Πώς η άμμος γίνεται πυρίτιο; Επεξήγηση κατασκευής CPU

Ο κόσμος λειτουργεί με πληροφορίες, με την ανθρωπότητα να δημιουργεί περίπου 2,5 εκατομμύρια terabytes δεδομένων την ημέρα. Ωστόσο, όλα αυτά τα δεδομένα είναι άχρηστα εκτός αν μπορούμε να τα επεξεργαστούμε, επομένως, αναμφισβήτητα, ένα από τα πράγματα χωρίς τα οποία δεν μπορεί να ζήσει ο σύγχρονος κόσμος είναι οι επεξεργαστές.

Πώς κατασκευάζεται όμως ένας επεξεργαστής; Γιατί είναι ένα σύγχρονο θαύμα; Πώς μπορεί ένας κατασκευαστής να χωρέσει δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα τόσο μικρό πακέτο; Ας βουτήξουμε βαθιά στο πώς η Intel, ένας από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές chip παγκοσμίως, δημιουργεί μια CPU από άμμο.

Εξαγωγή πυριτίου από την άμμο

Το βασικό συστατικό οποιουδήποτε επεξεργαστή, το πυρίτιο, εξάγεται από την άμμο της ερήμου. Αυτό το υλικό βρίσκεται σε αφθονία στον φλοιό της γης και αποτελείται από περίπου 25% έως 50% διοξείδιο του πυριτίου. Επεξεργάζεται για να διαχωρίσει το πυρίτιο από όλα τα άλλα υλικά στην άμμο.

Η επεξεργασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές μέχρι ο κατασκευαστής να δημιουργήσει ένα καθαρό δείγμα 99,9999%. Το καθαρισμένο πυρίτιο στη συνέχεια χύνεται για να σχηματιστεί μια κυλινδρική ράβδος ηλεκτρονικής ποιότητας. Η διάμετρος του κυλίνδρου είναι 300mm και ζυγίζει περίπου 100kg.

Στη συνέχεια, ο κατασκευαστής κόβει το πλινθίο σε γκοφρέτες λεπτού 925 μικρομέτρων. Στη συνέχεια, γυαλίζεται σε ένα λείο φινίρισμα όπως ο καθρέφτης, αφαιρώντας όλα τα ελαττώματα και τις ατέλειες στην επιφάνειά του. Αυτές οι έτοιμες γκοφρέτες αποστέλλονται στη συνέχεια στο εργοστάσιο κατασκευής ημιαγωγών της Intel για μετασχηματισμό από μια πλάκα πυριτίου σε εγκέφαλο υπολογιστή υψηλής τεχνολογίας.

Η εθνική οδός FOUP

Καθώς οι επεξεργαστές είναι εξαρτήματα υψηλής ακρίβειας, η βάση τους από καθαρό πυρίτιο δεν πρέπει να μολυνθεί πριν, κατά τη διάρκεια ή μετά την κατασκευή. Εδώ μπαίνουν οι ενοποιημένοι λοβοί που ανοίγουν μπροστά (FOUP). Αυτά τα αυτοματοποιημένα δοχεία χωρούν 25 γκοφρέτες τη φορά, διατηρώντας τες ασφαλείς και ασφαλείς σε έναν περιβαλλοντικά ελεγχόμενο χώρο κατά τη μεταφορά των γκοφρετών μεταξύ των μηχανών.

Επιπλέον, κάθε γκοφρέτα μπορεί να ταξιδέψει στα ίδια βήματα εκατοντάδες φορές, μερικές φορές περνώντας από τη μια άκρη του κτιρίου στην άλλη. Ολόκληρη η διαδικασία είναι ενσωματωμένη στα μηχανήματα, έτσι ώστε το FOUP να ξέρει πού να πάει για κάθε βήμα.

Επίσης, τα FOUP ταξιδεύουν σε μονοτροχιές που κρέμονται από την οροφή, επιτρέποντάς τους να μεταφέρουν το πιο γρήγορο και αποτελεσματικό μέρος από το ένα βήμα παραγωγής στο άλλο.

