Экскурсия по музею Intel: 38 лет истории x86 и многое другое

В дополнение к репортажу с конференции Intel Developer Forum, которая завершилась недавно в Сан-Франциско, расскажем еще об одном интересном событии — мы нашли время, чтобы побывать в музее компании, который находится в ее центральном офисе в Санта-Кларе. Хотя это довольно скромная по размерам экспозиция, она содержит образцы наиболее исторически значимых продуктов компании.

Intel известна как создатель первого в мире одночипового микропроцессора (как сейчас сказали бы, CPU on Сhip — по аналогии с термином SoC, System on Chip) и набора команд x86, но это не единственная сфера, в которой калифорнийский гигант снискал славу первопроходца или как минимум локомотива развития определенных технологий. В недавне прошлом именно Intel показала, что SSD суждено стать незаменимым компонентом массового ПК, выпустив привод Intel X25-M — первый по-настоящему успешный накопитель на базе MLC-памяти, долгое время служивший эталоном производительности в этой категории. А в прошлом месяце мы увидели, на что в действительности способны SSD с чипами памяти совершено нового типа — XPoint. При этом мало кто знает или помнит, что первую микросхему DRAM, без которых немыслим любой современный компьютер, тоже выпустила Intel.

Мы хотим показать читателям устройства, лежащие в основании империи, которой стала компания Intel, и рассказать, чем именно каждое из них помогло сделать персональный компьютер таким, каким мы его знаем сегодня, — быстрым и удобным, компактным ноутбуком или мощным сервером. Не сомневаемся, что многие из посетителей 3DNews помнят эту историю и держали в руках процессоры Intel прошлых времен. Но есть и новички, в которых интерес к компьютерной технике проснулся не столь давно по меркам этой стремительно развивающейся индустрии. Наша краткая экскурсия по музею Intel предназначена в первую очередь для них.

⇡#От песчинки до процессора: как делают микросхемы

Пространство музея Intel делится на две части — выставку устройств и экспонаты, иллюстрирующие процесс производства интегральных схем. Знатокам, читающим эту статью, не нужно объяснять, каким образом производят процессоры. Некоторые из менее опытных читателей, напротив, видели в наших обзорах только большие полупроводниковые пластины, содержащие десятки и сотни чипов, которые затем находят место в процессорах, видеокартах и модулях памяти. Однако пластина — это лишь конечный этап долгого и сложного процесса.

Стенд музея, который вы видите на фото, рассказывает о том, что происходит на каждом этапе производства микрочипа. Мы кратко повторим эту информацию, пользуясь дополнительными иллюстрациями.

Все начинается с кусков высокоочищенного кремния (не более 1 миллиардной доли примесей), который фабрика извлекает из кварцевого песка. Затем из расплавленного при температуре 1425 °C кремния по т. н. методу Чохральского формируется огромный слиток весом несколько сотен килограммов, имеющий, в отличие от кристаллов, встречающихся в природе, единую кристаллическую решетку, практически лишенную дефектов. Для этого в тигель с жидким кремнием на длинном стержне погружают затравочный кристалл и извлекают, вращая с точно контролируемой скоростью.

Минералы, содержащие кремний

Легирующие добавки в виде таких элементов, как бор, фосфор и др., используются для того, чтобы изменить электрические свойства материала — сделать его полупроводником p-типа (преобладающий метод в производстве пластин) или n-типа. Здесь многим из читателей потребуется вспомнить курс физики или восполнить знания самостоятельно. Увы, эта статья — всего лишь рассказ о музее Intel, она не претендует на полноценное введение в принципы работы полупроводников и транзисторной логики.

Для того чтобы получить круглые пластины, на которых будут сформированы будущие процессоры, кристалл кремния распиливают тончайшей проволочной пилой. Первые микросхемы Intel были выполнены на базе пластин диаметром 2 дюйма (51 мм). Наиболее распространенная технология сегодняшнего дня производит пластины диаметром 300 мм, которые имеют толщину 0,775 мм. Следующий шаг, пока ограниченный экспериментальным применением, увеличит диаметр пластин до 450 мм.

К слову, готовые пластины, которые демонстрируют публике производители микросхем, на самом деле слишком тонки, чтобы держать в руках, поэтому их покрывают стеклом с обеих сторон. На производстве для переноски пластин используются специальные инструменты и емкости.

Структура микросхемы на полупроводниковой пластине образуется с помощью фотолитографии. Вот основные шаги этого чрезвычайно изощренного процесса.

