Dass Mikrochips allgegenwärtig sind wurde uns in den letzten Monaten mit deren Knappheit vor Augen geführt. Viele Industriezweige mussten die Produktion unterbrechen oder reduzieren, da sie die benötigte Stückzahl an Mikrochips nicht beschaffen konnten. Doch wie wird überhaupt so ein Chip entworfen? Wie bekommt man die Komplexität von mehreren Milliarden Schaltelementen überhaupt in den Griff und wie gelangen diese Schaltkreise schlussendlich auf / in das Silizium?
Mit der Erfindung des Transistors 1947 beginnt die Ära der Halbleiter, wobei es noch fast 10 Jahre dauerte, bis die Technologie marktreif war bzw. der wahre Wert dieses Bausteins erkannt wurde. In den 1960-er Jahren kamen die ersten integrierten Schaltkreise (IC) auf, welche mehrere Bauteile, wie Dioden, Transistoren etc. auf einem Halbleiterplättchen (▶️Chip / Die) vereinen.
Durch weitere Verkleinerung konnten alle benötigten Funktionseinheiten, um Anweisungen eines Computers ausführen zu können, wie Rechenwerk (ALU), Steuerwerk (CU), Register und Ein-/Ausgabe-Systeme, auf einem Halbleiter vereinigt werden. Der Mikroprozessor war geboren. Texas Instruments war hierbei mit dem 1971 vorgestellten TMS1000 der Pionier, wobei dieser erst 1974 als eigenes Produkt vermarktet wurde. Deshalb wird von vielen der ebenfalls 1971 veröffentlichte Intel 4004 als erster Mikroprozessor angesehen.
Wobei aber: In 1998 freigegebenen Dokumenten des US-Militärs ging hervor, dass schon zwischen 1968 und 1970 von Garrett AiResearch ein Mikroprozessor und Chipsatz für das Flugkontrollsystem des Flugzeugs F-14 Tomcat entwickelt wurde (➡️ https://firstmicroprocessor.com/).
Danach ging es rasant vorwärts und die Integrationsdichte stieg von 2300 Transistoren beim Intel 4004 auf knapp 40’000’000’000 bei einem AMD Epyc Serverprozessor.
Der Designprozess eines Chips kann grob in fünf Phasen unterteilt werden:
⏺ Festlegung der Funktionen und Anforderungen (Spezifikation)
⏺ Funktionsentwurf und -prüfung
⏺ Physikalischer Entwurf und Verifizierung
⏺ Verpackung
⏺ Fertigungstest
Diese Phasen können wiederum in verschiedene Subaufgaben unterteilt werden, die je nach Produkt anders aussehen.
So bald man definiert hat, was der Chip für Anforderungen zu erfüllen hat, wird damit begonnen, die funktionalen Einheiten zu erstellen, die notwendig sind, um diese Anforderungen abzubilden. Um die Komplexität herunter zu brechen, versucht man einzelne Desingblöcke zu erstellen, deren Funktionalität möglichst unabhängig simuliert werden kann. Dies ermöglicht es verschiedenen Teams gleichzeitig an der Entwicklung der einzelnen Blöcke zu arbeiten, was den Designprozess deutlich beschleunigt.
Das Design von Chips wird seit den frühen 80-er Jahren durch sogenannte EDA-Software (Electronic design automation) unterstützt. Diese übernimmt – oder zumindest erleichtert – diverse Funktionen im Designprozess, wie optimiertes Layout der Leiterbahnen, Verifikation der korrekten Funktion von Schaltungsblöcken etc.
Die Komplexität heutiger Mikroprozessoren ist jedoch so hoch, dass nicht einmal mehrere hundert Personen umfassende Desingteams mit konventioneller EDA-Software ausreichen, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Deshalb haben die grossen Hersteller von Entwurfssoftware, wie Synopsys oder Cadence Design Systems, damit begonnen künstliche Intelligenz (AI-) Module in ihre Produkte einzubauen. Diese ermöglichen verschiedene Chipblöcke automatisch zu designen, zu testen und / oder zu optimieren.
Ob sich damit die Entwicklungskosten, welche bei komplett neudesignten, komplexen Mikroprozessoren in die Mrd. CHF gehen kann und mehrere Jahre dauert, reduzieren lassen oder ob damit „bessere“ Prozessoren erstellt werden können, wird sich wohl bald einmal zeigen.
Ist der Logik- und Layoutentwurf erstellt und die Prüfung abgeschlossen, muss die Schaltung in einem Testlauf verifiziert werden. D.h. die bis anhin nur in Form von Plänen existierende Schaltung wird in das Halbleitermaterial „gegossen“. Dazu müssen die Masken zur Belichtung erstellt werden mit welchen man in den Belichtungsanlagen die Strukturen auf das heute hauptsächlich verwendete Silizium überträgt. Das Silizium liegt in sogenannten Wafern vor, auf denen eine Vielzahl von einzelnen Chips produziert wird. Die einzelnen Schaltungen (Dies) werden meist noch auf dem Wafer getestet bevor diese Siliziumscheibe in die einzelnen Dies zersägt wird.
Bei den ersten Fertigungstests wird überprüft, ob die geplante Schaltung überhaupt in dieser Form gefertigt werden kann und wo allenfalls Probleme entstehen. Ist der Funktionstest bestanden bzw. die Schaltung entsprechend überarbeitet worden, dann müssen die einzelnen Dies verdrahtet und verpackt werden. Da heutige Mikroprozessoren teilweise über tausend Anschlüsse (Pins) haben und man es mit kleinsten Strukturen zu tun hat, ist auch dieses Unterfangen nicht trivial. Es gilt die Verdrajtung so zu gestalten, dass sie fehlerfrei funktioniert, aber auch die Verpackung zuverlässig, schnell und platzsparend möglich ist.
Sind die einzelnen Praxistests bestanden und alle Schritte optimiert, kann die Serienfertigung angegangen werden.
➡️ Weitere Information zur Chipfertigung findest Du z.B. beim grössten Hersteller von Lithographiesystemen ASLM.
Chemische und physikalische Hintergründe sind bei halbleiter.org zu finden.
Ende August fand die 33. Hot Chips Konferenz statt. Dabei treffen sich primär Exponenten aus der High Performance Chip-Szene und stellen die neusten Produkte und Entwicklungen vor. Wer sich für die Materie interessiert, findet zu (fast) allen Tracks Mitschriften bei Anandtech:
➡️ https://www.anandtech.com/tag/hot-chips-33
Nebst vielen Weiterentwicklungen der grossen Chiphersteller, wie Intel, AMD und Nvidia hat es aber auch Neuerungen, die die nächsten Chipgenerationen stark beeinflussen werden. Z.B. neue Packaging-Techniken mit immer granularerem 3D-Stacking oder Cache-Virtualisierung, wie in IBMs zukünftigem Mainframe-Prozessor Telum, welcher auf physische L3- und L4-Caches verzichtet.