Φωτολιθογραφία

Η διαδικασία φωτολιθογραφίας χρησιμοποιεί ένα φωτοανθεκτικό για να αποτυπώσει σχέδια στη γκοφρέτα πυριτίου. Το Photoresist είναι ένα σκληρό, φωτοευαίσθητο υλικό παρόμοιο με αυτό που βρίσκετε στο φιλμ. Μόλις εφαρμοστεί αυτό, η γκοφρέτα εκτίθεται στο υπεριώδες φως με μια μάσκα του σχεδίου του επεξεργαστή.

Η μάσκα διασφαλίζει ότι εκτίθενται μόνο τα σημεία που θέλουν να επεξεργαστούν, αφήνοντας έτσι το φωτοανθεκτικό σε αυτή την περιοχή διαλυτό. Μόλις το σχέδιο αποτυπωθεί πλήρως στη γκοφρέτα πυριτίου, περνάει από ένα χημικό λουτρό για να αφαιρεθούν όλα το εκτεθειμένο φωτοανθεκτικό, αφήνοντας ένα σχέδιο γυμνού πυριτίου που θα περάσει από τα επόμενα βήματα στο επεξεργάζομαι, διαδικασία.

Εμφύτευση ιόντων

Γνωστή και ως ντόπινγκ, αυτή η διαδικασία ενσωματώνει άτομα από διαφορετικά στοιχεία για τη βελτίωση της αγωγιμότητας. Μόλις ολοκληρωθεί, το αρχικό στρώμα φωτοανθεκτικού αφαιρείται και τοποθετείται ένα νέο για να προετοιμάσει τη γκοφρέτα για το επόμενο βήμα.

Χαλκογραφία

Μετά από έναν άλλο γύρο φωτολιθογραφίας, η γκοφρέτα πυριτίου κατευθύνεται προς την χάραξη, όπου αρχίζουν να σχηματίζονται τα τρανζίστορ του επεξεργαστή. Το Photoresist εφαρμόζεται σε περιοχές όπου θέλουν να παραμείνει το πυρίτιο, ενώ τα μέρη που πρέπει να αφαιρεθούν είναι χαραγμένα χημικά.

Το υπόλοιπο υλικό γίνεται αργά τα κανάλια των τρανζίστορ, όπου τα ηλεκτρόνια ρέουν από το ένα σημείο στο άλλο.

Εναπόθεση υλικού

Μόλις δημιουργηθούν τα κανάλια, η γκοφρέτα πυριτίου επιστρέφει στη φωτολιθογραφία για να προσθέσει ή να αφαιρέσει φωτοανθεκτικά στρώματα όπως απαιτείται. Στη συνέχεια προχωρά στην εναπόθεση υλικού. Διάφορα στρώματα διαφορετικών υλικών, όπως διοξείδιο του πυριτίου, πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, διηλεκτρικό υψηλής ποιότητας, διαφορετικά κράματα μετάλλων και χαλκός, προστίθενται και χαράσσονται για τη δημιουργία, την οριστικοποίηση και τη σύνδεση των εκατομμυρίων τρανζίστορ στο πατατακι.

Χημική Μηχανική Επιπεδοποίηση

Κάθε στρώμα επεξεργαστή υφίσταται χημική μηχανική επιπεδοποίηση, γνωστή και ως στίλβωση, για την απομάκρυνση της περίσσειας υλικών. Μόλις αφαιρεθεί το ανώτερο στρώμα, αποκαλύπτεται το υποκείμενο σχέδιο χαλκού, επιτρέποντας στον κατασκευαστή να δημιουργήσει περισσότερα στρώματα χαλκού για να συνδέσει τα διαφορετικά τρανζίστορ όπως απαιτείται.

