2015 m. liepos 23 d.

Domenų vardų sistema (DNS)


Kaip jau visi nepastebėjo šio blogo adresas pasikeitė iš vangaus skarware.blogspot.com į kur kas patrauklesnį europietišką variantą – blogas.skarware.eu. Ta iškilminga man proga nusprendžiau parašyti trumpą įrašą straipsnį apie internetinius vardinius adresus, vadinamuosius domenus, o jei tiksliau kalbant, apie domenų vardų sistemą, kuri yra svarbi ir būtina Interneto infrastruktūros dalis.

Šiame blogo įraše bandysiu paprastai, tačiau sąžiningai techniškai atsakyti į sekančius klausimus:
  • Kas yra domenas ir kokia jo paskirtis?
  • Kas yra domenų vardų sistema (DNS)?
  • Kaip veikia domenų vardų sistema (DNS)?

Domeno sąvoka


Domenas (angl. domain name) – tai unikalus vardinis adresas Internete (pvz.: skarware.eu ar google.lt) per domenų vardų sistemą (DNS serverius) nukreipiamas į jam priskirtą skaitinį IP* adresą (pvz., 195.12.176.35), kuriame randasi svetainės tinklo serveris ar kiti tinklo resursai. Iš tikrųjų prie Interneto prijungti kompiuteriai komunikuoja tik per unikalius skaitinius IP adresus.

* IP – Interneto protokolas – rinkinys taisyklių, kurios apibrėžia komunikavimą tarp interneto tinklo dalyvių. Kompiuteriai naudojantys šį protokolą turi tuo metu unikalų IP adresą, kuris leidžia juos identifikuoti interneto tinkle.

Vardiniai domenai surišti su skaitiniais IP adresais palengvina prieigą prie žiniatinklio svetainės, ar kito tinklo ištekliaus, nes žmogaus protui daug lengviau įsiminti žodinius adresus nei sudarytus iš skaičių* (pvz., 195.12.176.35). Be to, domeno savininkas gali nevaržomai pakeisti savo svetainės talpinimo paslaugų tiekėją. Šiuo atveju paprastai keičiasi svetainės IP adresas, kurį galima nesunkiai perrišti administruojamam domenui. Tik įsivaizduokite koks sudėtingas paslaugų tiekėjo keitimo procesas būtų be domenų, norint išsaugoti savo svetainės lankytojus tektų juos visus informuoti apie besikeičianti skaitinį IP adresą.

* Iš tiesų, šiuo metu plačiausiai naudojama Interneto Protokolo versija IPv4 adresams užrašyti naudoja dešimtainės skaičiavimo sistemą, t. y. naudoja tik skaitmenis (pvz., 195.12.176.35). Vis dėlto naujos versijos Interneto Protokolo IPv6, pakeisiantį IPv4 protokolą, adresai užrašomi šešioliktainės skaičiavimo sistema, todėl adrese atsiranda ir pirmųjų lotynų abėcėlės raidžių: a, b, c, d, e, f (pvz., 2a00:1450:400c:c05::5e).

Kodėl vyksta perėjimas nuo IPv4 prie IPv6? IPv4 protokolas projektuotas apie 1980 metus, tuo laiku internetas buvo naudojamas daugiau mokslinių tyrimų centrų ir karinių vienetų apjungimui, todėl buvo manoma, kad 32 bitų adresų erdvė yra optimalus variantas su didele atsarga į ateitį. Žmonių kalba kalbant 32 bitai duoda apie 2^32 ≈ 4,3 milijardus IP adresų. Vadinasi, jei visi žemės gyventojai – šiandien apie 7,4 milijardai – turės po kompiuterį ar kitą įrenginį jungiama prie interneto – jiems neužteks IP adresų prisijungti prie internetų! Retas kuris galėjo numatyti, jog po 30-ties metų beveik kiekvienas žmogus turės kišeninį interneto įrenginį, to nenumatė ir Back to the Future scenaristai 1989 metais. Šią problemą dalinai/laikinai išsprendė NAT (network address translation), vis dėlto perėjimas prie IPv6 yra racionalesnis sprendimas, kuris išspręs ne vieną su IPv4 susijusią problemą. Vienas ryškiausių patobulinimų Interneto Protokole yra adresų erdvės išplėtimas iki 128 bitų, tai apie 2^128 ≈ 340 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 IP adresų įrenginiams prie internetų prijungti. Kam tiek daug jei mūsų žemėje tik apie 7 400 000 000? Galbūt iš anksto ruoštasi tarpgalaktiniam internetui, ar tiesiog bijota dar kartą prašauti pro šalį. Vadinasi, IPv6 adresų užteks ne tik skalbimo mašinoms, šaldytuvams, durų skambučiams, laikrodžiams, bet ir atskiriems jų vidiniams komponentams, artimiausią šimtmetį? :)

Unikalų ir tik jums pavaldų domeną nesunku įsigyti. Vienas iš didžiausių Interneto vardų registratorių Lietuvoje yra UAB „Interneto vizija“: http://www.iv.lt (paspaudus ant šio nuorodos už kiekvieną užregistruotą domeną gausite 20% domeno kainos premijos pavidalu). Ši įmonė dažnai siūlo žemiausias kainas naujiems domenų registravimams bei turi gana patogią domeno zonos valdymo panelę, kuri leidžia nesunkiai nukreipti jūsų domeną į norimos svetainės, tinklaraščio ar kito Interneto ištekliaus IP adresą.

Registruojant naują domeną patartina jį registruoti keliems metams į priekį, nes pirminėje domeno registracijoje įkainiai dažnai būna su nuolaida, beveik visada gerokai žemesni nei jau turimo domeno valdymo pratesimo įkainiai. Domenas yra unikalus – niekas kitas po jo užregistravimo negali naudoti tokio paties vardo. Tačiau pasibaigus domeno registracijos laikotarpiui ir laiku nepratęsus jo valdymo teisių, domenas yra pašalinamas iš registro ir vėl viešai prieinamas naujai registracijai.

Trumpiausias terminas domeno registracijai yra 1 metai, o ilgiausias 10 metų. Šios ribos svyruoja priklausomai nuo registratoriaus, paslaugos tiekėjo.

Domenų vardų sistema (DNS)


DNS – abreviatūra iš „Domain Name System“ (liet. domenų vardų sistema), tai hierarchinės struktūros paskirstytoji vardų sistema (angl. distributed system), skirta prieigai prie kompiuterių tinklo prijungtų išteklių palengvinti, jų vardų valdymui ir organizavimui.

Bendrai kalbant ši sistema naudojama domenų konvertavimui į IP adresus (ir atvirkščiai). Iš tiesų ši sistema prie domeno pririša daugiau viešai matomos informacijos nei tik IP adresą. Ją galima peržiūrėti su sisteminiais įrankiais (Unix tipo sistemoje: whois, dig, nslookup) pateikus užklausą informacijai apie domeną gauti į vieną iš DNS serverių.

Užklausa į DNS serverį adresu 8.8.8.8 su DiG sisteminiu įrankiu

Dalį šios informacijos savo domenui galima administruoti pačiam per nuosavą autoritetinga DNS serverį arba registratoriaus tiekiamą domeno valdymo panelę. Praktikoje reikalaujama, jog kiekvienas domenas turėtų bent du autoritetingus DNS serverius, viešai skelbiančius informaciją apie domeno zoną. Taip siekiama užtikrinti domeno paslaugų pasiekiamumą, net jei vienas domeno autoritetingas DNS serveris taptų nepasiekiamas.

DNS sistemą sudaro daugiau nei milijonas hierarchinėje struktūroje veikiančių DNS serverių, kurie kartu suformuoja paskirstytąją duomenų bazės sistemą, talpinančią milijonus įrašų apie registruotus domenus ir jų subdomenus. Per parą ši sistema sėkmingai apdoroja šimtus milijardų užklausų. Be domenų vardų sistemos Internetas kokį mes jį šiandien žinome – negalėtų egzistuoti.

Techniškai DNS labai sudėtinga paskirstytoji vardų sistema (angl. distributed system), todėl jos struktūra ir veikimo principas toliau bus apžvelgtas tik aukščiausiame lygmenyje.

Domenų vardų sistemos struktūra


Šakniniai vardų serveriai


Kaip jau minėta, DNS sistema yra hierarchinė – sudaryta iš zonų, susijusių priklausomumo ryšiais. Vadinasi kai kurie tą sistemą sudarantys DNS serveriai yra svarbesni už kitus, turi daugiau autoriteto visoje sistemoje. Pačiame hierarchijos viršūnėje yra vadinamieji root serveriai (liet. šakniniai vardų serveriai; angl. root name servers), priklausantys root zonai. Šiuos root serverius eksploatuoja 12 „nepriklausomų“ ne pelno siekiančių organizacijų. Jas diriguoja viena organizacija – ICANN (Internet Assigned Numbers Authority), psssst.. ši pavaldi JAV vyriausybei, kuri dar nuo 1998 m. perdavinėja visą valdžią privačiam sektoriui, daugelio šalių kontrolei.

