Hogyan lesz a homokból szilícium? CPU gyártás magyarázata

A világ információra épül, az emberiség becslések szerint napi 2,5 millió terabájt adatot hoz létre. Mindezek az adatok azonban hiábavalók, hacsak nem tudjuk feldolgozni, így vitathatatlanul az egyik dolog, ami nélkül a modern világ nem tud élni, a processzorok.

De hogyan készül a processzor? Miért modern csoda? Hogyan tud egy gyártó több milliárd tranzisztort belehelyezni egy ilyen kis csomagba? Merüljünk el mélyebben abban, hogy az Intel, a világ egyik legnagyobb chipgyártója hogyan hoz létre homokból CPU-t.

Szilícium kinyerése homokból

Bármely processzor alapanyagát, a szilíciumot sivatagi homokból vonják ki. Ez az anyag bőségesen megtalálható a földkéregben, és körülbelül 25-50% szilícium-dioxidot tartalmaz. Feldolgozása során a szilíciumot elválasztják a homokban lévő összes többi anyagtól.

A feldolgozás többször megismétlődik, amíg a gyártó 99,9999%-os tisztaságú mintát nem készít. A tisztított szilíciumot ezután kiöntik egy hengeres, elektronikus minőségű tuskó kialakítására. A henger átmérője 300 mm, súlya körülbelül 100 kg.

A gyártó ezután 925 mikrométer vékony ostyákra vágja a tuskót. Ezt követően tükörsima felületre polírozzák, eltávolítva a felületén lévő összes hibát és foltot. Ezeket a kész lapkákat azután az Intel félvezetőgyártó üzemébe szállítják, ahol szilíciumlemezből high-tech számítógép-agygá alakítják át.

A FOUP autópálya

Mivel a processzorok nagy pontosságú alkatrészek, tiszta szilícium alapjuk nem szennyeződhet a gyártás előtt, alatt vagy után. Itt jönnek be az elöl nyíló egyesített hüvelyek (FOUP-ok). Ezek az automatizált tokok egyszerre 25 ostyát tárolnak, így biztonságosan és biztonságosan tartják őket egy környezetbarát helyen, amikor az ostyákat a gépek között szállítják.

Továbbá mindegyik ostya több százszor is áthaladhat ugyanazon a lépésen, néha az épület egyik végétől a másikig. A teljes folyamat be van ágyazva a gépekbe, így a FOUP tudja, hová kell mennie minden egyes lépésnél.

Ezenkívül a FOUP-ok a mennyezetről függő egysíneken közlekednek, lehetővé téve számukra, hogy a leggyorsabb és leghatékonyabb alkatrészt vigyék át egyik gyártási lépésről a másikra.

Fotolitográfia

A fotolitográfiás eljárás fotorezisztet használ, hogy mintákat nyomjon a szilícium lapkára. A Photoresist egy szívós, fényérzékeny anyag, hasonló a filmen található anyaghoz. Ennek alkalmazása után az ostyát ultraibolya fénynek teszik ki a processzor mintájának maszkkal.

A maszk biztosítja, hogy csak azok a helyek legyenek megvilágítva, amelyeket meg akarnak dolgozni, így a fotoreziszt ezen a területen oldhatóvá válik. Miután a minta teljesen rányomódott a szilícium ostyára, egy vegyi fürdőn megy keresztül, hogy mindent eltávolítson az exponált fotoreziszt, így csupasz szilícium mintát hagy, amely a következő lépéseken megy keresztül folyamat.

Ion beültetés

Adalékolásként is ismert, ez a folyamat különböző elemek atomjait ágyazza be a vezetőképesség javítása érdekében. Ha elkészült, a kezdeti fotoreziszt réteget eltávolítják, és egy újat helyeznek a helyére, hogy előkészítsék az ostyát a következő lépéshez.

Rézkarc

Egy újabb fotolitográfiás kör után a szilíciumlapka a maratáshoz megy, ahol a processzor tranzisztorai kezdenek kialakulni. A fotorezisztet azokon a területeken alkalmazzák, ahol azt akarják, hogy a szilícium megmaradjon, míg az eltávolítandó részeket kémiailag maratják.

