Jak se z písku stane křemík? Vysvětlení výroby CPU

Svět běží na informacích, přičemž lidstvo vytváří odhadem 2,5 milionu terabajtů dat denně. Všechna tato data jsou však k ničemu, pokud je neumíme zpracovat, takže jednou z věcí, bez kterých se moderní svět neobejde, jsou procesory.

Ale jak se vyrábí procesor? Proč je to moderní zázrak? Jak může výrobce vměstnat miliardy tranzistorů do tak malého balení? Pojďme se ponořit hluboko do toho, jak Intel, jeden z největších výrobců čipů na světě, vytváří CPU z písku.

Extrakce křemíku z písku

Základní složka každého procesoru, křemík, se získává z pouštního písku. Tento materiál se hojně vyskytuje v zemské kůře a sestává z přibližně 25 % až 50 % oxidu křemičitého. Zpracovává se k oddělení křemíku od všech ostatních materiálů v písku.

Zpracování se několikrát opakuje, dokud výrobce nevytvoří vzorek o čistotě 99,9999 %. Vyčištěný křemík se poté nalije do válcového ingotu elektronické kvality. Průměr válce je 300 mm a váží asi 100 kg.

Výrobce poté ingot nakrájí na plátky tenké 925 mikrometrů. Poté je vyleštěn do zrcadlově hladkého povrchu, přičemž jsou odstraněny všechny vady a kazy na jeho povrchu. Tyto hotové destičky jsou poté odeslány do továrny na výrobu polovodičů společnosti Intel k transformaci z plátu křemíku na špičkový počítačový mozek.

Dálnice FOUP

Protože procesory jsou vysoce přesné součásti, jejich čistý křemíkový základ nesmí být kontaminován před, během nebo po výrobě. Zde přicházejí na řadu unifikované pody (FOUP) s předním otevíráním. Tyto automatizované zásobníky pojmou 25 waferů najednou a udržují je v bezpečí v prostředí kontrolovaném prostředí při přepravě waferů mezi stroji.

Kromě toho může každý plátek projít stejnými kroky stokrát, někdy z jednoho konce budovy na druhý. Celý proces je zabudován do strojů, takže FOUP ví, kam jít v každém kroku.

Také FOUP jezdí na jednokolejkách zavěšených ze stropu, což jim umožňuje přenést nejrychlejší a nejefektivnější část z jednoho výrobního kroku do druhého.

Fotolitografie

Proces fotolitografie využívá fotorezist k vytištění vzorů na křemíkový plátek. Fotorezist je tvrdý, na světlo citlivý materiál podobný tomu, který najdete na filmu. Jakmile je toto aplikováno, je plátek vystaven ultrafialovému světlu s maskou podle vzoru procesoru.

Maska zajišťuje, že jsou exponována pouze místa, která chtějí zpracovat, a tak ponechá fotorezist v této oblasti rozpustný. Jakmile se vzor zcela otiskne na křemíkový plátek, prochází chemickou lázní, aby se vše odstranilo exponovaný fotorezist a zanechá vzor holého křemíku, který projde dalšími kroky v proces.

Iontová implantace

Také známý jako doping, tento proces vkládá atomy z různých prvků ke zlepšení vodivosti. Po dokončení se odstraní počáteční vrstva fotorezistu a na místo se umístí nová, aby se plátek připravil na další krok.

Leptání

Po dalším kole fotolitografie zamíří křemíkový plátek k leptání, kde se začnou tvořit tranzistory procesoru. Fotorezist se aplikuje na oblasti, kde chtějí, aby křemík zůstal, zatímco části, které je třeba odstranit, jsou chemicky leptané.

Zbývající materiál se pomalu stává kanály tranzistorů, kde elektrony proudí z jednoho bodu do druhého.

Depozice materiálu

Jakmile jsou kanály vytvořeny, křemíkový plátek se vrátí do fotolitografie, aby podle potřeby přidal nebo odstranil vrstvy fotorezistu. Poté pokračuje k ukládání materiálu. Různé vrstvy různých materiálů, jako je oxid křemičitý, polykrystalický křemík, dielektrikum s vysokým k kovové slitiny a měď se přidávají a leptají, aby se vytvořily, finalizovaly a propojily miliony tranzistorů na čip.

Chemicko-mechanická planarizace

Každá vrstva procesoru prochází chemickou mechanickou planarizací, známou také jako leštění, aby se odstranily přebytečné materiály. Jakmile je nejvrchnější vrstva odstraněna, objeví se spodní měděný vzor, ​​což umožňuje výrobci vytvořit více měděných vrstev pro připojení různých tranzistorů podle potřeby.

Přestože procesory vypadají neuvěřitelně tenké, obvykle mají více než 30 vrstev složitých obvodů. To mu umožňuje poskytovat výpočetní výkon požadovaný dnešními aplikacemi.

Testování, krájení a třídění

Křemíkový plátek může projít všemi výše uvedenými procesy a vytvořit procesor. Jakmile křemíkový plátek dokončí tuto cestu, začne testovat. Tento proces kontroluje funkčnost každého vytvořeného kusu na waferu – zda ​​funguje nebo ne.

Jakmile je oplatka hotová, nakrájí se na kousky zvané matrice. Poté se třídí, kde fungující matrice postupují do balení a ty, které selžou, jsou vyřazeny.

Přeměna křemíkové matrice na procesor

Tento proces, nazývaný balení, přeměňuje matrice na zpracovatele. Substrát, obvykle deska s plošnými spoji, a rozvaděč tepla jsou umístěny na matrici, aby vytvořily CPU, které si koupíte. Substrát je místo, kde se matrice fyzicky připojuje k základní desce, zatímco rozvaděč tepla je propojen s vaší DC nebo PWM chladicí ventilátor CPU.

Testování a kontrola kvality

Hotové procesory jsou poté znovu testovány, tentokrát však na výkon, výkon a funkčnost. Tento test určuje jaký to bude čip—zda je dobré býti procesor i3, i5, i7 nebo i9. Procesory jsou pak podle toho seskupeny pro maloobchodní balení nebo umístěny do zásobníků pro dodání výrobcům počítačů.

Mikroskopicky malý, ale nesmírně komplikovaný

Zatímco procesory vypadají zvenčí jednoduše, jsou nesmírně složité. Výroba procesoru trvá dva a půl až tři měsíce procesů 24/7. A navzdory vysoce přesnému inženýrství za těmito čipy stále neexistuje žádná záruka, že dostanou perfektní wafer.

Ve skutečnosti mohou výrobci procesorů ztratit někde mezi 20 % a 70 % matric na plátku kvůli nedokonalostem, nečistotám a dalším. Tato hodnota je dále ovlivněna stále menšími procesy CPU, s nejnovější čipy jsou malé jako 4nm.

Jak však uvádí Mooreův zákon, stále můžeme do roku 2025 očekávat zdvojnásobení výkonu procesoru každé dva roky. Dokud procesory nenarazí na základní strop velikosti atomů, všechny tyto výrobní procesy se musí vyrovnat s návrhy, aby vyrobily čip, který požadujeme.

Co je Moorův zákon a je stále aktuální v roce 2022?

Přečtěte si další