Šiuo metu, 2015 metais, yra 13 root serverių, visgi tai klastingas skaičius, jis nurodo tik loginį serverių kiekį. Iš tiesų, kiekvieną loginį root serverį sudaro geros dešimtys fizinių serverių (ar jų klasteriai), kurie veikia kaip veidrodinės kopijos atspindinčios vienodą informaciją. Šios veidrodinės root serverių kopijos, išdėstytos aplink visą Žemės rutulį į svarbiausius Interneto tinklo mazgus.

Loginį root serverį sudarantys fiziniai veidrodiniai serveriai adresuojami vienodais IP adresais t. y. turi vienodą IP adresą įvairiose geografinėse vietovėse, tam naudojama anycast maršrutizavimo techniką, kuri leidžia tolygiai išbalansuoti sistemos apkrovą, vartotojus nukreipiant į artimiausią root serverio veidrodinę kopiją. Taip siekiama didesnio DNS sistemos patikimumo (fault tolerance) ir našumo – trumpesnis atsakymo laikas (latency) į vartotojų užklausas.

Vienas iš root serverių; adresas k.root-servers.net, dislokacijos vieta – Amsterdamas, 2007 m.

Nuo 2014 metų yra maždaug apie 500 fizinių DNS root zonos serverių, juos galima peržiūrėti interaktyviame žemėlapyje adresu www.root-servers.org.
Neoficialų root serverį galima įdiegti ir savo tinkle, tereikia DNS serverį sinchronizuoti su ICANN viešai skelbiamu root zonos failu: http://www.internic.net/zones/root.zone

Aukščiausiojo lygio sritys


Apkalbėti root zonos vardų serveriai saugo informaciją apie visus viena pakopa žemiau esančius aukščiausiojo lygio domenų serverius Interneto vardų erdvėje. Aukščiausiojo lygio domenas (angl. Top-Level Domain – TLD) yra kiekvieno pilno domeno vardo paskutinioji-dešiniausia dalis. Pvz., domeno vardų: www.google.lt, www.gmail.com ir skarware.eu, atitinkamai lt, com ir eu adresų dalys nurodo aukščiausiojo lygio domenus. TLD serveriai autoritetingi už šių sričių (lt, com, eu ir kt.) zonas.

Aukščiausiojo lygio domenai skirstomi į keletą pagrindinių tipų:
  • ccTLD (country-code top-level domains) – Šalies kodo aukščiausio lygio domenas skirtas šalims, suverenioms ar kitoms autonominėms teritorijoms. Visi ccTLD žymimi dviraidžiais šalies kodais remiantis ISO3166 standartu. pvz.: lt, de, us, uk ir t. t.;
  • gTLD (generic top-level domains) – bendro pobūdžio aukščiausio lygio domenas sudarytas iš trijų ar daugiau simbolių. pvz.: com, edu, net, org, info ir t. t. Jie sudaromi iš angliškų žodžių kurie turėtų atspindėti savo paskirtį (pvz., com nuo žodžio commercial (liet. komercinis), skirtas komercinėms organizacijoms).
Dalis TLD turi registracijos apribojimus. Pvz., interneto adresą su .edu galūne leidžiama registruoti tik sertifikuotoms švietimo organizacijoms iš Šiaurės Amerikos. Domeno vardą su galūne .uk leidžiama registruoti tik užsakovams iš Jungtinės Karalystės bei reikalaujama patvirtinti buveinės arba gyvenamosios vietos adresą, nurodomą antro lygio domeno registracijos metu.

Antro lygio sritys


Analogiškai root zonos serveriams, leidžiantis viena pakopa žemiau, aukščiausiojo lygio sričių serveriai saugo informaciją apie antro lygio domenus (angl. Second-level domain – SLD). Šių domenų registracija prieinama paprastiems mirtingesniems. Būtent juos dažniausiai įvardijame tiesiog kaip domenas, domeno vardas ar interneto adresas. Pvz., blogas.skarware.eu, www.gmail.com ir www.google.lt atitinkamai skarware, gmail ir google yra antro lygio domenai.

Užregistravus antro lygio domeną, eu TLD zonoje, pvz., skarware.eu, šio domeno užsakovas tampa išskirtiniu skarware.eu zonos administratorius, turintis visas privilegijas ir atsakomybes už šią DNS zoną. Kadangi DNS yra hierarchinės struktūros, antro lygio domeno zonos administratorius gali nevaržomai kurti ir deleguoti vardus iš žemesnio lygio domenų, esantiems skarware.eu srities ribose, vadinamiesiems subdomenams, pvz., blogas.skarware.eu, mail.google.com, foobar.skarware.eu.

Norint administruoti antrojo lygio domeną, reikia turėti mažiausiai du autoritetingus DNS serverius. Juos, kaip paslaugą gali suteikti domenų registratorius arba galima susikurti savo autoritetingus DNS serverius, tai suteikia daugiau administravimo galimybių. Iš to galima daryti išvadą, jog DNS yra paskirstytoji sistema (angl. distributed system), sudaryta iš daugelio autonominių serverių, todėl nė vienas DNS serveris neturi visų Interneto domeno vardų įrašų. DNS sistemą galima apibrėžti kaip aibę atskirtų besiribojančių DNS zonų*, kurios bendrai sudaro DNS vardų erdvę.
* DNS serveris autoritetingai atsakantis į jam pavaldžių domenų užklausas saugo kiekvienam po zonos failą, jame saugoma informaciją apie domeno įrašus. Zonos failas apibrėžia DNS zoną. Pvz., domenų registratoriaus IV.lt vardų serveriai autoritetingai atsako į užklausas apie skarware.eu ir skaringa.eu zonas, bei daugelį kitų savo klientų užregistruotų domenų, kurie neperkėlė šios funkcijos (zonų) į nuosavus DNS serverius. Vadinasi, vienas DNS serveris gali valdyti vieną ar daugelį zonų, bet kaip jau minėta, nė vienas vardų serveris neturi visų Interneto domenų zonų/įrašų.

Subdomenai


Trečio lygio domenai įvardija trečiąją pilno domeno vardo* dalį, pvz., blogas.skarware.eu., www.gmail.com. ir foobar.skarware.eu., atitinkamai blogas, www ir foobar yra trečiojo lygio domenai, paprastai vadinami subdomenais** ar hostais***.
* Pilnas interneto vardinis adresas su visais jį formuojančiais, root, aukščiausiojo, antro, trečio, ir t.t., lygio domenais sudaro pilną-absoliutų domeno vardą (angl. Fully Qualified Domain Name – FQDN). Pvz.: blogas.skarware.eu. ir mail.google.com.
Pilnas domeno vardo užrašymas nurodo tikslią domeno padėtį hierarchinėje domenų vardų sistemoje. FQDN užrašyti galima tik vienu būdu, todėl praktikoje jis dažnai naudojamas siekiant išvengti dviprasmiškų aplinkybių.
** Terminas subdomenas yra reliatyvus t.y. trečio lygio domenas yra subdomenas antro lygio domenui, tuo pačiu antro lygio domenas yra subdomenas aukščiausio lygio domenui ir pan. Šiame straipsnyje šis terminas vartojamas kalbant apie trečio lygio domenus.
*** Terminas host vartojamas nurodant individualius kompiuterius ar servisus pasiekiamus per domeną (galinius taškus).
Gilesni nei trečio lygio domenai praktikoje retai vartojami, nors teoriškai įmanoma kurti 127 gylio domenus, kurių kiekvienas gali būti iki 63 simbolių ilgio, bet bendras pilno domeno vardo ilgis neturi peržengti 253 simbolių ribos.

Root domenas


Viršuje pateiktuose pilno domeno vardo pavyzdžiuose po aukščiausio lygio domeno padėtas taškas (eu. ir com.) nėra skyrybos ar kitos šventos santvarkos klaida. Iš tiesų, taškas pilno domeno gale žymi root zonos sritį, tiksliau bevardį root domeną į dešine po šio taško*. Galite pabandyti įvesti į naršyklę jums įprastus internetinius adresus su tašku gale ir įsitikinti, jie kuo puikiausiai veikia. Dauguma programų šiuos taškus domenų gale uždeda automatiškai be vartotojo įsikišimo ir žinios.
* DNS vardų sintaksė: Pildo domeno vardas (FQDN) susideda iš vienos ar daugiau dalių. Skaitant iš kairės į dešinę, nuosekliai lygiais išdėstytų sričių, hierarchiškai struktūrizuotų, nuo žemiausios iki aukščiausios – root domeno. Sričių lygiai sutartinai sujungti/atskirti taškais (pvz., blogas.skarware.eu.).


