Kako pijesak postaje silicij? Objašnjenje proizvodnje CPU-a

Svijet temelji na informacijama, a čovječanstvo stvara oko 2,5 milijuna terabajta podataka dnevno. No, svi su ti podaci beskorisni ako ih ne možemo obraditi, pa je, vjerojatno, jedna od stvari bez koje suvremeni svijet ne može živjeti procesori.

Ali kako je napravljen procesor? Zašto je moderno čudo? Kako proizvođač može smjestiti milijarde tranzistora u tako mali paket? Zaronimo duboko u to kako Intel, jedan od najvećih svjetskih proizvođača čipova, stvara CPU od pijeska.

Vađenje silicija iz pijeska

Osnovni sastojak svakog procesora, silicij, ekstrahira se iz pustinjskog pijeska. Ovaj materijal se u izobilju nalazi u zemljinoj kori i sastoji se od oko 25% do 50% silicijevog dioksida. Obrađuje se kako bi se odvojio silicij od svih ostalih materijala u pijesku.

Obrada se ponavlja nekoliko puta dok proizvođač ne stvori uzorak čistoće od 99,9999%. Pročišćeni silicij se zatim izlije kako bi se formirao cilindrični ingot elektroničkog kvaliteta. Promjer cilindra je 300 mm, a težina oko 100 kg.

Proizvođač zatim reže ingot u oblatne debljine 925 mikrometara. Nakon toga se polira do zrcalno glatke završne obrade, uklanjajući sve nedostatke i mrlje na njegovoj površini. Ove gotove pločice se zatim šalju u Intelovu tvornicu za proizvodnju poluvodiča za transformaciju iz ploče silicija u visokotehnološki računalni mozak.

Autocesta FOUP

Budući da su procesori dijelovi visoke preciznosti, njihova čista silikonska baza ne smije biti kontaminirana prije, tijekom ili nakon proizvodnje. Ovdje dolaze objedinjene kapsule koje se otvaraju sprijeda (FOUP). Ove automatizirane mahune drže 25 vafla odjednom, čuvajući ih sigurnima u prostoru koji kontrolira okoliš prilikom transporta vafla između strojeva.

Nadalje, svaka pločica može proći kroz iste korake stotine puta, ponekad idući s jednog kraja zgrade na drugi. Cijeli proces je ugrađen u strojeve tako da FOUP zna kamo ići za svaki korak.

Također, FOUP-ovi putuju na monotrakama koje vise sa stropa, omogućujući im da preuzmu najbrži i najučinkovitiji dio od jednog proizvodnog koraka do drugog.

Fotolitografija

Proces fotolitografije koristi fotorezist za utiskivanje uzoraka na silicijsku pločicu. Fotorezist je čvrst materijal osjetljiv na svjetlost sličan onome što se nalazi na filmu. Nakon što se to nanese, oblatna se izlaže ultraljubičastom svjetlu s maskom uzorka procesora.

Maska osigurava da su izložena samo mjesta koja žele obraditi, ostavljajući tako fotorezist na tom području topiv. Nakon što je uzorak u potpunosti utisnut na silikonsku pločicu, prolazi kroz kemijsku kupelj kako bi se uklonili svi izloženi fotorezist, ostavljajući uzorak golog silicija koji će proći kroz sljedeće korake u postupak.

Ionska implantacija

Također poznat kao doping, ovaj proces ugrađuje atome iz različitih elemenata kako bi se poboljšala vodljivost. Kada se završi, uklanja se početni sloj fotorezista i postavlja se novi kako bi se vafla pripremila za sljedeći korak.

Jetkanje

Nakon još jednog kruga fotolitografije, silikonska pločica prelazi na jetkanje, gdje se počinju formirati tranzistori procesora. Fotorezist se nanosi na mjesta na kojima želi da ostane silicij, dok se dijelovi koji se moraju ukloniti kemijski urezati.

Preostali materijal polako postaje kanali tranzistora, gdje elektroni teku s jedne točke na drugu.

Taloženje materijala

Nakon što su kanali stvoreni, silikonska pločica se vraća u fotolitografiju kako bi dodala ili uklonila slojeve fotootpora prema potrebi. Zatim prelazi na taloženje materijala. Različiti slojevi različitih materijala, kao što su silicij dioksid, polikristalni silicij, visokok dielektrik, različiti metalne legure i bakar dodaju se i urezuju kako bi se stvorili, finalizirali i povezali milijuni tranzistora na čip.

Kemijska mehanička planarizacija

Svaki sloj procesora prolazi kroz kemijsku mehaničku planarizaciju, također poznatu kao poliranje, kako bi se uklonio višak materijala. Nakon što se gornji sloj ukloni, otkriva se temeljni bakreni uzorak, dopuštajući proizvođaču da stvori više bakrenih slojeva za povezivanje različitih tranzistora prema potrebi.

Iako procesori izgledaju nevjerojatno tanki, obično imaju više od 30 slojeva složenih sklopova. To mu omogućuje isporuku procesorske snage potrebnu za današnje aplikacije.

Testiranje, rezanje i sortiranje

Silikonska pločica može proći kroz sve gore navedene procese kako bi stvorila procesor. Nakon što silikonska pločica završi to putovanje, tada počinje testiranje. Ovaj proces provjerava funkcionalnost svakog stvorenog komada na pločici - bez obzira radi li ili ne.

Nakon što je gotova, oblatna se zatim reže na komade koje se nazivaju matrica. Zatim se sortira, gdje se matrice koje rade pomiču naprijed na pakiranje, a one koje ne uspije se odbacuju.

Pretvaranje silikonske matrice u procesor

Ovaj proces, nazvan pakiranje, pretvara matrice u procesore. Podloga, obično tiskana ploča, i raspršivač topline stavljaju se na matricu kako bi se formirao CPU koji kupujete. Podloga je mjesto gdje se matrica fizički povezuje s matičnom pločom dok se raspršivač topline povezuje s vašim CPU-ov DC ili PWM ventilator za hlađenje.

Ispitivanje i kontrola kvalitete

Dovršeni procesori se zatim ponovno testiraju, ali ovaj put na performanse, snagu i funkcionalnost. Ovaj test utvrđuje kakav će to čip biti—je li dobro biti i3, i5, i7 ili i9 procesor. Procesori se zatim grupiraju u skladu s tim za maloprodajno pakiranje ili stavljaju u ladice za isporuku proizvođačima računala.

Mikroskopski mali, ali neizmjerno kompliciran

Iako procesori izvana izgledaju jednostavno, iznimno su komplicirani. Proizvodnja procesora traje dva i pol do tri mjeseca 24/7 procesa. I unatoč vrlo preciznom inženjeringu koji stoji iza ovih čipova, još uvijek nema jamstva da će dobiti savršenu pločicu.

Zapravo, proizvođači procesora mogu izgubiti negdje između 20% i 70% matrica na pločici zbog nesavršenosti, onečišćenja i još mnogo toga. Na ovu vrijednost dodatno utječu sve manji CPU procesi, s Najnoviji čipovi koji idu čak 4nm.

Međutim, kako kaže Mooreov zakon, još uvijek možemo očekivati ​​da će se performanse procesora udvostručiti svake dvije godine do 2025. Sve dok procesori ne dosegnu temeljni prag veličine atoma, svi ti proizvodni procesi moraju se nositi s dizajnom za proizvodnju čipa koji zahtijevamo.

Što je Mooreov zakon i je li još uvijek relevantan u 2022.?

Pročitajte dalje