Kaip smėlis tampa siliciu? CPU gamybos paaiškinimas

Pasaulyje veikia informacija, o žmonija sukuria apie 2,5 milijono terabaitų duomenų per dieną. Tačiau visi šie duomenys yra nenaudingi, nebent mes galime juos apdoroti, todėl, be abejo, vienas iš dalykų, be kurio šiuolaikinis pasaulis negali gyventi, yra procesoriai.

Bet kaip gaminamas procesorius? Kodėl tai šiuolaikinis stebuklas? Kaip gamintojas gali sutalpinti milijardus tranzistorių į tokią mažą pakuotę? Pasinerkime į tai, kaip „Intel“, viena didžiausių lustų gamintojų visame pasaulyje, kuria procesorių iš smėlio.

Silicio gavyba iš smėlio

Pagrindinis bet kurio procesoriaus ingredientas silicis yra išgaunamas iš dykumos smėlio. Šios medžiagos gausiai randama žemės plutoje ir ją sudaro maždaug 25–50 % silicio dioksido. Jis apdorojamas, kad atskirtų silicį nuo visų kitų smėlyje esančių medžiagų.

Apdorojimas kartojamas keletą kartų, kol gamintojas sukuria 99,9999% grynumo mėginį. Tada išgrynintas silicis pilamas, kad susidarytų cilindrinis elektroninės klasės luitas. Cilindro skersmuo yra 300 mm ir sveria apie 100 kg.

Tada gamintojas supjausto luitą į 925 mikrometrų plonumo plokšteles. Vėliau jis nupoliruojamas iki veidrodinio lygio, pašalinant visus jo paviršiaus trūkumus ir dėmes. Šios paruoštos plokštelės siunčiamos į „Intel“ puslaidininkių gamybos gamyklą, kuri iš silicio plokštės paverčiama aukštųjų technologijų kompiuterio smegenimis.

FOUP greitkelis

Kadangi procesoriai yra didelio tikslumo dalys, jų gryno silicio pagrindas neturi būti užterštas prieš gamybą, gamybos metu ar po jo. Čia atsiranda priekyje atsidarančios vieningos ankštys (FOUP). Šiose automatinėse dėžutėse vienu metu telpa 25 plokštelės, todėl jos yra saugios ir saugios aplinkai kontroliuojamoje erdvėje, kai vaflius gabenate iš vienos mašinos į kitą.

Be to, kiekviena plokštelė gali keliauti tais pačiais žingsniais šimtus kartų, kartais pereinant iš vieno pastato galo į kitą. Visas procesas yra įtaisytas mašinose, kad FOUP žinotų, kur eiti kiekvieną žingsnį.

Be to, FOUP važiuoja ant lubų kabančių monobėgių, leidžiančių jiems greičiausią ir efektyviausią dalį pereiti nuo vieno gamybos etapo prie kito.

Fotolitografija

Fotolitografijos procese naudojamas fotorezistas, kad įspaustų raštus ant silicio plokštelės. Fotorezistas yra kieta, šviesai jautri medžiaga, panaši į tą, kurią rasite ant juostos. Kai tai taikoma, plokštelė yra veikiama ultravioletinių spindulių su procesoriaus rašto kauke.

Kaukė užtikrina, kad būtų apšviestos tik tos vietos, kurias nori apdoroti, todėl fotorezistas toje vietoje lieka tirpus. Kai raštas yra visiškai įspaustas ant silicio plokštelės, jis praeina per cheminę vonią, kad pašalintų viską eksponuojamas fotorezistas, paliekant pliko silicio raštą, kuris bus atliktas atliekant kitus veiksmus procesas.

Jonų implantacija

Taip pat žinomas kaip dopingas, šis procesas įterpia atomus iš skirtingų elementų, kad pagerintų laidumą. Kai baigsite, pradinis fotorezisto sluoksnis pašalinamas ir įdedamas naujas, kad būtų paruošta plokštelė kitam veiksmui.

Ofortas

Po kito fotolitografijos etapo silicio plokštelė pradeda ėsdinti, kur pradeda formuotis procesoriaus tranzistoriai. Fotorezistas tepamas tose vietose, kuriose norima, kad silicis liktų, o dalys, kurias reikia pašalinti, yra chemiškai išgraviruotos.