DNS sričių hierarchija, domeno vardo struktūra

DNS serverių tipai


Domenų vardų sistemą sudaro kelių funkcinių tipų serveriai – autoritetingi (angl. authoritative) ir rekursiniai (angl. recursive).

Autoritetingas DNS serveris, kaip jau buvo minėta, saugo domenų zonos failus ir apdoroja užklausas tik į savo paties administruojamas domenų zonas. Serveriui apdorojus užklausą jis pateikia pilną atsakymą, arba nuorodą į kitą autoritetingą vardų serverį, kuriam deleguota dalis domeno zonos atsakomybės.

DNS sistemoje naudojamas klientas–serveris modelis. Autoritetingi vardų serveriai dirba tik serverio režime ir tiekia informaciją klientams – rekursiniams DNS serveriams.

Rekursinis DNS serveris, dažnai įvardijamas kaip Resolving Name Server, atlieka tarpininko vaidmenį – veikia abiem režimais – aptarnauja klientų (pvz., kompiuterių OS) užklausas kaip serveris, tuo pačiu kaip klientas ieško gautoms užklausoms informacijos autoritetinguose DNS sistemos serveriuose. Rekursinis vardų serveris savo klientams gražina pilną atsakymą arba klaidos pranešimą. Šio tipo serveriai leidžia naudotis spartinimo funkciją (Caching DNS Server), išsaugodami jau apdorotas klientų užklausas. Todėl sąlyginai ilgame laiko tarpe, vienodai užklausai atsakymo nebereikia ieškoti nuotoliniuose autoritetinguose vardų serveriuose, jį galima žaibišku greičiu pateikti iš vietinės atmintinės.

DNS serveris gali vykdyti griežtai vieną iš aprašytų funkcijų, arba derinti abiejų tipų savybes. Tai priklauso nuo reikalavimų ir norų konkrečiu atveju.

Domenų vardų sistemos veikimo principas


Naršyklės adreso laukelyje įvedus blogas.skarware.eu ir paspaudus Enter klavišą akimirksniu gaunamas atsakymas. Nors įvesto domeno vertimas į IP adresą trunka labai trumpą laiko tarpą (tai priklauso nuo kelių faktorių: turimos interneto linijos spartos/apkrovos, DNS serverio fizinio atstumo, jo apkrovos) ir yra vartotojui nepastebimas, per jį kompiuterio operacinė sistema (OS) ir DNS sistemos serveriai atlieka ne vieną operaciją užklausoms perduoti ir išspręsti. Panagrinėkim plačiau, kaip veikia domeno transliavimas į IP adresą.

Įvedus į naršyklės adreso laukelį blogas.skarware.eu, siekiant išvengti dviprasmybių, kompiuteris ieškos atsakymo blogas.skarware.eu. domenui. Tai FQDN – absoliutus domeno vardas su tašku gale, apie jį jau buvo užsiminta.

Pirmiausia žiniatinklio naršyklė tikrina ar įvesto domeno ir jo IP adreso nėra jos vidinėje paskutinių užklausų talpykloje (cache). Jeigu ten atsakymo nėra, domeno transliavimas perduodamas OS, ši taip pat tikrina ar neturi atsakymo į užklausą savo duomenų struktūrose (hosts faile ir cache).

Tarkime, jog naršyklė ir OS atsakymo neturėjo, vis dėlto operacinės sistemos tinklo parametruose būna išsaugota kelių rekursinių DNS serverių IP adresai. Jais tinkamai pasinaudoja OS sudedamoji dalis vadinama stub resolver. Tai primityvi biblioteka leidžianti OS perduoti užklausos sprendimo problemą vienam iš rekursyvių serverių, dar vadinamų Resolving Name Server (RNS), kuris savarankiškai iki galo apdoroja užklausą ir gražina pilną atsakymą arba klaidą. RNS visada turi DNS root zonos serverių IP adresus, todėl geba išspręsti užklausas į bet kurį tuo metu techniškai tvarkingai veikianti domeną. Pradėdamas nuo hierarchinės vardų struktūros viršaus – root domeno, RNS paeiliui kreipiasi į autoritetingus DNS serverius kol gauna pilną atsakymą į pradinę užklausą.

Taigi, kompiuterių tinklo pagalba, užklausa iš naršyklės persiunčiama kitai kompiuterių sistemai – Resolving Name Server, kuri vykdo rekursyvaus DNS serverio funkciją(1). Šis dažniausiai būna kešuojantis (Caching DNS Server), todėl atsakymo pirmiausiai ieško savo paskutinių užklausų atmintyje. Jei atsakymas ten yra, jis akimirksniu išsiunčiamas klientui – OS, ir užklausa tampa pilnai išspręsta.

Naršyklės inicijuotos užklausos apdorojimas per DNS serverį

Tarkime, jog Resolving Name Server atmintyje nebuvo jokios informacijos apie pateiktą užklausą, vis dėlto, RNS visada turi sąrašą root srities serverių su IP adresais, ir gali kreiptis tiesiogiai į bet kurį iš jų su iteracine užklausa apie blogas.skarware.eu. domeną(2). Tikėtina, kad root serveriai neturės tiesioginio įrašo šiam domenui. Visgi root zona saugo informaciją apie visus aukščiausiojo lygio domenus (TLD), esančius DNS vardų erdvėje, todėl galės nukreipti į eu. zonos autoritetingus vardų serverius. Toliau, RNS serveris kreipiasi į eu. zonos serverius su ta pačia užklausa apie blogas.skarware.eu. domeną(3). Čia vėl gauna naujos informacijos – nuorodą, į autoritetingus DNS serverius valdančius skarware.eu. zoną(4), kuri šiuo atveju jau turi tiesioginės informacijos – A arba/ir AAAA tipo DNS įrašą*, skirtą blogas.skarware.eu. domenui. Resolving Name Server gavęs pilną atsakymą pradinei užklausai, persiunčia pilną atsakymą atgalios operacinei sistemai(5), o ši gražina IP adresą žiniatinklio naršyklei, kuri ir inicijavo blogas.skarware.eu. domeno užklausą.

Po šios užklausos atsakymo kešuojantis serveris (Resolving Name Server) tam tikram laiko tarpą turės išsaugojęs informaciją apie eu. ir skarware.eu. zonų autoritetingus vardų serverius. Vadinasi, RNS nebereikės pakartotinai siųsti užklausą į root zoną, norint sužinoti google.eu. domeno IP adresą, jis galės pradėti nuo eu. zonos vardų serverių. Šiuo atveju sutaupoma viena iteracinė užklausa. Pradedant ieškoti atsakymo nuo root zonos jų dažniausiai būna trys (nagrinėtas blogas.skarware.eu. užklausos atvejis).
* Abu šie zonos failo įrašai nukreipia domeną į nurodytus IP adresus. A tipo DNS įrašas naudojamas nurodant IPv4 adresą, o AAAA įrašai nukreipia į IPv6 adresus. Apie šias skirtingas IP adresų versijas jau buvo užsiminta ankščiau.

Išvados


Tai kas turėjo būti kuklus trumpas įrašas apie domenus, išsirutuliojo į šiek tiek ilgesnį įrašą – straipsnį, nužvelgianti visą DNS sistemą aukščiausiame abstrahuotame jos lygmenyje.
Perskaičius straipsnį galima geriau suprasti kas yra domenai ir domenų vardų sistema bei kodėl ji (DNS) įvardijama kaip hierarchinė paskirstytoji duomenų bazės sistema (angl. distributed database system), sudaryta iš daugelio autonominių mazgų – DNS serverių – komunikuojančių klientas–serveris modeliu.

Kiekvienas domenas turi bent vieną autoritetingą DNS serverį, kuris administruoja domeno zoną ir viešina informaciją susijusia su tuo domenu. Bendrai jie sudaro Interneto DNS vardų erdvę. Tikėtina, tai ne tik didžiausia duomenų bazė mūsų planetoje saulės sistemoje, bet ir aktyviausiai naudojama bei nuolatos atnaujinama.

Taigi, nė vienas DNS serveris neturi visų Interneto domeno zonų ir jų saugomų įrašų, nes techniškai tai būtų per daug sudėtinga ir nepraktiška vardų sistema. Dabartinė hierarchinės struktūros paskirstytoji vardų sistema (DNS) sukurta aštuntame dešimtmetyje yra kur kas lankstesnė. Ji ir šiandien, su nedideliais patobulinamais, pilnai tenkina šiuolaikinės informacinės visuomenės poreikius.


2015 m. balandžio 26 d.