A maradék anyag lassan a tranzisztorok csatornáivá válik, ahol az elektronok egyik pontból a másikba áramlanak.

Anyaglerakódás

A csatornák létrehozása után a szilícium lapka visszatér a fotolitográfiához, hogy szükség szerint adjon hozzá vagy távolítson el fotoreziszt rétegeket. Ezután az anyag lerakódása következik. Különböző rétegek különböző anyagokból, mint például szilícium-dioxid, polikristályos szilícium, magas ka-értékű dielektrikum, különböző fémötvözeteket és rezet adnak hozzá és maratják, hogy létrehozzák, véglegesítsék és összekapcsolják a tranzisztorok millióit Forgács.

Kémiai mechanikai planarizálás

Minden processzorréteg kémiai mechanikai síkosításon, más néven polírozáson esik át, hogy levágják a felesleges anyagokat. A legfelső réteg eltávolítása után feltárul az alatta lévő rézmintázat, ami lehetővé teszi a gyártó számára, hogy további rézrétegeket hozzon létre a különböző tranzisztorok igény szerinti csatlakoztatásához.

Bár a processzorok hihetetlenül vékonynak tűnnek, általában több mint 30 rétegű összetett áramkört tartalmaznak. Ez lehetővé teszi a mai alkalmazások által igényelt feldolgozási teljesítmény biztosítását.

Tesztelés, szeletelés és válogatás

A szilícium ostya az összes fenti folyamaton keresztül tud processzort létrehozni. Miután a szilíciumlapka befejezte ezt az utat, megkezdődik a tesztelés. Ez a folyamat ellenőrzi az ostyán minden egyes létrehozott darab működőképességét – hogy működik-e vagy sem.

Miután elkészült, az ostyát darabokra vágják, amelyeket matricának neveznek. Ezután szétválogatják, ahol a működő szerszámok továbbhaladnak a csomagolásig, a meghibásodottakat pedig eldobják.

A szilikon szerszám processzorrá alakítása

Ez a csomagolásnak nevezett folyamat a szerszámokat processzorokká alakítja. A megvásárolt CPU kialakításához egy hordozót, általában egy nyomtatott áramköri lapot, és egy hőelosztót helyeznek a szerszámra. A hordozó az a hely, ahol a szerszám fizikailag csatlakozik az alaplaphoz, míg a hőelosztó érintkezik az alaplappal CPU DC vagy PWM hűtőventilátora.

Tesztelés és minőségellenőrzés

Az elkészült processzorokat ezután újra tesztelik, de ezúttal teljesítmény, teljesítmény és funkcionalitás szempontjából. Ez a teszt meghatározza milyen chip lesz– hogy jó-e annak lenni i3, i5, i7 vagy i9 processzor. A processzorokat ezután ennek megfelelően csoportosítják a kiskereskedelmi csomagoláshoz, vagy tálcákba helyezik a számítógép-gyártók számára történő kiszállításhoz.

Mikroszkóposan kicsi, de rendkívül bonyolult

Míg a processzorok kívülről egyszerűnek tűnnek, rendkívül bonyolultak. A processzorgyártás két és fél-három hónapot vesz igénybe a hét minden napján, 24 órában. A chipek mögött meghúzódó rendkívül precíz tervezés ellenére még mindig nincs garancia arra, hogy tökéletes ostyát kapnak.

Valójában a processzorgyártók a tökéletlenségek, szennyeződések és egyebek miatt elveszíthetik az ostyák matricáinak 20-70%-át. Ezt az értéket tovább befolyásolják az egyre kisebb CPU-folyamatok, a a legújabb chipek akár 4 nm-esek is.

Amint azonban Moore törvénye kimondja, továbbra is számíthatunk arra, hogy a processzor teljesítménye kétévente megduplázódik 2025-ig. Amíg a processzorok el nem érik az atomméret alapvető plafonját, ezeknek a gyártási folyamatoknak meg kell felelniük az általunk igényelt chip előállításához szükséges terveknek.

Mi az a Moore-törvény, és még mindig aktuális 2022-ben?

Olvassa el a következőt