Kako pesek postane silicij? Razložena proizvodnja CPU

Svet deluje na informacijah, človeštvo pa ustvari približno 2,5 milijona terabajtov podatkov na dan. Vendar so vsi ti podatki neuporabni, če jih ne moremo obdelati, zato so verjetno ena od stvari, brez katerih sodobni svet ne more živeti, procesorji.

Toda kako je izdelan procesor? Zakaj je moderno čudo? Kako lahko proizvajalec spravi milijarde tranzistorjev v tako majhen paket? Poglobimo se v to, kako Intel, eden največjih svetovnih proizvajalcev čipov, ustvarja CPU iz peska.

Pridobivanje silicija iz peska

Osnovna sestavina katerega koli procesorja, silicij, se pridobiva iz puščavskega peska. Ta material najdemo v izobilju v zemeljski skorji in je sestavljen iz približno 25 % do 50 % silicijevega dioksida. Obdelan je za ločitev silicija od vseh drugih materialov v pesku.

Obdelava se večkrat ponovi, dokler proizvajalec ne ustvari 99,9999 % čistega vzorca. Prečiščen silicij nato vlijemo, da nastane valjast ingot elektronskega razreda. Premer valja je 300 mm in tehta približno 100 kg.

Proizvajalec nato ingot razreže na 925 mikrometrov tanke rezine. Nato se polira do zrcalno gladkega konca, s čimer se odstranijo vse pomanjkljivosti in madeži na njegovi površini. Te gotove rezine se nato pošljejo v Intelov obrat za proizvodnjo polprevodnikov za preoblikovanje iz plošče silicija v visokotehnološke računalniške možgane.

Avtocesta FOUP

Ker so procesorji zelo natančni deli, njihova čista silikonska osnova ne sme biti kontaminirana pred, med ali po izdelavi. Tu pridejo na vrsto poenoteni stroki, ki se odpirajo spredaj (FOUP). Ti avtomatizirani stroki hranijo 25 rezin naenkrat, kar jih ohranja na varnem in varnem v okolju, nadzorovanem prostoru pri transportu rezin med stroji.

Poleg tega lahko vsaka rezina potuje skozi iste korake stokrat, včasih pa gre z enega konca stavbe na drugega. Celoten proces je vgrajen v stroje, tako da FOUP ve, kam naj gre za vsak korak.

Poleg tega FOUP-ji potujejo po monotirnicah, ki visijo s stropa, kar jim omogoča, da prevzamejo najhitrejši in najučinkovitejši del od enega proizvodnega koraka do drugega.

Fotolitografija

Postopek fotolitografije uporablja fotorezist za vtiskovanje vzorcev na silikonsko rezino. Photoresist je trden, na svetlobo občutljiv material, podoben tistemu, ki ga najdete na filmu. Ko se ta nanese, je rezina izpostavljena ultravijolični svetlobi z masko vzorca procesorja.

Maska zagotavlja, da so izpostavljena le tista mesta, ki jih želijo obdelati, s čimer ostane fotorezist na tem področju topen. Ko je vzorec v celoti vtisnjen na silikonsko rezino, gre skozi kemično kopel, da odstrani vse izpostavljen fotorezist, ki pušča vzorec golega silicija, ki bo šel skozi naslednje korake v proces.

Ionska implantacija

Ta proces, znan tudi kot doping, vključuje atome iz različnih elementov za izboljšanje prevodnosti. Ko je končana, se odstrani začetna plast fotorezistov in namesti se nova, da pripravi rezino za naslednji korak.

Jedkanje

Po drugem krogu fotolitografije se silicijeva rezina usmeri na jedkanje, kjer se začnejo oblikovati tranzistorji procesorja. Fotorezist nanesemo na področja, kjer želijo, da ostane silicij, medtem ko so dele, ki jih je treba odstraniti, kemično jedkano.

Preostali material počasi postane tranzistorski kanali, kjer se elektroni pretakajo iz ene točke v drugo.

Odlaganje materiala

Ko so kanali ustvarjeni, se silicijeva rezina vrne v fotolitografijo, da po potrebi doda ali odstrani plasti fotorezistov. Nato se nadaljuje z materialnim odlaganjem. Različne plasti različnih materialov, kot so silicijev dioksid, polikristalni silicij, visokok dielektrik, različni kovinske zlitine in baker se dodajo in jedkajo, da ustvarijo, dokončajo in povežejo milijone tranzistorjev na čip.

Kemijsko-mehanska planarizacija

Vsaka plast procesorja je podvržena kemično mehanski planarizaciji, znani tudi kot poliranje, da se odstranijo odvečni materiali. Ko je zgornja plast odstranjena, se razkrije osnovni bakren vzorec, ki proizvajalcu omogoča, da ustvari več bakrenih plasti za povezovanje različnih tranzistorjev po potrebi.

Čeprav so procesorji videti nemogoče tanki, imajo običajno več kot 30 plasti zapletenega vezja. To mu omogoča zagotavljanje procesorske moči, ki jo zahtevajo današnje aplikacije.

Testiranje, rezanje in razvrščanje

Silicijeva rezina lahko gre skozi vse zgornje postopke, da ustvari procesor. Ko silicijeva rezina zaključi to pot, se začne s testiranjem. Ta postopek preveri funkcionalnost vsakega ustvarjenega kosa na rezini – ne glede na to, ali deluje ali ne.

Ko je narejen, se oblat razreže na kose, ki jim rečemo matrica. Nato se razvrsti, kjer se matrice, ki delajo, premaknejo naprej v embalažo, tiste, ki ne uspejo, pa zavržemo.

Pretvorba silicijeve matrice v procesor

Ta proces, imenovan pakiranje, pretvori matrice v procesorje. Substrat, običajno tiskano vezje, in razpršilec toplote sta nameščena na matrico, da tvorita CPE, ki ga kupite. Substrat je tam, kjer se matrica fizično poveže z matično ploščo, medtem ko se razpršilnik toplote poveže z vašim CPU-jev DC ali PWM ventilator za hlajenje.

Testiranje in kontrola kakovosti

Dokončani procesorji se nato ponovno testirajo, vendar tokrat glede zmogljivosti, moči in funkcionalnosti. Ta test določa kakšen čip bo to—ali je dobro biti procesor i3, i5, i7 ali i9. Procesorji so nato ustrezno združeni za maloprodajno embalažo ali postavljeni v pladnje za dostavo proizvajalcem računalnikov.

Mikroskopsko majhna, a izjemno zapletena

Čeprav so procesorji od zunaj videti preprosti, so izjemno zapleteni. Proizvodnja procesorjev traja dva in pol do tri mesece 24/7 procesov. In kljub zelo natančnemu inženirstvu, ki stoji za temi čipi, še vedno ni nobenega zagotovila, da bodo dobili popolno rezino.

Dejansko lahko izdelovalci procesorjev izgubijo nekje med 20 % in 70 % matric na rezini zaradi nepopolnosti, onesnaževalcev in drugega. Na to vrednost dodatno vplivajo vse manjši procesi CPE, z najnovejši čipi, ki so majhni kot 4nm.

Vendar, kot pravi Moorov zakon, lahko še vedno pričakujemo, da se bo zmogljivost procesorja podvojila vsaki dve leti do leta 2025. Dokler procesorji ne dosežejo osnovne zgornje meje velikosti atoma, morajo vsi ti proizvodni procesi ustrezati načrtom za proizvodnjo čipa, ki ga zahtevamo.

Kaj je Moorov zakon in ali je še vedno pomemben v letu 2022?

Preberite Naprej