Integrinio Grandyno Fabrikavimas [IG, III dalis]

Pagrindiniai IG formavimo procesai

Integrinių grandynų fabrikavimo laboratorija
Integrinio grandyno gamyba vadinama fabrikavimu – tai labai sudėtingas, pusiau automatizuotas procesas, reikalaujantis didelių investicijų, laiko ir aukštos kvalifikacijos specialistų kontrolės visų integrinio grandyno fabrikavimo procesų metu. Pati fabrikavimo technologija nuolatos tobulinama, siekiant vis didesnio integracinio laipsnio. Fabrikavimo infrastruktūros atnaujinimo išlaidos tokios didelės, jog fabrikantams kyla klausimas – atnaujinti turimos fabrikacijos įrangą ar statyti naujas patalpas su nauja fabrikavimo infrastruktūra.
Fabrikavimo patalpos laikomos tūkstančius kartų švaresnės nei ligoninės operacinė – viename kubiniame metre oro yra viena dulkelė, 15 μm skersmens (milijoninė dalis metro). Net mažiausi nešvarumai, kaip nematomos plika akimi dulkės (pvz., esant 65 nm fabrikacijos technologijai, net 22-33 nm dalelės pražudo IG), gali sugadinti visą integrinio grandyno fabrikavimo procesą. Todėl patalpų oras ypatingai filtruojamas, o darbuotojai vilki specialius baltus kostiumus, vadinamuosius bunny suits (iš anglų kalbos išvertus – triušių kostiumai), tai apsaugo IG fabrikavimo aplinką nuo pleiskanojančios odos ir plaukų taršos.
Pats IG gamybos procesas keičiasi priklausomai nuo gaminamo lusto tipo ir fabrikacijos technologijos. Pažangiausi Intel firmos mikroprocesorių fabrikacijos procesai susideda iš maždaug 300 žingsnių-etapų, panaudojant įvairias medžiagas ir technologijas.
Šioje dalyje bus apžvelgta IG fabrikacija aukščiausiame lygmenyje – pagrindiniai integrinių grandynų gamybos proceso etapai (lusto gamyboje eiliškumas gali nesutapti).

Silicio plokštelė (angl. Silicon Wafer)

IG fabrikacija prasideda nuo silicio plokštelės, ant kurios statomas grandynas. Silicis yra puslaidininkis, todėl, skirtingai negu izoliatorius (medžiaga, kuri sulaiko elektronų judėjimą) ar laidininkas (medžiaga, praleidžianti elektronus), silicis gali būti ir izoliatorius, ir laidininkas, tai priklauso nuo to, su kokiomis medžiagomis jis maišomas. Silicis yra puikus pasirinkimas, nes jo gausu gamtoje (sudaro net 27 proc. Žemės plutos masės) ir jo oksidas geras izoliatorius. Visa tai palengvina integrinio grandyno fabrikaciją. Nors silicis – viena labiausiai paplitusių medžiagų, tačiau gryno gamtoje nerandama. Jis išgaunamas iš kvarco, tiksliau kvarcinio smėlio.
Silicio plokštelės išgavimas ir apdorojimas iki IG lusto

Norint našių integrinių grandynų, puslaidininkis turi būti itin grynas (be priemaišų). Išgauti ypatingai gryną silicio kristalą naudojama Czochralskio metodas, kvarcas (smėlis) yra įkaitinamas ir išlydomas, atliekamos keletas procedūrų gryno silicio liejiniui išgauti (galima į silicį įterpti šiek tiek kitos medžiagos, siekiant p arba n tipo laidumo puslaidininkio). Užaugintas kristalas dažniausiai būna cilindro formos (šiuo metu jų skersmuo dažniausiai būna apie 300 mm), o jų grynumas siekia 99.9999 proc. Vėliau šie cilindrai supjaustomi į maždaug 0,75 mm storio silicio plokšteles ir viena pusė nupoliruojama iki nepriekaištingai lygaus paviršiaus (žr. pav. apačioje). Tokia puslaidininkio plokštelė, perėjusi visą IG fabrikavimo procesą, turės šimtus stačiakampio formos lustų. Tai integriniai grandynai, kurie supjaustomi į atskiras dalis specialiais deimantiniais diskais, rėžikliais ar lazeriais (žr. pav. viršuje).

Nupoliruotos 300 mm silicio plokštelės 


Epitaksinis auginimas (angl. Epitaxial Growth)

Tai monokristalo sluoksnio auginimas kito monokristalo paviršiuje (pvz., ant silicio plokštelės), kontroliuojant elektronų laidumą specialioje kameroje. Epitaksinis* sluoksnis auginamas virš įkaitintos iki 1200 °C plokštelės, leidžiant dujų ir silicio tetrochlorido mišinį, iš kurio plokštelės paviršiuje nusėda grynas silicis. Norint gauti p ar n tipo laidumo puslaidininkius, galima įterpti kitų medžiagų į silicio tetrochlorido dujas. Priemaišų pasiskirstymas epitaksiniame sluoksnyje tolygus, kas integrinių grandynų fabrikacijoje labai svarbu. Epitaksinis auginimas plačiai taikomas lustų gamyboje, kai reikia daugiau sluoksnių negu įmanoma difuzijos arba joninio legiravimo** būdu.
* epitãksija 〈epi- + gr. taxis – išdėstymas〉 – vienodai tarp savęs orientuotų kristalų augimas ant tos pačios ar kitos medžiagos.
** legirãvimas 〈plg. legiruoti〉 – priedų, suteikiančių tam tikrų fizikinių, cheminių ar mechaninių savybių, įterpimas į metalą;


Oksidavimas (angl. Oxidation)

Silicio oksidas yra puikus izoliatorius ir turi savybę sulaikyti priemaišų difuziją, todėl pasitarnauja kaip puikus apsauginis sluoksnis. Jo neveikia dauguma reagentų, tad palengvina priemaišų įterpimą į norimas vietas integrinio grandyno elementų suformavimui.
Silicio plokštelės oksidavimas vyksta 950–1115 °C temperatūroje, leidžiant deguonies arba deguonies ir vandens garų mišinio dujas. Įvykus cheminei reakcijai ant plokštelės paviršiaus susidaro silicio dioksidas SiO2. Šis oksidacijos procesas dar vadinamas termine oksidacija dėl aukštų temperatūrų auginant oksido sluoksnį. Jo storis priklauso nuo trukmės, temperatūros ir drėgmės.
Ploni (0,02–0,1 μm storio) silicio dioksido sluoksniai naudojami kaip izoliacija po MOP tranzistorių užtūromis.
Storesni (0,1–1 μm) naudojami plokštelės paviršiui apsaugoti nuo priemaišų difuzijos ar joninio legiravimo procese į paviršių išeinančioms pn sandūroms izoliuoti, suformuoto lusto-integrinio grandyno paviršiui apsaugoti nuo aplinkos poveikio.


Ėsdinimas (angl. Etching)

Po terminės oksidacijos silicio plokštelė pilnai padengta oksido sluoksniu, kuris stipriai saugo silicio plokštelę nuo sąveikavimo. Norint sukurti integrinį grandyną, dioksido sluoksnį numatytose vietose reikia pašalinti ir atitinkamai įterpti priemaišų/medžiagų, reikalingų jungiamiesiems takeliams, diodams, tranzistoriams bei kitiems integrinio grandyno elementams suformuoti. To pasiekti padeda IG fabrikacijos procesas, vadinamas ėsdinimu (angl. etchnig) – medžiagos sluoksnių pašalinimas nuo kristalo paviršiaus cheminiu, elektrocheminiu, joniniu ar plazmocheminiu ėsdinimu. Suprantama, ėsdinimo operacijų IG fabrikacijoje būna daug ir įvairių.
Cheminis ėsdinimas – viena pirmųjų ėsdinimo technologijų IG fabrikavime, dar vadinama drėgnu ėsdinimu. Tai plokštelės sluoksnių ardymas skystu tirpikliu. Nuėsdinamo sluoksnio storis priklauso nuo tirpalo koncentracijos, temperatūros bei trukmės.
Elektrocheminis ėsdinimas – vyksta tik tirpikliu tekant elektros srovei. Pašalinamo sluoksnio storis reguliuojamas tekančios tirpikliu elektros srovės stipriu ir trukme.
Joninis malimas – atliekamas labai žemame slėgyje (10 mPa), siekiant sumažinti susidūrimų su atmosferos dujomis. Plokštelės paviršiaus apšaudymas greitaisiais jonais (inertinių dujų).
Plazmocheminis ėsdinimas – taip pat atliekamas žemame slėgyje (133 Pa). Paviršių apšaudę jonai ne tik jį ardo, bet ir sąveikauja su ėsdinamąja medžiaga.


