Почему с уменьшением техпроцесса современных процессоров сильно увеличивается скорость их деградации

Деградация – это естественный процесс разрушения внутренних элементов процессора в процессе его эксплуатации, который, возникает от воздействия, протекающего через его внутренние элементы электрического тока и воздействия на них высоких температур. Это приводит к постепенному ухудшению его технических характеристик (параметров), вплоть до его полного выхода из строя.

Признаком деградации процессора является невозможность, спустя некоторое время, работать на своих штатных (разогнанных – стабильных) параметрах (частоте, напряжении питания). Проявляется это в возникновении в определенный момент, и все более частом появлении с течением времени «синих экранов», внезапных выключений, перезагрузок компьютера, возникновении ошибок при прохождении различных тестов. Устраняется это увеличением напряжения питания процессора, или снижением тактовой частоты процессора. Но через некоторое время симптомы повторяются, и требуется дальнейшее повторение вышеуказанных манипуляций. Но наступает момент, когда уже нельзя больше поднимать напряжение питания, и остается лишь снижать тактовую частоту процессора, тем самым снижая его производительность.

Ну а теперь немного «физики» процессов, происходящих при деградации.

Процессор состоит из множества элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов, диэлектрических изолирующих слоев, металлических межсоединений, и другого.

Все эти элементы подвержены деградации от влияния таких физических величин, как ток, напряжение, температура, время воздействия этих негативных факторов. При повышении температуры чипа больше 85 градусов, многоуровневые металлические соединения, контактные переходы и межуровневые диэлектрики подвергаются температурному расширению слоев.

Так как температурные коэффициенты расширения диэлектрика и металла сильно отличаются друг от друга, то возникает давление слоев друг на друга. Это с течением времени может приводить к разрыву и образованию пустот в металлических шинах и контактных переходах, так же, и по тем же причинам может происходить разрушение диэлектрика между металлическими шинами.

Еще одно воздействие высокой температуры – это деградация МОП транзисторов, происходящая при повышенной температуре, выше 85 градусов и отрицательном напряжении на затворе транзистора. Это приводит сначала к образованию ловушек, а затем захвата ловушками дырок из канала в подзатворном окисле. Эта деградация происходит без протекания тока через канал транзистора. А при воздействии тока, со временем можно наблюдать такой процесс, как электромиграция. Это физическое перемещение атомов металла под воздействием протекающего через металлические шины тока. Вследствие электромиграции возможно появление утолщений (скопление атомов металла) в одном месте, и образование пустот в другом месте. Металлическая разводка в кристалле процессора очень плотная. И соседние металлические шины расположены друг от друга, на минимально допустимом по технологии расстоянии. И утолщение одной из шин может привести к закорачиванию с соседней шиной.

Что может привести, как к повышению токов утечки, так и полному замыканию и отказу одного из участка схемы и как следствие неработоспособности всей схемы. Образование пустот в металлических шинах, напротив, может привести к обрыву шины, и не возможности передачи по ней сигналов, или же к значительному увеличению сопротивления в месте возникновения пустоты, и недопустимому затуханию (потери) сигнала на этом участке, что также приведет к неработоспособности всей схемы в целом. На изображениях сделанных электронным микроскопом видно состояние металлической шины после длительного влияния вышеуказанных факторов. Тут видно и образование утолщений и образование разрывов вызванных протеканием тока.

А на этом снимке темная область – это пустота, образовавшаяся внутри металлической шины.

Так же под воздействием электрического поля через диэлектрик протекает туннельный ток. Из-за несовершенства структуры диэлектрика, и воздействия туннельного тока происходит локальная деградация изолирующих свойств диэлектрика и образование дефектов. В дальнейшем увеличение количества дефектов приводит к образованию «закоротки» между обкладками конденсаторов и (или) металлическими соединительными шинами, и пробою диэлектрика.