1. На пластине формируется слой изолятора — оксида кремния (SiO).
2. Наносится слой т. н. фоторезиста. Позитивный фоторезист (наиболее распространенный тип) становится растворимым в определенном проявителе (developer) в результате воздействия света.
3. Свет проецируется на пластину сквозь фотомаску, рисунок которой в увеличенном виде задает структуру тех элементов транзисторов, которые формируются на данном этапе. Заметьте, что на макете полупроводниковой фабрики с одной из фотографий т. н. чистые комнаты, где проходит фотолитографический процесс, залиты желто-оранжевым светом. Это снижает риск паразитной засветки фоторезиста.
4. Экспонированные участки фоторезиста смываются проявителем.
5. Участки SiO на поверхности пластины, более не защищенные фоторезистом, вытравливаются едким веществом.

Источник иллюстрации — Wikipedia

Процедура повторяется несколько раз с добавлением новых операций. Одна из итераций включает т. н. ионную имплантацию — бомбардировку кремниевого основания (представляющего собой полупроводник p-типа) ионами, которая в результате создает участки полупроводника обратного типа (n), которые являются двумя компонентами транзистора — истоком (source) и стоком (drain). Нанесение слоя поликристаллического кремния с последующей протравкой создает затвор (gate) транзистора.

Источник иллюстрации — Wikipedia

Когда транзисторы готовы, по такому же принципу создаются наиболее многочисленные слои в микросхеме (их бывает до 12), содержащие металлические соединения. Современная полупроводниковая пластина проходит около 50 итераций фотолитографического процесса, финальную обработку поверхности (в итоге которой пластина приобретает обычную для готовых микросхем толщину), не говоря уже о множественных этапах промежуточного тестирования. В конце концов микросхемы вырезают из пластины механическим способом и упаковывают в подходящие корпуса.

⇡#От Intel 4004 до Intel Core

Изготовление современных микросхем и перспективы его развития в будущие годы — чрезвычайно обширная тема, достойная более подробного рассказа. Продолжим экскурсию по музею Intel кратким обзором образцов, обозначающих основные вехи истории компании.

Основным продуктом для Intel в первые годы ее существования (с основания в 1968 году и до начала 1980-х) были микросхемы памяти. Двумя первыми изделиями, выпущенными Intel в 1969 г., стали чипы статической памяти с произвольным доступом (SRAM) Intel 3101 и Intel 1101.

Среди двух устройств, разработку которых Intel вела параллельно, первое было завершено и попало на рынок быстрее. Intel 3101 использовал ячейки на основе транзисторов Шоттки: собственно транзистор в сочетании с диодом Шоттки. Последний компонент является неотъемлемой частью подавляющего большинства импульсных блоков питания, об устройстве которых вы можете прочитать в нашем путеводителе, а в памяти SRAM технология на транзисторах Шоттки уступила место транзисторам типа MOSFET.

Пионерским продуктом такого типа стал чип Intel 1101. Тогда это была дискретная микросхема в компьютере, а впоследствии SRAM стали интегрировать непосредственно в ядро микропроцессора, где она используется как кеш благодаря высокой скорости передачи данных и отсутствию необходимости постоянно обновлять сохраненную информацию. Впрочем, дискретные чипы SRAM использовались еще весьма долго — к примеру, в CPU Intel слотового форм-фактора вплоть до Pentium III.

Intel 1101 и 3101 — первые чипы памяти SRAM от Intel

Intel также принадлежат лавры создателя первой в мире микросхемы динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) — Intel 1103 (1970 г.). Модули оперативной памяти, набортная память видеоадаптеров, кеш контроллера в SSD — все эти и множество других компонентов компьютера основаны на памяти типа DRAM, не столь высокочастотной, но более плотной и дешевой по сравнению с SRAM.

Еще одним типом памяти, в производстве которого Intel была пионером, стал EPROM (Intel 1702, 1971 г.). Для устройства, оснащенного чипом EPROM, эта энергонезависимая память не является изменяемой, т. к. для записи используется программатор, прилагающий к ячейкам повышенное напряжение. Стирается содержимое EPROM под воздействием ультрафиолетового излучения, для чего на чипах, как правило, предусмотрено заклеенное окошко. EPROM типично использовалась для хранения прошивок микроконтроллеров и BIOS в ПК. Впоследствии место EPROM заняла технология EEPROM, позволяющая перезаписывать содержимое чипа средствами готового устройства. Ее тоже впервые представила на рынке Intel (чип Intel 2816, 1980 г.)

Intel 1702 и 2816 — первые чипы памяти EPROM и EEPROM

Макет Intel 4004 в увеличенном масштабе

Что касается центральных процессоров, то в этом году Intel отметила 10-летнюю годовщину архитектуры Core. С 2006 года эти процессоры остаются непревзойденными по производительности среди всех CPU, совместимых с набором команд x86. Не будет преувеличением сказать, что Intel на данный момент делает самые быстрые процессоры общего назначения для настольных ПК, ноутбуков и серверов. Это положение сохраняется так долго, что все перипетии предшествующей истории CPU окончательно ушли в прошлое и потеряли связь с современными компьютерами в памяти большинства их владельцев. Вспомним, какой вклад в успех современных CPU внес каждый из процессоров, хранящихся в музее Intel.