Fotolitografija (angl. Photolithography)

Svarbiausias silicio plokštelės apdorojimo technologijos procesas, pagrįstas medžiagų savybe keisti atsparumą tirpikliams, paveikus jas šviesa. Fotolitografijos procese silicio plokštelė po oksidavimo proceso padengiama fotorezisto* sluoksniu (žr. pav., a ir b), ant jo uždedamas fotošablonas (skaidri plokštelė, iš apačios dalinai padengta metalo užtvariniu sluoksniu). Taip paruoštas šablonas iš viršaus apšviečiamas ultravioletiniais (UV) spinduliais (žr. pav., c). Apšviestos fotorezisto vietos praranda atsparumą ėsdinantiems tirpikliams ir yra pašalinamos ryškinimo metu (galimas ir atvirkščias procesas), tose vietose matyti dioksido sluoksnis (žr. pav., d). Šis SiO2 sluoksnis pašalinamas kitu tirpikliu, ėsdinančiu silicio dioksidą, ant kurio nėra likusio fotorezisto (žr. pav., e). Dar vienu tirpikliu pašalinamas fotorezistas ir plokštelės paviršiuje lieka išraižytas silicio oksido sluoksnis (žr. pav., f), tiksliai pakartojantis fotošablono vaizdą.
Pilka – silicio plokštelė; mėlyna – silicio dioksido sluoksnis; ruda – fotorezistas

Įprasto fotolitografijos proceso metu naudojant ultravioletinę šviesą galima pagaminti integrinio grandyno elementus iki 2 mikronų dydžio (kadangi fotolitografijoje naudojamų UV bangų ilgis yra 0,3–0,4 μm, o difrakcijos efektas jas padidina daugiau nei penkis kartus, atsiranda technologinis limitas). Pasitelkiant naujesnes litografijos technologijas (naudojant trumpesnių bangų šaltinius), rentgeno spindulius ar apšaudant elektronais, įmanoma pagaminti ir mažesnius nei vieno mikrono integrinio grandyno elementus.
* Fotorezistas yra šviesai jautris medžiaga, naudojama keliose pramonės procesuose, tokių kaip fotolitografija ir fotograviravimas, siekiant suformuoti šabloninę dangą ant paviršiaus.

Difuzija (angl. Diffusion)

Kaip jau buvo užsiminta, IG fabrikacijos procese taikomas legiravimas (priemaišų įterpimas į silicio plokštelę), siekiant pakeisti silicio elektrines savybes. Valdomas priemaišų įterpimas į silicį yra viena pagrindinių užduočių formuojant integrinio grandyno lustą – IG elementus (pvz., diodus, tranzistorius ir kt.).
Vienas iš būdų įterpti priemaišas į silicį – įlydyti jas pasitelkiant difuziją. Norint sukelti difuziją priemaišos atomams reikia suteikti energijos (pvz., šiluminiu energijos perdavimo būdu). Tam silicio plokštelės su priemaišomis kaitinamos specialioje krosnyje, kurios temperatūra maždaug 1150 °C ir tolygiai pasiskirsčiusi visoje kameroje. Priemaišų nešėjas paprastai yra dujos (sausas deguonis ar azotas). Proceso tikslas – įterpti donorines ar akceptorines priemaišas į neapsaugotus dioksido sluoksniu silicio plokštelės „langus“ ir suformuoti ten norimus IG elementus (pvz., pn sandūras – diodus). Difuzijos gylis – atomų įsiskverbimas į medžiagą – priklauso nuo trukmės, paprastai šis procesas trunka iki 2 val.


Joninis legiravimas (angl. Ion Implantation)

Joninis legiravimas yra kitas metodas įterpti priemaišos atomus į silicio plokštelę ir šiuo metu labiausiai naudojamas dėl tikslumo. Jonizuoti priemaišos atomai dalelių greitintuvuose yra pagreitinti didelės įtampos elektriniu lauku iki labai didelės energijos (paprastai pagreitinto jono energija būna tarp 10 ir 500 keV) ir šaudomi į taikinį (silicio plokštelę). Greitinimo procesas vyksta vakuume, siekiant išvengti įgreitintų dalelių susidūrimo su atmosferos dujomis, nes tai pakeistų nustatytą kryptį bei energiją. Šaudomi jonai dėl didelės jų kinetinės energijos nesunkiai įsiskverbia į silicio plokštelę ir ten apsigyvena. Įsiskverbimo gylis priklauso nuo medžiagų ir elektrinio lauko stiprumo dalelėms įgreitinti.
Norint priemaišų jonus įterpti tiksliai tik į pageidaujamas vietas naudojamas apsauginis sluoksnis iš fotorezisto ir silicio dioksido. Prieš apšaudant silicio plokštelę jonais, jis plonu sluoksniu oksiduojamas (žr pav., a), tai atlieka izoliatoriaus ir apsauginio sluoksnio funkcijas, bet turi būti pakankamai plonas, jog praleistų šaudomus priemaišų jonus. SiO2 sluoksnis padengiamas fotorezistu, kuriame išbraižomi „langai“ pagal pasirinktą fotošabloną (žr pav., b). Toliau lustas apšaudomas priemaišų jonais. Jonai įsiskverbė į fotorezistu neapsaugotas „languotas“ šablono vietas (žr pav., c), o likęs fotorezistas nuėsdinamas tirpikliu.
Pilka – silicio plokštelė; mėlyna – silicio dioksido sluoksnis; ruda – fotorezistas; žalia – įterptos priemaišos

Paskutinis joninio legiravimo etapas yra grūdinimas aukštos temperatūros kameroje. Šis aukštos temperatūros grūdinimas skatina papildomą difuziją – priemaišos įsiskverbimą į silicio plokštelę dar giliau, kur susiformuoja tvirti IG elementai (pvz., pn sandūra – diodas). Aukšta temperatūra taip pat atitaiso pažeistus sluoksnius nuo stipraus apšaudymo didelės energijos jonais, kurie mažiau ar daugiau ardo silicio plokštelės struktūrą. Sritis, į kurią įterpti priemaišų atomai, po grūdinimo vadinama difuziniu klodu  (žr pav., d).

Metalizavimas (angl. Metallization)

Šio proceso tikslas suformuoti ploną metalinį sluoksnį – plėvelę, iš kurios bus sudaromi jungiamieji laidieji takeliai tranzistoriams bei kitiems IG elementams sujungti. Metalizavimui dažniausiai naudojamas aliuminis, nes yra geras laidininkas ir gerai sąveikauja su siliciu.
Šiam metalizavimo procesui naudojama speciali vakuuminė garinimo kamera. Patalpinus į ją silicio plokštelę oras išsiurbiamas iki maždaug 0,00001 Pa slėgio (sumažėjus slėgiui sumažėja medžiagų virimo temperatūra). Aliuminio medžiaga galingu elektronų spinduliu įkaitinama iki virimo temperatūros ir pradeda garuoti. Virš garuojančio aliuminio įtaisyta silicio plokštelė garinama; aliuminio garai pasiekę plokštelę kondensuojasi, sukietėja ir padengia ją plona aliuminio plėvele. Po metalizacijos proceso plokštelė pilnai padengta aliuminio plėvele. Sekančiais fotolitografijos ir ėsdinimo procesais suformuojami reikalingi laidieji takeliai, jungiantys IG elementus.


Lustų apdorojimas

Paskutinis IG fabrikavimo procesas – silicio plokštelės integrinių grandynų kontrolė (patikrinimas) ir atskyrimas nuo bendros silicio plokštelės į individualias dalis, supjaustant specialiais deimantiniais diskais, lazeriais ar deimantiniais rėžtukais į pavienius lustus.

Dėl IG fabrikavimo technologinio sudėtingumo, ilgus metus silicio plokštelė su šimtais lustų turėdavo daugiau neveikiančių-brokuotų, nei veikiančių integrinių grandynų. Geriausiu atveju iš vienos silicio plokštelės tik 25 proc. lustų pilnai funkcionuodavo pagal normatyvus.
Šiais laikais brokuotų integrinių grandynų dalis per silicio plokštelę svyruoja nuo 2 iki 90 proc., tai priklauso nuo fabrikavimo technologijos įsisavinimo, kuri yra nuolat atnaujinama ir kelia vis naujus iššūkius lustų fabrikantams. Vienas iš nuolatinio technologinio progreso pavyzdžių yra Intel firmos Tick-Tock  mikroprocesorių plėtojimo modelis. Šiuo cikliniu modeliu Intel įsipareigoja tęsti pažangą procesorių fabrikacijos technologiniame procese ir mikroarchitektūros inovacijas, su kasmet besikeičiančiais Tick ir Tock ciklais. Tick ciklas reprezentuoja integracijos laipsnio didėjimą, o Tock naują mikroarchitektūrą. Šis ciklinis modelis paremtas Mūro dėsniu.

