Cum devine nisipul siliciu? Fabricarea procesorului explicată

Lumea funcționează pe baza informațiilor, umanitatea creând aproximativ 2,5 milioane de terabytes de date pe zi. Cu toate acestea, toate aceste date sunt inutile dacă nu le putem procesa, așa că, probabil, unul dintre lucrurile fără care lumea modernă nu poate trăi sunt procesoarele.

Dar cum se face un procesor? De ce este o minune modernă? Cum poate un producător să încapă miliarde de tranzistori într-un pachet atât de mic? Să ne aprofundăm în modul în care Intel, unul dintre cei mai mari producători de cipuri la nivel global, creează un procesor din nisip.

Extragerea siliciului din nisip

Ingredientul de bază al oricărui procesor, siliciul, este extras din nisipul deșertului. Acest material se găsește din abundență în scoarța terestră și este format din aproximativ 25% până la 50% dioxid de siliciu. Este procesat pentru a separa siliciul de toate celelalte materiale din nisip.

Procesarea se repetă de mai multe ori până când producătorul creează o probă pură de 99,9999%. Siliciul purificat este apoi turnat pentru a forma un lingot cilindric de calitate electronică. Diametrul cilindrului este de 300 mm și cântărește aproximativ 100 kg.

Producătorul taie apoi lingoul în napolitane subțiri de 925 de micrometri. Ulterior, este lustruit până la un finisaj neted ca oglindă, eliminând toate defectele și petele de pe suprafața sa. Aceste plachete finite sunt apoi expediate la uzina de fabricare a semiconductoarelor Intel pentru a fi transformate dintr-o placă de siliciu într-un creier de computer de înaltă tehnologie.

Autostrada FOUP

Deoarece procesoarele sunt piese de înaltă precizie, baza lor de siliciu pur nu trebuie contaminată înainte, în timpul sau după fabricație. Aici intervin podurile unificate cu deschidere frontală (FOUP). Aceste capsule automate dețin 25 de napolitane simultan, păstrându-le în siguranță într-un spațiu controlat de mediu atunci când transportați napolitane între mașini.

În plus, fiecare napolitană poate parcurge aceleași pași de sute de ori, mergând uneori de la un capăt la altul al clădirii. Întregul proces este încorporat în mașini, astfel încât FOUP să știe unde să meargă pentru fiecare pas.

De asemenea, FOUP-urile călătoresc pe monoșini atârnate de tavan, permițându-le să treacă cea mai rapidă și mai eficientă parte de la o etapă de fabricație la alta.

Fotolitografie

Procesul de fotolitografie folosește un fotorezist pentru a imprima modele pe placă de siliciu. Photoresist este un material dur, sensibil la lumină, similar cu ceea ce găsiți pe film. Odată ce aceasta este aplicată, napolitana este expusă la lumină ultravioletă cu o mască a modelului procesorului.

Masca asigură că sunt expuse doar locurile pe care doresc să le proceseze, lăsând astfel fotorezistul din acea zonă solubil. Odată ce modelul este imprimat complet pe placa de siliciu, acesta trece printr-o baie chimică pentru a îndepărta toate fotorezistul expus, lăsând un model de silicon gol care va trece prin următorii pași în proces.

Implantarea ionică

Cunoscut și sub denumirea de dopaj, acest proces înglobează atomi din diferite elemente pentru a îmbunătăți conductivitatea. Odată finalizat, stratul inițial de fotorezist este îndepărtat și este pus unul nou pentru a pregăti napolitana pentru următorul pas.

Gravurare

După o altă rundă de fotolitografie, placheta de siliciu se îndreaptă către gravare, unde încep să se formeze tranzistorii procesorului. Photoresist se aplică în zonele în care doresc să rămână siliciul, în timp ce părțile care trebuie îndepărtate sunt gravate chimic.

Materialul rămas devine încet canalele tranzistorilor, unde electronii circulă dintr-un punct în altul.

Depunerea materialului

Odată ce canalele au fost create, placheta de siliciu revine la fotolitografie pentru a adăuga sau elimina straturi de fotorezist, după cum este necesar. Se trece apoi la depunerea materialului. Diverse straturi de materiale diferite, cum ar fi dioxid de siliciu, siliciu policristalin, dielectric de înaltă k, diferite Aliajele metalice și cuprul sunt adăugate și gravate pentru a crea, finaliza și conecta milioanele de tranzistori de pe cip.

Planarizare chimică mecanică

Fiecare strat de procesor suferă o planarizare mecanică chimică, cunoscută și sub denumirea de lustruire, pentru a îndepărta excesul de materiale. Odată ce stratul superior este îndepărtat, modelul de cupru subiacent este dezvăluit, permițând producătorului să creeze mai multe straturi de cupru pentru a conecta diferitele tranzistoare după cum este necesar.

Deși procesoarele arată incredibil de subțiri, de obicei au mai mult de 30 de straturi de circuite complexe. Acest lucru îi permite să furnizeze puterea de procesare necesară aplicațiilor actuale.

Testare, tăiere și sortare

O placă de siliciu poate trece prin toate procesele de mai sus pentru a crea un procesor. Odată ce placheta de siliciu termină această călătorie, apoi începe testarea. Acest proces verifică funcționalitatea fiecărei piese create pe wafer, indiferent dacă funcționează sau nu.

Odată gata, napolitana este apoi tăiată în bucăți numite matriță. Apoi este sortat, în cazul în care matrițele care funcționează înaintează la ambalare, iar cele care eșuează sunt aruncate.

Transformarea matriței de siliciu într-un procesor

Acest proces, numit ambalare, transformă matrițele în procesoare. Un substrat, de obicei o placă de circuit imprimat și un distribuitor de căldură sunt puse pe matriță pentru a forma procesorul pe care îl cumpărați. Substratul este locul în care matrița se conectează fizic la placa de bază, în timp ce distribuitorul de căldură interfață cu dvs Ventilatorul de răcire DC sau PWM al procesorului.

Testare și control al calității

Procesoarele finalizate sunt apoi testate din nou, dar de data aceasta pentru performanță, putere și funcționalitate. Acest test determină ce fel de cip va fi— indiferent dacă e bine să fii un procesor i3, i5, i7 sau i9. Procesoarele sunt apoi grupate corespunzător pentru ambalarea cu amănuntul sau plasate în tăvi pentru livrarea către producătorii de computere.

Microscopic mic, dar extrem de complicat

În timp ce procesoarele par simple din exterior, sunt extrem de complicate. Fabricarea procesorului durează două luni și jumătate până la trei luni de procese 24/7. Și în ciuda ingineriei extrem de precise din spatele acestor cipuri, încă nu există nicio garanție că vor obține o napolitană perfectă.

De fapt, producătorii de procesoare pot pierde undeva între 20% și 70% din matrițele de pe o napolitana din cauza imperfecțiunilor, contaminanților și nu numai. Această valoare este influențată în continuare de procesele CPU din ce în ce mai mici, cu Cele mai noi cipuri ajung la 4 nm.

Cu toate acestea, după cum afirmă Legea lui Moore, încă ne putem aștepta ca performanța procesorului să se dubleze la fiecare doi ani până în 2025. Până când procesoarele ating plafonul fundamental al dimensiunii atomului, toate aceste procese de fabricație trebuie să facă față design-urilor pentru a produce cipul pe care îl solicităm.

Ce este legea lui Moore și este încă relevantă în 2022?

Citiți în continuare