Kuinka hiekasta tulee pii? CPU-valmistuksen selitys

Maailma toimii tiedolla, ja ihmiskunta luo arviolta 2,5 miljoonaa teratavua dataa päivässä. Kaikki tämä data on kuitenkin hyödytöntä, ellemme pysty käsittelemään sitä, joten yksi asioista, joita nykymaailma ei voi elää ilman, ovat luultavasti prosessorit.

Mutta miten prosessori tehdään? Miksi se on nykyajan ihme? Kuinka valmistaja voi sovittaa miljardeja transistoreita niin pieneen pakettiin? Sukellaan syvälle siihen, kuinka Intel, yksi maailman suurimmista siruvalmistajista, luo CPU: n hiekasta.

Piin uuttaminen hiekasta

Minkä tahansa prosessorin perusainesosa, pii, uutetaan aavikon hiekasta. Tätä materiaalia löytyy runsaasti maankuoresta ja se koostuu noin 25-50 % piidioksidista. Se on prosessoitu piin erottamiseksi kaikista muista hiekan materiaaleista.

Käsittely toistetaan useita kertoja, kunnes valmistaja luo 99,9999-prosenttisen puhtaan näytteen. Puhdistettu pii kaadetaan sitten sylinterimäisen elektronisen valanteen muodostamiseksi. Sylinterin halkaisija on 300 mm ja paino noin 100 kg.

Tämän jälkeen valmistaja viipaloi harkon 925 mikrometrin ohuiksi kiekoiksi. Myöhemmin se kiillotetaan peilin tasaiseksi, poistaen kaikki viat ja viat sen pinnalta. Nämä valmiit kiekot toimitetaan sitten Intelin puolijohteiden valmistuslaitokseen, jossa ne muutetaan piilevystä korkean teknologian tietokoneaivoiksi.

FOUP-valtatie

Koska prosessorit ovat erittäin tarkkoja osia, niiden puhdas piipohja ei saa olla saastunut ennen valmistusta, sen aikana tai sen jälkeen. Tässä edessä avautuvat unified podit (FOUP) tulevat käyttöön. Näihin automatisoituihin tyynyihin mahtuu 25 kiekkoa kerrallaan, joten ne pysyvät turvassa ympäristövalvotussa tilassa kuljetettaessa kiekkoja koneiden välillä.

Lisäksi jokainen kiekko voi kulkea samojen vaiheiden läpi satoja kertoja, joskus rakennuksen päästä toiseen. Koko prosessi on upotettu koneisiin, jotta FOUP tietää missä mennään jokaisessa vaiheessa.

Lisäksi FOUP: t kulkevat kattoon roikkuvilla monoraiteilla, jolloin ne voivat viedä nopeimman ja tehokkaimman osan valmistusvaiheesta toiseen.

Fotolitografia

Fotolitografiaprosessissa käytetään fotoresistiä kuvioiden painamiseen piikiekkoon. Fotoresist on kovaa, valoherkkää materiaalia, joka on samanlainen kuin filmillä. Kun tämä on käytetty, kiekko altistetaan ultraviolettivalolle prosessorin kuvion maskilla.

Maski varmistaa, että vain ne kohdat, joita he haluavat käsitellä, tulevat näkyviin, jolloin fotoresisti jää liukenevaksi kyseisellä alueella. Kun kuvio on painettu kokonaan piikiekkoon, se menee kemiallisen kylvyn läpi poistaakseen kaiken valotettu fotoresist, jättäen jäljelle paljaan piin kuvion, joka käy läpi seuraavat vaiheet prosessi.

Ioni-istutus

Tämä prosessi, joka tunnetaan myös nimellä doping, upottaa atomeja eri alkuaineista johtavuuden parantamiseksi. Kun se on valmis, alkuperäinen fotoresistikerros poistetaan ja uusi asetetaan paikalleen valmistelemaan kiekko seuraavaa vaihetta varten.

Etsaus

Toisen fotolitografiakierroksen jälkeen piikiekko siirtyy etsaukseen, jossa prosessorin transistorit alkavat muodostua. Fotoresistiä levitetään alueille, joissa piin halutaan pysyvän, kun taas poistettavat osat syövytetään kemiallisesti.

Jäljelle jääneestä materiaalista tulee hitaasti transistorien kanavia, joissa elektronit virtaavat pisteestä toiseen.