Taigi, siekiant išvengti papildomų kaštų montuojant, hermetizuojant, įpakuojant ir transportuojant IG lustus pardavimui, visi IG lustai turi pirmiausiai praeiti griežtą kontrolę dar prieš supjaustant silicio plokštelę į individualias dalis (integrinius grandynus). Kontrolę atlieka visiškai automatizuotas prietaisas, vadinamas zondu, kuris iš eilės apeina visus lustus ir tikrina IG veikimą bei jo elektrinius parametrus (žr. pav. apačioje). Brokuoti lustai patepami paskutinei kelionei (pažymimi dažais) ir vėliau pašalinami iš produkcijos.
Automatizuotas IG zondavimas ant silicio plokštelės, po patikros defektiniai lustai pažymimi dažais ir vėliau atmetami


Išvados

  1. Informacijos amžiuje formuojantis naujų pažiūrų ir įpročių informacinei visuomenei, didėja informacijos kiekiai ir srautai, kuriems apdoroti reikia vis spartesnių elektrinių įrenginių. Taigi, labai svarbu didinti elektrinių prietaisų veikimo spartą ir efektyvumą.
  2. Integrinis grandynas yra labai mažų matmenų puslaidininkio monokristalas, kurio tūryje sudaromi elementai (tranzistoriai, ...) ir juos jungiantys metalizuoti takeliai. Pagal tranzistorių tipą, integriniai grandynai skirstomi į dvipolius (Bi) ir MOP integrinius grandynus. Paskutinieji, o tiksliau jų grupės KMOP grandynai labiausiai išvystyti ir šiuo metu dominuoja dėl savo ypatybės mažam energijos kiekiui.
  3. Nepaisant savo nuopelnų, integrinis grandynas nėra netikėtas išradimas – panašų sprendimą dar 1949 metais užpatentavo vokiečių inžinierius Verneris Jakobas (Werner Jacobi), vėliau, 1952 metais, britų radijo inžinierius Džefris Dameris (Geoffrey Dummer) pasiūlė integruoti standartinius elektroninius komponentus į monolitinį puslaidininkio kristalą. Akivaizdu, jog šiam išradimui jau buvo pribręsta, kai 1958 m. pasirodė pirmieji lustai net iš kelių inžinierių stovyklų. Daug svarbesnis yra tranzistoriaus išradimas iš puslaidininkio, neišvengiamai atvedęs prie IG išradimo.
  4. Pradžioje didelės investicijos iš JAV karinės pramonės ir NASA agentūros skatino integrinių grandynų technologinę pažangą (integracijos laipsnio didėjimą), vėliau estafetę perėmė informacijos visuomenės susikūrimas, kurios nariai nebeįsivaizduoja gyvenimo be interneto ir mobilaus ryšio prietaiso, telpančio į kelnių kišenę.
  5. Integrinių grandynų panaudojimas labai platus, nuo karinės pramonės (pvz., kovinių raketų, valdomų kulkų) iki buitinės technikos (pvz., skalbimo mašina) ar medicinos (įvairūs elektroniniai implantai kaip širdies stimuliatorius, skaitmeninis pasas).
  6. Integrinių grandynų technologija paremta puslaidininkių unikalia savybe – jie gali tarnauti ir kaip izoliatorius, ir kaip laidininkas, priklauso nuo to, kaip jis apdirbtas. Vargu ar būtų atsiradusi alternatyva, galinti pavaduoti šią visapusišką medžiagą nuolatos didinančia savo integracijos laipsnį integriniuose grandynuose.
  7. Silicis yra puikus pasirinkimas fabrikuojant integrinius grandynus ne tik dėl to, jog jo gausu gamtoje (silicis sudaro net 27 proc. Žemės plutos masės), bet jo oksidas yra stiprus izoliatorius, kurį palyginus nesunku „užauginti“ ant silicio plokštelės ir vėliau apdirbti pagal poreikius. Visa tai labai palengvina integrinio grandyno fabrikaciją.
  8. Didėjant lustų integraciniam laipsniui – integrinio grandyno elementų skaičiui luste (ypač per vienetinį plotą), visos IG savybės pagerėja: sumažėja elektroninės įrangos tūris, masė, suvartojamas energijos kiekis bei didėja sparta ir patikimumas.
  9. Kalbant apie integrinių grandynų progreso sulėtėjimą ar visišką stagnaciją, reiktų atkreipti dėmesį į tai, kokią svarbią poziciją užima šios technologijos vystymas šiuolaikinėje visuomenėje bei į nuolatos augantį puslaidininkių pramonės mastą su savo mokslinių tyrimų ir plėtros padaliniais, kurie aktyviai bendradarbiauja su akademinėmis įstaigomis. Visada sunku nuspėti realias prognozes daugiau nei dešimtmetį į priekį, visgi atsižvelgiant į šiuo metu vystomas technologijas ir augantį IG kapitalo dydį, tikėtina, jog integrinių grandynų progresas niekur nesustos.
  10. Lustų fabrikavimas labai sudėtingas, pusiau automatizuotas procesas, reikalaujantis didelių investicijų, laiko ir aukštos kvalifikacijos specialistų kontrolės visų IG fabrikavimo procesų metu. Pats fabrikavimo technologinis procesas turi būti nuolat atnaujinamas arba produktai greit taps nekonkurencingi rinkos ekonomikoje. Fabrikavimo infrastruktūros atnaujinimo išlaidos tokios didelės, jog fabrikantams kyla klausimas – atnaujinti turimos fabrikacijos įrangą ar statyti naujas patalpas su nauja fabrikavimo infrastruktūra
  11. Labai svarbu prieš parduodant integrinį grandyną kaip produktą jį patikrinti, norint išvengti papildomų išlaidų montuojant, hermetizuojant, įpakuojant ir transportuojant, dėl didelės tikimybės, jog integrinis grandynas gali būti brokuotas. Šiais laikais brokuotų integrinių grandynų dalis per silicio plokštelę svyruoja nuo 2 iki 90 proc., tai priklauso nuo fabrikavimo technologijos įsisavinimo.



Kitos šio straipsnio dalys:

2015 m. balandžio 25 d.

Mūro dėsnis (Moore’s Law) [IG, II dalis]

Gordonas Mūras

1965 metais populiariame Electronics žurnale buvo išspausdintas straipsnis "Cramming more components onto integrated circuits". Jo autorius, tuometinis Fairchild kompanijos mokslinių tyrimų ir plėtros padalinio vadovas, Gordonas Mūras (Gordon Moore) buvo paprašytas Electronics žurnalo nuspėti, kaip plėtosis puslaidininkių komponentų pramonė per artimiausius dešimt metų. Publikuotame straipsnyje Mūras išanalizavo integrinių grandynų su mažiausia savikaina per elementą integracinio laipsnio augimą nuo 1959 iki 1964 metų ir padarė išvadas: artimiausią dešimtmetį integrinių grandynų elementų (tranzistorių, varžų, diodų ar kondensatorių) skaičius padvigubės kiekvienais metais. Vadinasi, 1975 metais integriniai grandynai su mažiausia savikaina per elementą turėjo turėti 65 000 elementų.

Keletas Mūro analizuotų lustų 1965 m., rašant publikaciją Electronics žurnalui

Po dešimtmečio, 1975 metais, jau kaip vienas iš Intel firmos įkūrėjų, Mūras peržvelgė savo prognozę, kuri pasirodė esanti pakankamai tiksli. Išanalizavęs naujus tuometinius duomenis ir įvertinęs perspektyvas jis patikslino savo prognozę IG ateinantiems dešimtmečiams (žr. pav. apačioje), kuri netrukus tapo žinoma kaip Mūro dėsnis (angl. Moore’s Law): Integrinių grandynų elementų skaičius padvigubėja kas dvejus metus.

Dešinėje: 1965 m. Mūro straipsnyje pavaizduota projekcija, numatanti artimiausio dešimtmečio integracinio laipsnio augimą;
Kairėje: 1975 m. Mūro peržiūrėta integracijos laipsnio projekcija, remiantis to meto paskutiniais duomenimis.

Dar kartą įvertinęs puslaidininkių pramonės padėtį ir perspektyvas 1995 metais, kai Intel Pentium procesorius turėjo 5,5 milijonus tranzistorių, Mūras padarė išvadas, jog jo paskutinė 1975 m. prognozė greitu laiku netaps relikvija integrinių grandynų fabrikacijoje.

Gordono Mūro įžvalgos į integrinių grandynų plėtrą tapo kaip vedlys ir iššūkis, technologinės plėtros paskatinimas puslaidininkių pramonei. Dar ir šiandien, po 50-ties metų, Intel kompanija stengiasi neatsilikti nuo Mūro dėsnio ir yra akivaizdi IG fabrikavimo lyderė (žr. pav. apačioje).
Mūro dėsnio kreivė ir tranzistorių skaičius mikroprocesoriuose nuo 1971 iki 2011 m.



