Ako sa piesok stáva kremíkom? Vysvetlenie výroby CPU

Svet beží na informáciách, pričom ľudstvo vytvára odhadom 2,5 milióna terabajtov dát denne. Všetky tieto údaje sú však zbytočné, pokiaľ ich nedokážeme spracovať, takže jednou z vecí, bez ktorých sa moderný svet nezaobíde, sú procesory.

Ale ako sa vyrába procesor? Prečo je to moderný zázrak? Ako môže výrobca umiestniť miliardy tranzistorov do takého malého balenia? Poďme sa ponoriť hlboko do toho, ako Intel, jeden z najväčších výrobcov čipov na svete, vytvára CPU z piesku.

Extrakcia kremíka z piesku

Základná zložka každého procesora, kremík, sa získava z púštneho piesku. Tento materiál sa hojne nachádza v zemskej kôre a pozostáva z približne 25 % až 50 % oxidu kremičitého. Spracováva sa na oddelenie kremíka od všetkých ostatných materiálov v piesku.

Spracovanie sa niekoľkokrát opakuje, kým výrobca nevytvorí vzorku s čistotou 99,9999 %. Vyčistený kremík sa potom naleje, aby sa vytvoril valcový ingot elektronickej kvality. Priemer valca je 300 mm a váži asi 100 kg.

Výrobca potom ingot nakrája na plátky tenké 925 mikrometrov. Následne je vyleštený do zrkadlovo hladkého povrchu, čím sa odstránia všetky chyby a kazy na jeho povrchu. Tieto hotové doštičky sa potom posielajú do závodu na výrobu polovodičov spoločnosti Intel na transformáciu z dosky kremíka na špičkový počítačový mozog.

Diaľnica FOUP

Keďže procesory sú vysoko presné súčiastky, ich čistý silikónový základ nesmie byť kontaminovaný pred, počas ani po výrobe. Tu prichádzajú na scénu zjednotené moduly s predným otváraním (FOUP). Tieto automatizované zásobníky pojmú naraz 25 plátkov, vďaka čomu sú pri preprave plátkov medzi strojmi v bezpečí v prostredí kontrolovanom prostredím.

Okrem toho môže každý plátok prejsť rovnakými krokmi stokrát, niekedy z jedného konca budovy na druhý. Celý proces je zabudovaný do strojov, takže FOUP vie, kam má ísť pre každý krok.

FOUP sa tiež pohybujú na jednokoľajových koľajniciach visiacich zo stropu, čo im umožňuje previesť najrýchlejšiu a najefektívnejšiu časť z jedného výrobného kroku do druhého.

Fotolitografia

Proces fotolitografie využíva fotorezist na vytlačenie vzorov na kremíkový plátok. Fotorezist je tvrdý, na svetlo citlivý materiál podobný tomu, ktorý nájdete na filme. Po nanesení sa plátok vystaví ultrafialovému svetlu s maskou podľa vzoru procesora.

Maska zaisťuje, že sú exponované iba miesta, ktoré chcú spracovať, a tak zanecháva fotorezist v danej oblasti rozpustný. Keď je vzor úplne vytlačený na silikónovom plátku, prechádza chemickým kúpeľom, aby sa všetko odstránilo exponovaný fotorezist, pričom zanechá vzor holého kremíka, ktorý prejde ďalšími krokmi v proces.

Iónová implantácia

Tiež známy ako doping, tento proces zahŕňa atómy z rôznych prvkov na zlepšenie vodivosti. Po dokončení sa odstráni počiatočná vrstva fotorezistu a na miesto sa vloží nová, aby sa plátok pripravil na ďalší krok.

Leptanie

Po ďalšom kole fotolitografie smeruje kremíkový plátok k leptaniu, kde sa začnú vytvárať tranzistory procesora. Fotorezist sa aplikuje na oblasti, kde chcú, aby kremík zostal, zatiaľ čo časti, ktoré je potrebné odstrániť, sú chemicky leptané.

