Како песак постаје силицијум? Објашњење производње ЦПУ-а

Свет ради на информацијама, а човечанство ствара око 2,5 милиона терабајта података дневно. Међутим, сви ови подаци су бескорисни ако не можемо да их обрадимо, тако да је једна од ствари без које савремени свет не може да живи јесу процесори.

Али како се прави процесор? Зашто је то модерно чудо? Како произвођач може да стане милијарде транзистора у тако мали пакет? Хајде да заронимо дубоко у то како Интел, један од највећих произвођача чипова на свету, ствара ЦПУ од песка.

Екстракција силицијума из песка

Основни састојак било ког процесора, силицијум, се екстрахује из пустињског песка. Овај материјал се у изобиљу налази у земљиној кори и састоји се од око 25% до 50% силицијум диоксида. Обрађује се да би се силицијум одвојио од свих осталих материјала у песку.

Обрада се понавља неколико пута све док произвођач не направи узорак од 99,9999% чист. Пречишћени силицијум се затим сипа да би се формирао цилиндрични ингот електронског квалитета. Пречник цилиндра је 300 мм и тежак око 100 кг.

Произвођач затим сече ингот на облатне од 925 микрометара. Након тога се полира до глатке завршне обраде, уклањајући све недостатке и флеке на његовој површини. Ове готове плочице се затим шаљу у Интелову фабрику за производњу полупроводника ради трансформације из плоче силикона у компјутерски мозак високе технологије.

Аутопут ФОУП

Пошто су процесори делови високе прецизности, њихова чиста силицијумска база не сме бити контаминирана пре, током или после производње. Овде долазе обједињене капсуле које се отварају напред (ФОУП). Ове аутоматизоване капсуле држе 25 плочица одједном, чувајући их безбедним и безбедним у еколошки контролисаном простору приликом транспорта вафла између машина.

Штавише, свака плочица може проћи кроз исте кораке стотине пута, понекад идући с једног краја зграде на други. Цео процес је уграђен у машине тако да ФОУП зна где да иде за сваки корак.

Такође, ФОУП-ови путују на моношинама које висе са плафона, омогућавајући им да преузму најбржи и најефикаснији део од једног производног корака до другог.

Фотолитографија

Процес фотолитографије користи фоторезист за утискивање узорака на силиконску плочицу. Фоторезист је чврст материјал осетљив на светлост сличан ономе што се налази на филму. Када се ово примени, плочица се излаже ултраљубичастом светлу са маском узорка процесора.

Маска осигурава да су изложена само места која желе да обрађују, остављајући тако фоторезист у том делу растворљив. Када се шара у потпуности утисне на силиконску плочицу, она пролази кроз хемијско купатило да би се уклонила сва изложени фоторезист, остављајући узорак голог силицијума који ће проћи кроз следеће кораке у процес.

Ионска имплантација

Такође познат као допинг, овај процес уграђује атоме из различитих елемената да би се побољшала проводљивост. Када се заврши, уклања се почетни слој фоторезиста и поставља се нови да би се облата припремила за следећи корак.

Етцхинг

Након још једног круга фотолитографије, силицијумска плочица прелази на гравирање, где почињу да се формирају транзистори процесора. Фоторезист се наноси на места где желе да остане силицијум, док се делови који се морају уклонити хемијски урезани.

Преостали материјал полако постаје канали транзистора, где електрони теку од једне тачке до друге.

Материал Депоситион

Када се канали креирају, силицијумска плочица се враћа у фотолитографију како би додала или уклонила слојеве фотоотпорности по потреби. Затим прелази на депоновање материјала. Различити слојеви различитих материјала, као што су силицијум диоксид, поликристални силицијум, високок диелектрик, различити легуре метала и бакра се додају и урезују да би се створили, финализирали и повезали милиони транзистора на чип.

Хемијско механичка планаризација

Сваки слој процесора се подвргава хемијској механичкој планаризацији, познатој и као полирање, да би се уклонио вишак материјала. Када се горњи слој уклони, открива се основни бакарни узорак, омогућавајући произвођачу да створи више слојева бакра за повезивање различитих транзистора по потреби.

Иако процесори изгледају невероватно танки, обично имају више од 30 слојева сложених кола. Ово му омогућава да испоручи процесорску снагу потребну за данашње апликације.

Тестирање, резање и сортирање

Силицијумска плочица може проћи кроз све горе наведене процесе да би створила процесор. Када силицијумска плочица заврши то путовање, почиње тестирање. Овај процес проверава функционалност сваког креираног комада на плочици - без обзира да ли ради или не.

Када се заврши, обланда се затим сече на комаде које се називају калуп. Затим се сортира, где матрице које раде напредују до паковања, а оне које не успеју се одбацују.

Претварање силиконске матрице у процесор

Овај процес, који се назива паковање, претвара матрице у процесоре. Подлога, обично штампана плоча, и распршивач топлоте се стављају на матрицу да би се формирао ЦПУ који купујете. Подлога је место где се матрица физички повезује са матичном плочом док се распршивач топлоте повезује са вашим ЦПУ-ов ДЦ или ПВМ вентилатор за хлађење.

Испитивање и контрола квалитета

Завршени процесори се затим поново тестирају, али овог пута на перформансе, снагу и функционалност. Овај тест утврђује какав ће то чип бити—да ли је добро бити ан и3, и5, и7 или и9 процесор. Процесори се затим групишу у складу с тим за малопродајно паковање или се стављају у тацне за испоруку произвођачима рачунара.

Микроскопски мали, али изузетно компликован

Иако процесори споља изгледају једноставно, они су изузетно компликовани. Производња процесора траје два и по до три месеца 24/7 процеса. И упркос високо прецизном инжењерингу иза ових чипова, још увек нема гаранције да ће добити савршену плочицу.

У ствари, произвођачи процесора могу изгубити негде између 20% и 70% матрица на плочици због несавршености, загађивача и још много тога. На ову вредност додатно утичу све мањи ЦПУ процеси, са најновији чипови који су мали чак 4нм.

Међутим, како наводи Муров закон, и даље можемо очекивати да ће се перформансе процесора удвостручити сваке две године до 2025. Све док процесори не достигну основни плафон величине атома, сви ови производни процеси морају да се носе са дизајном за производњу чипа који захтевамо.

Шта је Муров закон и да ли је и даље релевантан у 2022?

Реад Нект