Αν και οι επεξεργαστές φαίνονται απίστευτα λεπτοί, συνήθως έχουν περισσότερα από 30 στρώματα πολύπλοκων κυκλωμάτων. Αυτό του επιτρέπει να παρέχει την επεξεργαστική ισχύ που απαιτείται από τις σημερινές εφαρμογές.

Δοκιμή, τεμαχισμός και ταξινόμηση

Μια γκοφρέτα πυριτίου μπορεί να περάσει από όλες τις παραπάνω διαδικασίες για να δημιουργήσει έναν επεξεργαστή. Μόλις η γκοφρέτα πυριτίου ολοκληρώσει αυτό το ταξίδι, τότε αρχίζει η δοκιμή. Αυτή η διαδικασία ελέγχει κάθε δημιουργημένο κομμάτι στη γκοφρέτα για λειτουργικότητα—είτε λειτουργεί είτε όχι.

Μόλις γίνει, η γκοφρέτα κόβεται σε κομμάτια που ονομάζονται καλούπι. Στη συνέχεια γίνεται η ταξινόμηση, όπου οι μήτρες που δουλεύουν προχωρούν στη συσκευασία και αυτές που αποτυγχάνουν απορρίπτονται.

Μετατρέποντας το Silicon Die σε επεξεργαστή

Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται συσκευασία, μετατρέπει τις μήτρες σε επεξεργαστές. Ένα υπόστρωμα, συνήθως μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, και ένας διανομέας θερμότητας τοποθετούνται στη μήτρα για να σχηματίσουν την CPU που αγοράζετε. Το υπόστρωμα είναι όπου η μήτρα συνδέεται φυσικά με τη μητρική πλακέτα ενώ ο διανομέας θερμότητας συνδέεται με τη δική σας Ανεμιστήρας ψύξης DC ή PWM της CPU.

Δοκιμές και ποιοτικός έλεγχος

Στη συνέχεια, οι ολοκληρωμένοι επεξεργαστές δοκιμάζονται ξανά, αλλά αυτή τη φορά για απόδοση, ισχύ και λειτουργικότητα. Αυτή η δοκιμή καθορίζει τι είδους τσιπ θα είναι—αν είναι καλό να είσαι επεξεργαστή i3, i5, i7 ή i9. Στη συνέχεια, οι επεξεργαστές ομαδοποιούνται ανάλογα για συσκευασία λιανικής ή τοποθετούνται σε δίσκους για παράδοση στους κατασκευαστές υπολογιστών.

Μικροσκοπικά μικρό αλλά εξαιρετικά περίπλοκο

Ενώ οι επεξεργαστές φαίνονται απλοί από έξω, είναι εξαιρετικά περίπλοκοι. Η κατασκευή επεξεργαστών διαρκεί δυόμισι έως τρεις μήνες 24/7 διεργασιών. Και παρά την πολύ ακριβή μηχανική πίσω από αυτά τα τσιπ, δεν υπάρχει ακόμα καμία εγγύηση ότι θα πάρουν μια τέλεια γκοφρέτα.

Στην πραγματικότητα, οι κατασκευαστές επεξεργαστών μπορούν να χάσουν κάπου μεταξύ 20% και 70% των μήλων σε μια γκοφρέτα λόγω ατελειών, ρύπων και πολλά άλλα. Αυτή η τιμή επηρεάζεται περαιτέρω από όλο και πιο μικρές διεργασίες CPU, με το τα νεότερα τσιπ με μέγεθος έως και 4nm.

Ωστόσο, όπως αναφέρει ο νόμος του Moore, μπορούμε να αναμένουμε ότι η απόδοση του επεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια μέχρι το 2025. Μέχρι οι επεξεργαστές να φτάσουν στο θεμελιώδες ανώτατο όριο του μεγέθους του ατόμου, όλες αυτές οι διαδικασίες παραγωγής πρέπει να ανταποκρίνονται στα σχέδια για την παραγωγή του τσιπ που απαιτούμε.

Τι είναι ο νόμος του Μουρ και είναι ακόμα σχετικός το 2022;

Διαβάστε Επόμενο