Zostávajúci materiál sa pomaly stáva kanálmi tranzistorov, kde elektróny prúdia z jedného bodu do druhého.

Depozícia materiálu

Po vytvorení kanálov sa kremíkový plátok vráti do fotolitografie, aby podľa potreby pridal alebo odstránil vrstvy fotorezistu. Potom pokračuje k depozícii materiálu. Rôzne vrstvy rôznych materiálov, ako je oxid kremičitý, polykryštalický kremík, dielektrikum s vysokým k, rôzne kovové zliatiny a meď sa pridávajú a leptajú, aby sa vytvorili, finalizovali a spojili milióny tranzistorov na čip.

Chemicko-mechanická planarizácia

Každá vrstva procesora prechádza chemickou mechanickou planarizáciou, tiež známou ako leštenie, aby sa odstránili prebytočné materiály. Po odstránení najvrchnejšej vrstvy sa odhalí spodný medený vzor, ​​čo umožňuje výrobcovi vytvoriť viac medených vrstiev na pripojenie rôznych tranzistorov podľa potreby.

Hoci procesory vyzerajú neuveriteľne tenké, zvyčajne majú viac ako 30 vrstiev zložitých obvodov. To mu umožňuje poskytovať výpočtový výkon požadovaný dnešnými aplikáciami.

Testovanie, krájanie a triedenie

Kremíkový plátok môže prejsť všetkými vyššie uvedenými procesmi na vytvorenie procesora. Keď kremíkový plátok dokončí túto cestu, začne sa testovať. Tento proces kontroluje funkčnosť každého vytvoreného kusu na doštičke – či funguje alebo nie.

Po dokončení sa oblátka rozreže na kúsky nazývané matrica. Potom sa triedi, pričom razidlá, ktoré fungujú, postupujú ďalej do balenia a tie, ktoré zlyhajú, sa vyhodia.

Premena kremíkovej matrice na procesor

Tento proces, nazývaný balenie, premieňa matrice na spracovateľov. Substrát, zvyčajne doska s plošnými spojmi, a rozdeľovač tepla sú umiestnené na matrici, aby vytvorili CPU, ktoré si kúpite. Substrát je miesto, kde sa matrica fyzicky pripája k základnej doske, zatiaľ čo rozdeľovač tepla je v rozhraní s vašou DC alebo PWM chladiaci ventilátor CPU.

Testovanie a kontrola kvality

Dokončené procesory sú potom znova testované, ale tentoraz na výkon, výkon a funkčnosť. Tento test určuje aký čip to bude—či je dobré byť procesor i3, i5, i7 alebo i9. Procesory sú potom podľa toho rozdelené do skupín pre maloobchodné balenie alebo umiestnené do zásobníkov na doručenie výrobcom počítačov.

Mikroskopicky malý, no nesmierne komplikovaný

Aj keď procesory vyzerajú zvonku jednoducho, sú nesmierne komplikované. Výroba procesora trvá dva a pol až tri mesiace 24/7 procesov. A napriek vysoko precíznej konštrukcii týchto čipov stále nie je zaručené, že získajú dokonalý plátok.

V skutočnosti môžu výrobcovia procesorov stratiť niekde medzi 20 % až 70 % matríc na plátku kvôli nedokonalostiam, kontaminantom a ďalším. Táto hodnota je ďalej ovplyvnená čoraz menšími procesmi CPU, s najnovšie čipy s veľkosťou len 4 nm.

Ako však uvádza Mooreov zákon, stále môžeme až do roku 2025 očakávať zdvojnásobenie výkonu procesora každé dva roky. Kým procesory nenarazia na základný strop veľkosti atómov, všetky tieto výrobné procesy sa musia vyrovnať s návrhmi na výrobu čipu, ktorý požadujeme.

Čo je Moorov zákon a je stále relevantný v roku 2022?

Prečítajte si ďalej