Kā smiltis kļūst par silīciju? CPU ražošanas skaidrojums

Pasaule darbojas ar informāciju, un cilvēce rada aptuveni 2,5 miljonus terabaitu datu dienā. Tomēr visi šie dati ir bezjēdzīgi, ja vien mēs tos nevaram apstrādāt, tāpēc, iespējams, viena no lietām, bez kuras mūsdienu pasaule nevar dzīvot, ir procesori.

Bet kā tiek izgatavots procesors? Kāpēc tas ir mūsdienu brīnums? Kā ražotājs var ievietot miljardiem tranzistoru tik mazā iepakojumā? Iedziļināsimies tajā, kā Intel, viens no lielākajiem mikroshēmu ražotājiem pasaulē, veido centrālo procesoru no smiltīm.

Silīcija ieguve no smiltīm

Jebkura procesora pamatsastāvdaļa, silīcijs, tiek iegūta no tuksneša smiltīm. Šis materiāls ir plaši atrodams zemes garozā un sastāv no aptuveni 25% līdz 50% silīcija dioksīda. Tas tiek apstrādāts, lai atdalītu silīciju no visiem citiem materiāliem smiltīs.

Apstrāde tiek atkārtota vairākas reizes, līdz ražotājs izveido 99,9999% tīru paraugu. Pēc tam attīrīto silīciju ielej, veidojot cilindrisku elektroniskas kvalitātes lietni. Cilindra diametrs ir 300 mm un sver aptuveni 100 kg.

Pēc tam ražotājs sagriež stieņu 925 mikrometru plānās plāksnēs. Pēc tam tas tiek nopulēts līdz spoguļgludai apdarei, novēršot visus defektus un plankumus uz tās virsmas. Šīs gatavās vafeles pēc tam tiek nosūtītas uz Intel pusvadītāju ražošanas rūpnīcu, lai tās no silīcija plātnes pārveidotu par augsto tehnoloģiju datora smadzenēm.

FOUP šoseja

Tā kā procesori ir augstas precizitātes detaļas, to tīrā silīcija bāze nedrīkst būt piesārņota pirms ražošanas, tās laikā vai pēc ražošanas. Šeit parādās priekšpusē atveramie unificētie podi (FOUP). Šajās automatizētajās kārbās vienlaikus ir 25 vafeles, tādējādi saglabājot tās drošībā vides kontrolētā telpā, transportējot vafeles starp iekārtām.

Turklāt katra vafele var pārvietoties pa tiem pašiem soļiem simtiem reižu, dažkārt ejot no viena ēkas gala uz otru. Viss process ir iestrādāts iekārtās, lai FOUP zinātu, kur iet katrā darbībā.

Turklāt FOUP pārvietojas pa monosliedēm, kas karājas no griestiem, ļaujot tiem veikt visātrāko un efektīvāko daļu no viena ražošanas posma uz otru.

Fotolitogrāfija

Fotolitogrāfijas procesā izmanto fotorezistu, lai uzdrukātu rakstus uz silīcija plāksnītes. Fotorezists ir izturīgs, gaismas jutīgs materiāls, kas līdzīgs tam, ko atrodat uz filmas. Kad tas ir uzklāts, vafele tiek pakļauta ultravioletā starojuma iedarbībai ar procesora raksta masku.

Maska nodrošina, ka tiek eksponētas tikai tās vietas, kuras tās vēlas apstrādāt, tādējādi atstājot fotorezistu šajā zonā šķīstošu. Kad raksts ir pilnībā uzdrukāts uz silīcija plāksnītes, tas iziet cauri ķīmiskai vannai, lai noņemtu visu eksponētais fotorezists, atstājot tukša silīcija zīmējumu, kas tiks veikts nākamajās darbībās process.

Jonu implantācija

Šis process, kas pazīstams arī kā dopings, iestrādā atomus no dažādiem elementiem, lai uzlabotu vadītspēju. Kad tas ir pabeigts, sākotnējais fotorezista slānis tiek noņemts un tiek ievietots jauns, lai sagatavotu vafeles nākamajai darbībai.

Oforts

Pēc vēl vienas fotolitogrāfijas kārtas silīcija plāksne pāriet uz kodināšanu, kur sāk veidoties procesora tranzistori. Fotorezists tiek uzklāts uz vietām, kur tās vēlas, lai silīcijs paliktu, savukārt daļas, kuras ir jānoņem, tiek ķīmiski iegravētas.