Деградация МОП транзисторов, при протекании через них тока происходит следующим образом: под воздействием протекающего электрического тока по цепи исток – канал – сток, из области истока происходит диффузия ионов металла в полупроводниковую область канала. Тем самым делая канал МОП транзистора проводником электрического тока. При малой концентрации ионов металла в канале МОП транзистора, происходит увеличение тока утечки, и как следствие увеличивается тепловыделение процессора, и его температура, процессор при этом начинает сбоить. В этом случае помогает увеличение запирающего напряжения на затворе транзистора, которого можно достичь поднятием общего напряжения питания процессора. Но при этом еще больше увеличится температура и токи, что еще больше ускорит деградацию и ухудшение всех параметров процессора. При дальнейшем увеличении концентрации ионов в канале МОП транзистора, сопротивление канала становится очень низким, через него начинает протекать ничем не регулируемый ток, и работоспособность всей схемы процессора нарушается. Деградация параметров МОП транзисторов под воздействием горячих (высокоэнергетических) носителей заряда происходит по причине инжекции этих носителей заряда разогнавшихся в электрическом поле канала транзистора, и обладающих необходимой энергией для преодоления барьера Si-SiO2 (полупроводник – окисел) в подзатворный окисел, оседая, и накапливаясь там.

И чем меньше техпроцесс изготовления, тем меньше этот барьер перехода, и тем легче носителям заряда попадать в подзатворный окисел. Со временем эти накапливающиеся носители заряда начинают оказывать влияние на электрическое поле формируемое затвором. И вследствие этого происходит сдвиг вольт – амперной характеристики транзистора, то есть изменение его параметров.

Теперь зная физические процессы, происходящие в кристалле процессора, разберемся, почему же все современные процессоры, производящиеся по техпроцессам с малыми значениями, подвержены деградации в разы быстрее, чем например их предшественники 7 – 15 летней давности. С уменьшением техпроцесса происходит уменьшение всех внутренних элементов процессоров, увеличивается плотность упаковки элементов. Например, уменьшение толщины диэлектрика, уже само по себе снижает его электрическую прочность (напряжение, при котором произойдет его пробой), так еще и увеличивается электрическое поле, воздействующее на диэлектрик между сблизившимися обкладками конденсатора или металлическими соединительными шинами. Как мы помним из курса школьной физики уменьшение толщины диэлектрика между обкладками конденсатора, и сближение обкладок друг с другом, приводит к увеличению электрического поля между ними. Что приведет к более быстрому разрушению диэлектрика в современных процессорах, нежели это происходило в старых процессорах, где толщина диэлектрика в разы больше. При уменьшении поперечного сечения металлических соединительных шин и размеров МОП транзисторов, происходит увеличение плотности тока протекающего через них, что приводит к ускоренному развитию пустот и расширений на металлических шинах и электромиграции ионов металла в каналы МОП транзисторов. Процесс деградации будет сильно ускорен при неправильном разгоне процессора, при котором напряжение питания будет сильно завышено. И при неправильном температурном режиме процессора. Таким образом, благодаря современным техпроцессам производства процессоров, теперь абсолютно любой пользователь станет свидетелем деградации своего процессора, после хотя бы пятилетнего периода его использования. Чего не могли предоставить пользователям старые процессоры с большими техпроцессами. Ну, например Pentium 4 (техпроцесс 90 нм.) или FX 8320 (техпроцесс 32 нм.), у которых деградация не сильно то и проявлялась, и через десятилетия их использования. А у современных процессоров, например у Intel Core i9-10900 техпроцесс 14 нм., у Ryzen 9 5950X техпроцесс 7 нм., ну не совсем и честных нужно сказать, хитрят, опять хитрят хитрецы, деградация даст о себе знать уже лет через 3 – 5. Пожалуй Ryzen 9 5950X будет лидером в гонке деградации. Ну и эти свойства современных процессоров накладывают особенность при их покупке на вторичном рынке. Если б/у процессоры старых годов выпуска можно было покупать не опасаясь, что их параметры уже не те, так как нужно было очень сильно постараться, чтобы подвергнуть их сколь-нибудь заметной деградации. То современные б/у процессоры, можно с большой вероятностью приобрести уже «убитыми». Ибо их деградация успела посетить основательно. Нужно иметь это ввиду при покупке б/у современных процессоров. Хотя может и правильно, что ресурс в современные процессоры закладывается на период времени их актуальности, на срок 3 – 5 лет. А не так как старые процессоры, которые работают уже по 20 лет без признаков деградации, но морально устарели уже как лет 15 тому назад.