Materiaalin laskeutuminen

Kun kanavat on luotu, piikiekko palaa fotolitografiaan lisätäkseen tai poistaakseen fotoresistikerroksia tarpeen mukaan. Sitten se etenee materiaalin laskemiseen. Erilaisia ​​kerroksia eri materiaaleista, kuten piidioksidi, monikiteinen pii, korkea-k-dielektrinen, erilainen metalliseoksia ja kuparia lisätään ja syövytetään miljoonien transistorien luomiseksi, viimeistelemiseksi ja yhdistämiseksi. siru.

Kemiallinen mekaaninen tasoitus

Jokainen prosessorikerros läpikäy kemiallisen mekaanisen tasoituksen, joka tunnetaan myös nimellä kiillotus, ylimääräisten materiaalien leikkaamiseksi. Kun ylin kerros on poistettu, alla oleva kuparikuvio paljastuu, jolloin valmistaja voi luoda lisää kuparikerroksia eri transistorien yhdistämiseksi tarpeen mukaan.

Vaikka prosessorit näyttävät mahdottoman ohuilta, niissä on yleensä yli 30 kerrosta monimutkaisia ​​piirejä. Tämän ansiosta se pystyy toimittamaan nykyisten sovellusten vaatiman prosessointitehon.

Testaus, viipalointi ja lajittelu

Piikiekko voi käydä läpi kaikki edellä mainitut prosessit prosessorin luomiseksi. Kun piikiekko on suorittanut matkan, se alkaa sitten testata. Tämä prosessi tarkistaa jokaisen kiekolle luodun kappaleen toimivuuden – toimiiko se vai ei.

Kun kiekko on valmis, se leikataan paloiksi, joita kutsutaan muottiksi. Sitten se lajitellaan, jolloin toimivat muotit siirtyvät pakkaamiseen ja epäonnistuneet heitetään pois.

Silicon Dietin muuttaminen prosessoriksi

Tämä prosessi, jota kutsutaan pakkaamiseksi, muuttaa muotit prosessoriksi. Substraatti, tyypillisesti painettu piirilevy, ja lämmönlevitin asetetaan suuttimeen ostamasi CPU: n muodostamiseksi. Substraatti on paikka, jossa suulake yhdistyy fyysisesti emolevyyn, kun taas lämmönlevitin on liitännässä sinun kanssasi CPU: n DC- tai PWM-jäähdytystuuletin.

Testaus ja laadunvalvonta

Valmiit prosessorit testataan sitten uudelleen, mutta tällä kertaa suorituskyvyn, tehon ja toimivuuden suhteen. Tämä testi määrittää millainen siru siitä tulee– onko hyvä olla i3-, i5-, i7- tai i9-prosessori. Prosessorit ryhmitellään sitten vähittäismyyntipakkauksia varten tai sijoitetaan alustalle toimitettavaksi tietokonevalmistajille.

Mikroskooppisesti pieni mutta äärimmäisen monimutkainen

Vaikka prosessorit näyttävät ulkopuolelta yksinkertaisilta, ne ovat äärimmäisen monimutkaisia. Prosessorien valmistus kestää kahdesta ja puolesta kolmeen kuukautta 24/7-prosesseja. Ja huolimatta näiden sirujen erittäin tarkasta suunnittelusta, ei ole silti takeita siitä, että ne saavat täydellisen kiekon.

Itse asiassa prosessorivalmistajat voivat menettää 20–70 prosenttia kiekkojen suulakkeista epätäydellisyyksien, epäpuhtauksien ja muiden vuoksi. Tähän arvoon vaikuttavat edelleen yhä pienemmät CPU-prosessit, joissa uusimmat sirut ovat niin pieniä kuin 4nm.

Kuten Mooren laissa kuitenkin todetaan, voimme silti odottaa prosessorin suorituskyvyn kaksinkertaistuvan joka toinen vuosi vuoteen 2025 asti. Ennen kuin prosessorit saavuttavat atomikoon peruskaton, kaikkien näiden valmistusprosessien on selviydyttävä suunnitelmien kanssa, jotta voimme tuottaa tarvitsemamme sirun.

Mikä on Mooren laki ja onko se edelleen ajankohtainen vuonna 2022?

Lue Seuraava