Integracijos laipsnis

Kaip jau buvo užsiminta pirmoje dalyje, integrinių grandynų pažangumą galima matuoti jų integracijos laipsniu, ypač kai elementų tankis per vienetinį plotą vienodas. Didėjant IG elementų skaičiui luste, visos IG savybės pagerėja: mažėja el. įrangos tūris, masė, elementų suvartojamos energijos kiekis bei didėja lusto sparta ir patikimumas.
Lustų integracijos laipsnis randamas pagal formulę:
čia N – elementų skaičiaus luste, K – integracijos laipsnis, lygus artimiausiam sveikajam skaičiui.

Elementų skaičius IG ir integracijos laipsnis

Nuo ~
Elementų skaičius
Integracijos laipsnis
Angliškas žymėjimas
1958 m.
<100
Mažas
Small-scale integration (SSI)
1970 m.
>100
Vidutinis
Medium-scale integration (MSI)
1975 m.
>10 000
Didelis
Large-scale integration (LSI)
1980 m.
>100 000
Labai didelis
Very-large-scale integration (VLSI)
1990 m.
>1 000 000
Ypač didelis
Ultra-large-scale integration (ULSI)

Norint išlaikyti pusiausvyrą su Mūro dėsniu, reikia nuolatos didinti mikroelektronikos  integracijos laipsnį. Vienas iš pagrindinių integracinio laipsnio didinimo uždavinių yra IG elementų (tranzistorių, diodų, varžų ir kondensatorių) matmenų mažinimas. Tikslas pasiekiamas tobulinant fotolitografijos techniką, taikant kitokias medžiagas ar visiškai naujas elementų konstrukcijas, kaip kad Intel firmos mikroprocesoriai, pereidami iš 32 nm į 22 nm fabrikavimo technologiją, turėjo pakeisti tranzistorių struktūrą iš įprasto plokštuminio į, vadinamąjį, trimatį tranzistorių. Stabilų integracijos laipsnio didėjimą puikiai iliustruoja pav. apačioje – tranzistorių skaičius per 43 metus padidėjo net 110 milijonų procentų. Skaičiai išties įspūdingi ir kalba patys už save.
Iš tiesų, didinant mikroprocesorių integracijos laipsnį mažėja ne tik jų IG elementų matmenys, bet ir didėja viso lusto matmenys (didėjimas yra sąlyginai nedidelis, apie 7% per metus), kadangi į vieną lustą prikamšoma daugiau elementų (bet ne į vienetinį plotą). Taip padeda išlaikyti Mūro dėsnio ribas (jis griežtai neapibrėžia lusto matmenų).
Mikroprocesorių integracinio laipsnio padidėjimo pokytis procentais per 43 metus

Metai iš metų pasirodo įvairūs straipsniai apie Mūro dėsnio eros pabaigą. Pats Gordonas Mūras, dėsnio autorius, 2003 m. atsargumo dėlei savo prognozę prailgino tik 10 metų laikotarpiui, o 2007 m. vėl atsargiai kalbėjo apie sekantį dešimtmetį. Pagrindinis argumentas yra naudojamos medžiagos kaip silicis, kuris galiausiai prieis savo savybių fundamentaliąsias fizikos ribas. Taip, fundamentalūs limitai egzistuoja, pvz., IG elementų mažinimas darosi vis sudėtingesnis dėl kvantinės mechanikos aprašomų reiškinių kaip elektrono tuneliavimo ir srovės nutekėjimo. Tačiau visos galimybės tikrai neišsemtos didinant IG integracijos laipsnį. Mokslininkai-inžinieriai aktyviai eksperimentuoja su naujomis medžiagomis kaip indžio arsenido, galio arsenidas, galio nitrido ir kitomis, kurios gali pakeisti silicį. Dar vienas konkurentas, į kurį dedama daug vilčių, yra grafenas. Kitas radikalus metodas – spintronika, kur informaciją talpintų elektrono sūkio savybė, o ne krūvis. Eksperimentuojama ir su fotonika, kur informacija IG viduje būtų perduodama ne elektronais, o šviesa-fotonais. Bei daug kitų tyrinėjamų ir plėtojamų technologijų.



Kitos šio straipsnio dalys:

2015 m. balandžio 24 d.

Integrinis Grandynas [I dalis]

Įvadas

Vos prieš šimtmetį, antrosios industrinės revoliucijos laikotarpiu (1850~1918 m.), žmogui išmokus efektyviai apdirbti metalą, atradus elektros energiją bei įsigudrinus ją panaudoti saviems tikslams kaip apšvietimui ar patogiam energijos perdavimui dideliais atstumtais, taip pat tiksliųjų mokslų disciplinų praktiškumo išryškėjimas žmogaus buityje leido dažnam to laikotarpio išsilavinusiam atstovui pareikšti, jog fizikos mokslas jau užbaigtas ir technologinis žmogaus galimybių pažangumas pasiekė savo piką – ribas. Nepaisant to, mokslas niekur nesustojo, žvalūs protai drąsiai kėlė naujas problemas ir jas aktyviai sprendė. Dinamiško mąstymo dėka žmonija pasiekė vadinamąją trečiąją industrinę revoliuciją (1950~1970 m.), geriau žinomą kaip skaitmeninę. Šios revoliucijos didžiausias kaltininkas yra integracinių grandynų technologijos išradimas, įgalinęs kambario ar net pastato dydžio duomenų apdorojimo įrenginius (pirmuosius kompiuterius*) sumažinti iki delno dydžio ir tame pralenkti juos savo sparta  milijonus kartų**.

2015 m. išmanusis tel. Samsung Galaxy S6 Edge milijonus kartų spartesnis už didžiausią vakuuminį kompiuterį AN/FSQ-7

*1947 m. pirmasis kompiuteris ENIAC – 500 Flops;
1957 m. didžiausias vakuuminis kompiuteris AN/FSQ-7  ~5 000 Flops (kainavęs 90 milijardų dolerių);
1964 m. pirmas superkompiuteris CDC 6600 – 3 000 000 Flops;
1976 m. superkompiuteris Cray-1 – 80 000 000 Flops;
1985 m. superkompiuteris Cray-2 – 1 900 000 000 Flops;
1990 m. superkompiuteris ETA-10G – 10 000 000 000 Flops;
**2015 m. išmanusis telefonas Samsung Galaxy S6 Edge (Exynos 7420) – 326 000 000 000 Flops;

(FlopsFLoating-point Operations Per Second – Slankiojo kablelio operacijų per sekundę)


Šio straipsnio tikslas apžvelgti integrinio grandyno (angl. integrated circuit) technologiją, kurios išradimas tiesiogiai įtakojo ir keitė individo sąveikavimą su jį supančia aplinka, jo gyvenimo būdą, t. y. lėmė tolesnę elektronikos, kompiuterijos ir komunikacijos raidą ir sukūrė pamatus informacijos amžiui bei informacinės visuomenės susikūrimui.

Šiame straipsnyje bus bandoma apžvelgti ir atsakyti į šiuos klausimus:
  • Kas yra integrinis grandynas?
  • Kokia šios technologijos istorijos raida?
  • Kokia buvo pirminė ir mūsų dienų šios technologijos pagrindinės funkcijos?
  • Kokia yra integrinių grandynų nauda ir varomoji technologijos jėga?
  • Kas yra Mūro dėsnis ir ar jis vis dar adekvatus?
  • Kokios šios technologijos perspektyvos ateityje?
  • Kaip gaminami integriniai grandynai?

Viršuje išdėstytais klausimais ir bus remiamasi siekiant sudaryti bendrą integracinio grandyno koncepcijos vaizdą aukščiausiame lygmenyje – supažindinti su svarbiausiomis integrinių grandynų savybėmis, jų fabrikavimo technologija, istorijos raida bei panaudojimo galimybėmis.


Straipsnis dėl savo apimties padalytas į tris dalis:
    I dalis apžvelgs integrinio grandyno koncepciją, istorinę raidą ir klasifikaciją;
    II dalis trumpai apibrėš Mūro dėsnį ir integracinio laipsnio didėjimą;
    III dalis nagrinės pagrindinius integrinio grandyno formavimo procesus.



Integrinio grandyno koncepcija

Integrinis grandynas (IG) – tai kertinis akmuo šiuolaikinėje elektronikoje. Integrinį grandyną nesunku atpažinti, tai nedidelio dydžio, dažniausiai juodos spalvos detalė, kurią galima aptikti beveik ant bet kurios elektroninės schemos ir dažnai ne vieną. Integrinis grandynas taip pat vadinamas: puslaidininkinis kristalas su integrine schema, lustas arba tiesiog mikroschema (angl. terminai integrated circuit, monolithic integrated circuit, IC, silicon chip, , microchip, chip, die).