Atlikušais materiāls lēnām kļūst par tranzistoru kanāliem, kur elektroni plūst no viena punkta uz otru.

Materiālu nogulsnēšanās

Kad kanāli ir izveidoti, silīcija plāksne atgriežas fotolitogrāfijas režīmā, lai pēc vajadzības pievienotu vai noņemtu fotorezista slāņus. Pēc tam tas pāriet uz materiāla nogulsnēšanos. Dažādi dažādu materiālu slāņi, piemēram, silīcija dioksīds, polikristālisks silīcijs, augstas k dielektriķis, dažādi metāla sakausējumi un varš tiek pievienoti un iegravēti, lai izveidotu, pabeigtu un savienotu miljoniem tranzistoru mikroshēma.

Ķīmiskā mehāniskā planarizācija

Katrs procesora slānis tiek pakļauts ķīmiskai mehāniskai planarizācijai, kas pazīstama arī kā pulēšana, lai nogrieztu liekos materiālus. Kad augšējais slānis ir noņemts, tiek atklāts pamatā esošais vara raksts, ļaujot ražotājam izveidot vairāk vara slāņu, lai pēc vajadzības savienotu dažādus tranzistorus.

Lai gan procesori izskatās neiespējami plāni, tiem parasti ir vairāk nekā 30 sarežģītu shēmu slāņi. Tas ļauj nodrošināt mūsdienu lietojumprogrammām nepieciešamo apstrādes jaudu.

Testēšana, sagriešana un šķirošana

Silīcija vafele var iziet visus iepriekš minētos procesus, lai izveidotu procesoru. Kad silīcija vafele pabeidz šo ceļojumu, tā sāk testēšanu. Šis process pārbauda katra izveidotā vafeles gabala funkcionalitāti — neatkarīgi no tā, vai tas darbojas vai nē.

Kad tas ir izdarīts, vafeles sagriež gabalos, ko sauc par matricu. Pēc tam tas tiek sašķirots, kur nostrādātās presformas tiek virzītas uz iepakošanu, bet tās, kurām neizdodas, tiek izmestas.

Silīcija formas pārvēršana procesorā

Šis process, ko sauc par iepakošanu, pārveido presformas par procesoriem. Substrāts, parasti iespiedshēmas plate, un siltuma izplatītājs tiek uzlikts uz formas, lai izveidotu iegādāto centrālo procesoru. Substrāts ir vieta, kur matrica fiziski savienojas ar mātesplati, kamēr siltuma izplatītājs saskaras ar jūsu CPU līdzstrāvas vai PWM dzesēšanas ventilators.

Testēšana un kvalitātes kontrole

Pēc tam pabeigtie procesori tiek pārbaudīti vēlreiz, bet šoreiz attiecībā uz veiktspēju, jaudu un funkcionalitāti. Šis tests nosaka kāda veida čips tas būs— vai ir labi būt i3, i5, i7 vai i9 procesors. Pēc tam procesori tiek attiecīgi sagrupēti mazumtirdzniecības iepakojumam vai ievietoti paplātēs piegādei datoru ražotājiem.

Mikroskopiski mazs, taču ārkārtīgi sarežģīts

Lai gan procesori no ārpuses izskatās vienkārši, tie ir ārkārtīgi sarežģīti. Procesora izgatavošana ilgst divarpus līdz trīs mēnešus, izmantojot 24/7 procesus. Un, neskatoties uz šo mikroshēmu ļoti precīzo inženieriju, joprojām nav garantijas, ka tās iegūs ideālu vafele.

Faktiski procesoru ražotāji nepilnību, piesārņotāju un citu iemeslu dēļ var zaudēt no 20% līdz 70% no plāksnēm. Šo vērtību vēl vairāk ietekmē arvien mazāki CPU procesi, ar jaunākās mikroshēmas ir tik mazas kā 4nm.

Tomēr, kā teikts Mūra likumā, mēs joprojām varam sagaidīt, ka procesora veiktspēja dubultosies ik pēc diviem gadiem līdz 2025. gadam. Kamēr procesori nav sasnieguši atoma lieluma pamata griestus, visiem šiem ražošanas procesiem ir jāatbilst konstrukcijām, lai ražotu mums nepieciešamo mikroshēmu.

Kas ir Mūra likums un vai tas joprojām ir aktuāls 2022. gadā?

Lasiet Tālāk