Широким массам среди изобретений Intel больше всего известен первый в мире микропроцессор — Intel 4004, выпущенный в 1971 г. Его новшество было в том, что именно Intel 4004 впервые объединил все этапы выполнения инструкций в одной микросхеме. Какой бы простой ни была логика CPU в те времена, лишь изобретение разновидности фотолитографического процесса, образующего транзисторы с затвором из поликристаллического кремния (который мы описали в первой части статьи), которое состоялось всего за три года до Intel 4004, позволило решить эту задачу.

Intel 4004 и другие микросхемы Busicom 141-PF

Intel 4004 производился по техпроцессу с шагом 10 мкм. Он содержит около 2 300 транзисторов в ядре площадью 12 мм². Тактовая частота CPU составляет 1 МГц. Процессор был создан Intel по заказу японской компании Busicom для калькулятора Busicom 141-PF. Помимо Intel 4004, в состав устройства вошли три другие микросхемы: чип ROM Intel 4001, RAM — Intel 4002 и регистр сдвига Intel 4003 (выполнявший преобразование из последовательного в параллельный интерфейс).

Busicom 141-PF

Дальнейшие экспонаты также не нуждаются в долгом представлении. Вот IBM PC 5150, родоначальник «персональных компьютеров» как торговой марки, которая затем поглотила или вытеснила множество других платформ, воплощавших идею компьютера для одного человека — в противоположность громадным мейнфреймам, используемым коллективно. В основе IBM PC лежали два компонента, определившие облик большинства компьютеров на рабочем месте и дома на долгие годы вперед: операционная система MS-DOS и процессор с набором инструкций x86, созданный Intel (Intel 8086, выпущенный в 1978 году). Обратная совместимость с 16-битным Intel 8086 сохраняется в процессорах x86 до сих пор: теоретически код, написанный для 8086, можно запустить на современной системе.

IBM PC 5150

На следующей фотографии собраны процессоры Intel, начиная с 80286 и заканчивая Pentium II.

Напомним вкратце, чем замечателен каждый из них.

• 80286 — первый CPU в семействе x86, способный работать в т. н. защищенном режиме, который обеспечивает поддержку виртуальной памяти. Как следствие, стала возможна вытесняющая многозадачность — исполнение кода одной программы, не угрожающее данным другой программы.
• 80386, или i386, — первый 32-битный процессор Intel.
• i486 — первый CPU семейства x86, пробивший потолок в 1 млн транзисторов. Intel также впервые интегрировала в ядро сопроцессор, выполняющий вычисления с плавающей точкой. Ранее это был дискретный компонент.
• Pentium — новаторский чип, впервые для Intel воплотивший суперскалярную архитектуру (возможность исполнять несколько инструкций одновременно).
• Pentium Pro — один из ключевых этапов эволюции процессоров Intel, представивший функцию внеочередного исполнения инструкций, критически важную для быстродействия современных CPU. Другой фундаментальный факт: начиная с этого момента центральные процессоры Intel больше не исполняют внутри инструкции набора x86, а преобразуют их в короткие микрооперации фиксированной длины (наподобие набора инструкций RISC).

P6, микроархитектура Pentium Pro, легла в основу процессоров Pentium II и Pentium III. А дальше следует этап истории, гораздо лучше знакомый большинству читателей 3DNews. Intel избрала в качестве архитектуры для будущих CPU Pentium 4 (2000 г.) совершенно новый дизайн — NetBurst. Будущее NetBurst, полагающейся на тактовую частоту как основной источник быстродействия, создатели просматривали вплоть до отметки в 10 ГГц.

Однако, столкнувшись с проблемой повышенного тепловыделения в финальные годы Pentium 4 и Pentium D, Intel была вынуждена вновь обратиться к архитектуре P6 (которая, с рядом изменений, все еще использовалась в мобильных CPU Pentium M) и создать на основе ее принципов сверхуспешную архитектуру Core (Core 2 Duo/Quad).

Виртуальная экскурсия по музею Intel подошла к концу. Наш рассказ нисколько не претендует на исчерпывающую биографию продуктов этой компании. В конце концов, сама экспозиция включает только наиболее славные или значимые устройства Intel. Напротив, специализированные продукты (такие как чипы с архитектурой MIC для ускорителей Xeon Phi) здесь отсутствуют, как и представители направлений, которые Intel прекратила развивать (например, процессоры с набором команд ARM или Itanium) либо не довела до коммерческой реализации (графический процессор Larrabee).

Тем не менее экспонаты небольшого музея Intel раскрывают свою прелесть только тогда, когда известна стоящая за каждым из них история, поэтому надеемся, что сжатый комментарий в этой статье оказался интересным для наших читателей.