Mikroschema. Korpuso viduje matyti puslaidininkio kristalas – Integrinis grandynas

Aukščiausio lygmens požiūriu IG yra mikroelektronikos gaminys, susidedantis iš daugybės elementų ir komponentų, kurie sumontuoti į nedalomą visumą (puslaidininkio kristalą - lustą) ir atlieka tam tikrą numatytą funkciją. Integrinio grandyno sudedamosios dalys – elementai ir komponentai, ne kas kita kaip tranzistoriai, diodai (aktyvieji elementai-įtaisai), kondensatoriai, ritės ir varžai (pasyvieji elementai-įtaisai), kurie statomi ant plono puslaidininkio (silicio) pamato. Visos IG dalys tankiai išdėliotos ir sujungtos-integruotos į visumą bendram tikslui pasiekti, pvz., tai gali būti: įtampos reguliatorius, variklio valdiklis, programuojamas mikrovaldiklis, mikroprocesorius ir begalė kitų mikroschemų (integruotų grandynų) su savitomis funkcijomis. Kadangi individualios integrinio grandyno dalys yra mikroskopinio dydžio, gautas puslaidininkio monokristalas gali būti vos kelių kvadratinių centimetrų ar net milimetrų dydžio.

Priklausomai nuo elementų skaičiaus puslaidininkinės plokštelės luste, mikroschemas galima suskirstyti į skirtingo integracijos laipsnio – kuo laipsnis didesnis, tuo integrinis grandynas pažangesnis. Integracijos laipsnis, randamas pagal formulę:
čia N – elementų skaičiaus luste, K – integracijos laipsnis, lygus artimiausiam sveikajam skaičiui. Plačiau apie integracijos laipsnio didėjimą integriniuose grandynuose rašoma antroje dalyje.



Integriniai grandynai – skaitmeninė era

Kaip ir daugelis svarbių išradimų, integrinių grandynų idėja nenukrito iš giedro dangaus, mokslininkai ir inžinieriai jau kuris laikas ieškojo būdų šios technologijos realizavimui. Panašų sprendimą į IG dar 1949 metais užpatentavo vokiečių inžinierius Verneris Jakobas (Werner Jacobi), vėliau, 1952 metais, britų radijo inžinierius Džefris Dameris (Geoffrey Dummer) pasiūlė integruoti standartinius elektroninius komponentus į monolitinį puslaidininkio kristalą.
Šios technologijos poreikis atsirado Viljamui Šokliui (William Shockley) ir jo komandai BELL laboratorijoje išradus tranzistorių, pagaminta iš puslaidininkių medžiagų. Naujoji puslaidininkių technologija leido pagaminti tobulesnius elektroninius komponentus (tranzistorius, diodus, varžus, kondensatorius), kurių funkcijos iki tol buvo atliekamos vakuuminių vamzdžių, tik kietosios būsenos puslaidininkiai buvo daug mažesnių matmenų, lengviau ir pigiau gaminami bei atsparesni aplinkos sąlygoms. Dabar elektroniniai komponentai galėjo būti labai maži, o didžiausia įrenginio elektrinio grandyno dalis buvo nerangus laidynas, jungiantis labai mažus puslaidininkių komponentus.
Mikroschema (kairėje), tranzistorius (viduryje) ir vakuuminis vamzdis (dešinė)

Akivaizdu, jog šiam išradimui jau buvo pribręsta, kai 1958 m. nepriklausomai vienas nuo kito panašias integrinio grandyno formavimo technologijas pasiūlė du mokslininkai: Dž. Kilbis (Jack Kilby) iš Texas Instruments kompanijos ir R. Noisas (Robert Noyce) iš Fairchild puslaidininkių korporacijos. Paskutinioji buvo garsiojo Silicio Slėnio inkubatorius. Būtent iš Fairchild pasitraukę mokslininkai ir inžinieriai dėl nesutarimų su vadovaujančiu V. Šokliu įkūrė savo kompaniją (ši grupė talentingų žmonių žinoma kaip išdavikų aštuoniukė; angl. Traitorous eight). Tokių išeivių buvo ne vienas; netrukus jų vis daugėjo, kartu ir įmonių, užsiimančių silicio puslaidininkių gamyba. Šiandien tų kompanijų teritorija apibrėžiama kaip Silicio Slėnis.
Dž. Kilbio pirmasis primityvus integrinis grandynas – germanis priklijuotas prie stiklo plokštelės

Reikia paminėti, jog būtent JAV gynybos departamentas ir astronautikos agentūra NASA – jų ypač pelningi užsakymai – padėjo labai greitai tobulinti integruotų grandynų technologiją (didinti lustų integracijos laipsnį) ir susiformavo pamatus informacinės visuomenės kūrimui.
Integriniai grandynai šiandien naudojami visur – nuo karinės pramonės iki buitinės technikos ir  medicinos. Iš tiesų, šių dienų varomasis integracinių grandynų technologinis variklis yra nebe NASA ar JAV gynybos departamentas, o paprasti informacinės visuomenės nariai, kuriuos kasdien pasiekia vis didesnis srautas informacijos per išmaniuosius elektrinius prietaisus (kompiuteriai, ryšių įranga, telefonai, planšetės ir kt.).

"What we didn't realize then was that the integrated circuit would reduce the cost of electronic functions by a factor of a million to one, nothing had ever done that for anything before" ~ Jack Kilby



IG klasifikacija

Integrinius grandynus galima klasifikuoti ir pagal gamybos technologiją į sluoksninius, hibridinius ir puslaidininkius:
Puslaidininkiniuose integrinio grandyno elementai ir juos jungiantys laidieji takeliai sudaromi vieno puslaidininkio kristalo viduje ir paviršiniame sluoksnyje.
Sluoksniniame integrinio grandyno elementai ir sujungimai sudaryti iš sluoksnių ant dielektriko paviršiaus. Sluoksninės technologijos metodu sudaromi pasyvieji elementai (varžai, ritės ir kondensatoriai).
Hibridinis integrinis grandynas sudaromas iš sluoksninių pasyviųjų elementų (varžų, kondensatorių, ritėms, laidžiųjų takelių bei aikštelių) ir bekorpusinių aktyviųjų komponentų (diodų, tranzistorių, puslaidininkių integriniai grandynai).

Dar vienas galimas integrinio grandyno klasifikavimo būdas yra pagal funkcinę paskirtį:
Analoginiai integriniai grandynai taikomi tolydiems signalams apdoroti, naudojami analoginėje technikoje kaip radioelektronika.
Skaitmeniniai integriniai grandynai taikomi diskretiniams signalams (skaitmeniniams) apdoroti, jų pritaikymas labai platus – nuo paprasčiausių automatizuotų sistemų iki superkompiuterių.

Atsižvelgiant į svarbiausių grandynų elementų tipą (tranzistorių), puslaidininkiniai integriniai grandynai skirstomi į dvipolius (Bi)  ir metalo-oksido-puslaidininkio (MOP) integrinius grandynus.
MOP tranzistoriai yra pranašesni už dvipolius. Jų gamyba paprastesnė nei dvipolių, todėl gaminant adekvačius integrinius grandynus MOP būna mažiau broko. MOP tranzistoriai yra gerokai mažesni, dėl to efektyviau panaudoja lusto plotą ir pasiekia didesnį integracijos laipsnį. MOP tranzistoriai pasižymi didele įėjimo varža, mažesniais triukšmais ir yra atsparesni jonizuojančiai spinduliuotei. Dėl pastarųjų išvardintų savybių, MOP integrinių grandynų vartojama galia yra maža ir jie mažiau kaista. Rezultatas – dauguma (3/4) šiuolaikinių mikroschemų naudoja MOP technologiją.
Atskirą, vieną svarbiausių MOP integrinių grandynų grupę sudaro komplementarieji MOP integriniai grandynai, sutrumpintai vadinamų KMOP (angl. CMOS). Nors KMOP integracinių grandynų gamyba sudėtingesnė ir jų veikimo sparta mažesnė, tačiau jie turi labai svarbų privalumą – šios technologijos mikroschemos grandine teka labai mažos srovės, o tranzistoriaus pusiausvyros būsenoje praktiškai nenaudojama srovė. Todėl KMOP labai efektyvūs kuriant didelio integracinio laipsnio mikroschemas (pvz., mobiliesiems prietaisams). Tai leidžia įrenginiams vartoti mažos galios ir įtampos maitinimo šaltinius.
Praktikoje didelės integracijos grandynai gaminami taikant maišytas Bi-KMOP arba Bi-MOP technologijas, taip išnaudojant abiejų technologijų privalomus.



Kitos šio straipsnio dalys:

    I dalis: Integrinio grandyno koncepcija, istorinė raida ir klasifikacija
    II dalis: Mūro dėsnis ir integracinio laipsnio didėjimas
    III dalis: Integrinio grandyno fabrikavimas