Likusi medžiaga pamažu tampa tranzistorių kanalais, kuriuose elektronai teka iš vieno taško į kitą.

Medžiagos nusodinimas

Sukūrus kanalus, silicio plokštelė grįžta į fotolitografiją, kad prireikus pridėtų arba pašalintų fotorezisto sluoksnius. Tada pereina prie medžiagų nusodinimo. Įvairūs skirtingų medžiagų sluoksniai, pavyzdžiui, silicio dioksidas, polikristalinis silicis, aukštos k dielektrikas, skirtingi metalų lydiniai ir varis, pridedami ir išgraviruojami, kad būtų sukurti, užbaigti ir sujungti milijonus tranzistorių lustas.

Cheminis mechaninis planavimas

Kiekvienas procesoriaus sluoksnis yra chemiškai mechaniškai plokštinamas, taip pat žinomas kaip poliravimas, siekiant nupjauti medžiagų perteklių. Nuėmus viršutinį sluoksnį, atskleidžiamas pagrindinis vario raštas, leidžiantis gamintojui sukurti daugiau vario sluoksnių, kad prireikus būtų galima prijungti skirtingus tranzistorius.

Nors procesoriai atrodo neįtikėtinai ploni, jie paprastai turi daugiau nei 30 sudėtingų grandinių sluoksnių. Tai leidžia jam tiekti apdorojimo galią, reikalingą šiandieninėms programoms.

Testavimas, pjaustymas ir rūšiavimas

Silicio plokštelė gali atlikti visus aukščiau nurodytus procesus, kad būtų sukurtas procesorius. Kai silicio plokštelė baigia šią kelionę, ji pradedama bandyti. Šis procesas patikrina kiekvieno sukurto plokštelės gabalo funkcionalumą – ar jis veikia, ar ne.

Paruoštas vaflis supjaustomas į gabalus, vadinamus štampu. Tada jis rūšiuojamas, kur veikiantys štampai perkeliami į pakavimą, o sugedusieji išmetami.

Silicio štampo pavertimas procesoriumi

Šis procesas, vadinamas pakavimu, paverčia štampus į procesorius. Pagrindas, paprastai spausdintinė plokštė, ir šilumos skirstytuvas yra uždedamas ant štampo, kad susidarytų jūsų perkamas centrinis procesorius. Pagrindas yra vieta, kur štampai fiziškai jungiasi prie pagrindinės plokštės, o šilumos skirstytuvas yra sąsajoje su jūsų CPU DC arba PWM aušinimo ventiliatorius.

Testavimas ir kokybės kontrolė

Užbaigti procesoriai vėl išbandomi, bet šį kartą dėl našumo, galios ir funkcionalumo. Šis testas nustato kokia tai bus mikroschema– ar gera būti i3, i5, i7 arba i9 procesorius. Tada procesoriai atitinkamai sugrupuojami mažmeninei prekybai skirtose pakuotėse arba dedami į dėklus, skirtus pristatyti kompiuterių gamintojams.

Mikroskopiškai mažas, bet nepaprastai sudėtingas

Nors procesoriai iš išorės atrodo paprasti, jie yra nepaprastai sudėtingi. Procesoriaus gamyba trunka nuo dviejų su puse iki trijų mėnesių 24 valandas per parą, 7 dienas per savaitę. Ir nepaisant labai tikslios šių lustų inžinerijos, vis tiek nėra garantijos, kad jie gaus tobulą plokštelę.

Tiesą sakant, procesorių gamintojai dėl trūkumų, teršalų ir kt. Šią vertę dar labiau paveikia vis mažėjantys procesoriaus procesai naujausi lustai siekia net 4 nm.

Tačiau, kaip teigia Moore'o įstatymas, vis tiek galime tikėtis, kad procesoriaus našumas padvigubės kas dvejus metus iki 2025 m. Kol procesoriai nepasieks pagrindinės atomo dydžio ribos, visi šie gamybos procesai turi atitikti konstrukciją, kad pagamintų mūsų reikalaujamą lustą.

Kas yra Moore'o įstatymas ir ar jis vis dar aktualus 2022 m.?

Skaitykite toliau