стол тормозит у выхода. Робот забирает диск и передает его в вакуумный шлюз.
Speaker A
Давление плавно возвращают к нормальному атмосферному. Манипулятор отправляет пластину в соседний блок, где проявитель смывает растворенные светом участки полимера, а сушильная камера закрепляет оставшийся нанотрафарет.
Speaker A
Готовую пластину укладывают обратно в контейнер и увозят её дальше по монорельсу фабрики — на следующий технологический этап из тысячи запланированных.
Speaker A
Так выглядит сердцевина технологии, которую по моему не стыдно было бы показать высокоразвитым инопланетянам. Для ее создания людям понадобилось соединить свои знания квантовой физики, термодинамики и оптики. Масштаб лично меня поражает. В процессе создания этого видео я как-будто перенесся в далёкое будущее, попал на космический
Speaker A
корабль... Это настолько впечатляет, что даже сейчас ощущаю мурашки по коже... Кремниевая пластина покидает EUV-установку. Но ее путешествие еще далеко не закончено.
Speaker A
Ее промывают, сушат, покрывают новым слоем химикатов. И весь цикл повторяется заново. Слой за слоем на поверхности формируются новые элементы схемы. Где-то работает экстремальный ультрафиолет, где-то — лазеры попроще. А порой гигантские агрегаты размером с автобус напыляют вещество буквально поштучно, атом за атомом.
Speaker A
Проходят недели, затем месяцы. Пластина наматывает километры по чистым залам, кочуя от станка к станку. Самые быстрые устройства на Земле рождаются удивительно медленно.
Speaker A
За время пути заготовка проживает более десяти тысяч операций. На выходе получается слоеный пирог почти из сотни уровней. При этом для глаза пластина почти не изменилась: толщина каждого слоя ничтожна в масштабах человеческого восприятия.
Speaker A
Уже много лет физики спорят: где же предел? Когда закон Мура упрется в фундаментальные законы природы? Ведь мы действительно подходим к атомарным границам кремния. Не придётся ли вскоре искать ему замену?
Speaker A
Одни говорят об арсениде галлия. Другие вспоминают германий. Но кремний упорно держит удар уже десятки лет.
Speaker A
Правда, в одиночку он больше не справляется. Чтобы чип работал на пределе возможного, инженеры призвали на помощь почти всю таблицу Менделеева. Сегодня в одном крошечном кристалле переплетены свойства 60 химических элементов.
Speaker A
Для сравнения: В восьмидесятые годы инженерам хватало дюжины элементов. В девяностые их число выросло до пятнадцати. Сегодня в одном чипе сплетены свойства уже шестидесяти веществ. А смартфон целиком задействует около семидесяти.
Speaker A
По сути, в нашем кармане лежит памятник прикладной химии за всю историю человечества. Даже квантовые процессоры работают на кремнии. Эти экзотические машины охлаждают почти до абсолютного нуля, до минус 273 градусов. Их электронные схемы могут состоять из алюминия и ниобия, но всё это
Speaker A
по-прежнему располагается на кремниевой пластине. При существующих технологиях мы всё еще можем продолжать уменьшать транзисторы, есть запас на пару поколений.
Speaker A
Примерно на десять лет. А что дальше? Один из вариантов — поступить так же, как поступают города, когда у них заканчивается свободная земля. Начать строить вверх.
Speaker A
Чтобы понять, как это может выглядеть, обратимся к экспериментальным микрочипам IBM. Когда-то IBM самостоятельно производила компьютеры. Но сегодня компания проводит фундаментальные исследования в области полупроводников, результаты которых впоследствии используют такие производители, как Intel. IBM создала прототипы микрочипов с длиной затвора транзистора менее 10 нанометров. В результате на площади размером примерно с ноготь
Speaker A
удалось разместить 100 миллиардов транзисторов. Если рассмотреть их в электронный микроскоп — а увидеть их можно только так, — они напоминают тройной чизбургер без булочек.
Speaker A
Несколько тончайших слоев кремния расположены друг над другом. Толщина каждого слоя сопоставима с толщиной нити ДНК. А между ними находятся специальные химические покрытия.
Speaker A
Итак, транзисторы сформированы. Наша кремниевая пластина готова. Далее ее разрезают на сотни отдельных кристаллов и отправляют в Малайзию. Там их упаковывают в прочный корпус и припаивают тончайшие выводы для системной платы. Затем — новый рейс, на этот раз в Китай.
Speaker A
В гигантских заводских городах этот чип распаивают на плату по соседству с микросхемами. Только здесь он наконец становится частью привычного нам устройства, чаще всего, смартфона.
Speaker A
В повседневной жизни мы много слышим про Apple и Google. Иногда вспоминаем TSMC или голландскую ASML. Нам кажется, что всё держится на двух-трех гигантах. Но это лишь верхушка айсберга.
Speaker A
В тени остаются сотни неизвестных героев. Кто делает алмазные пилы для монокристаллов? Американцы. Кто поставляет фоторезисты невероятной чистоты? Японцы. Кто создает технологии фотошаблонов? Австрийцы. И так далее. Достаточно убрать из этой цепочки одну-две компании — и всё. Больше никаких компьютеров и смартфонов. Над этим стоит задуматься.
Speaker A
Некоторые крупные страны всё громче заявляют о технологическом суверенитете. О намерении вернуть полупроводниковое производство на собственную территорию.
Speaker A
Вашингтон принимает многомиллиардные законы и вынуждает TSMC строить заводы в Аризоне. Пекин десятилетиями накачивает субсидиями курс на импортозамещение. Но воссоздать этот цикл внутри одной границы не выходит.
Speaker A
«Сегодня ни одна страна не способна сделать всё самостоятельно. Даже США, крупнейший участник полупроводниковой цепочки, не могут обойтись без остальных. Они получают литографическое оборудование из Нидерландов, химикаты и материалы из Японии, а самые передовые процессоры производятся на Тайване.
Speaker A
Ни одна страна не может справиться в одиночку. И ни одна даже близко не подошла к этому».
Speaker A
Всё это напоминает живую паутину. Чипов нет без угольных печей, превращающих кварцит в черновой кремний. Очистки кремния нет без хлороводорода. А чистые цеха задохнутся без технического этажа снизу, откуда подаются сотни разных химикатов и газов.
Speaker A
Каждый смартфон, телевизор, компьютер и солнечная панель — это результат труда всей планеты. Инопланетяне: Так для чего вы используете эту передовую технологию? Люди: Напишите свой ответ в комментариях.
Topics:чипыкремнийEUV-литографиязакон МураASMLполупроводникитранзисторыпроизводство процессоровнанотехнологии
