Как пясъкът се превръща в силиций? Обяснено производство на процесора

Светът работи с информация, като човечеството създава приблизително 2,5 милиона терабайта данни на ден. Всички тези данни обаче са безполезни, освен ако не можем да ги обработим, така че едно от нещата, без които съвременният свят не може да живее, са процесорите.

Но как се прави процесор? Защо е модерно чудо? Как може един производител да събере милиарди транзистори в толкова малък пакет? Нека се потопим дълбоко в това как Intel, един от най-големите производители на чипове в световен мащаб, създава процесор от пясък.

Извличане на силиций от пясък

Основната съставка на всеки процесор, силиций, се извлича от пустинен пясък. Този материал се намира в изобилие в земната кора и се състои от около 25% до 50% силициев диоксид. Той се обработва за отделяне на силиция от всички останали материали в пясъка.

Обработката се повтаря няколко пъти, докато производителят създаде 99,9999% чиста проба. След това пречистеният силиций се излива, за да се образува цилиндричен електронен слитък. Диаметърът на цилиндъра е 300 мм и тегло около 100 кг.

След това производителят нарязва слитъка на вафли с тънка 925 микрометра. След това се полира до огледално гладко покритие, премахвайки всички недостатъци и петна по повърхността му. Тези готови пластини след това се изпращат до завода за производство на полупроводници на Intel за трансформиране от плоча силиций във високотехнологичен компютърен мозък.

Магистралата FOUP

Тъй като процесорите са части с висока точност, тяхната чиста силициева основа не трябва да бъде замърсена преди, по време или след производството. Тук идват унифицираните капсули с отваряне отпред (FOUP). Тези автоматизирани шушулки побират 25 вафли наведнъж, като ги пазят безопасни и сигурни в екологично контролирано пространство при транспортиране на вафлите между машините.

Освен това всяка подложка може да премине през едни и същи стъпки стотици пъти, понякога преминавайки от единия край на сградата до другия. Целият процес е вграден в машините, така че FOUP знае къде да отиде за всяка стъпка.

Също така, FOUP се движат по монорелсови релси, висящи от тавана, което им позволява да вземат най-бързата и най-ефективната част от една производствена стъпка в друга.

Фотолитография

Процесът на фотолитография използва фоторезист за отпечатване на модели върху силиконовата пластина. Фоторезистът е здрав, светлочувствителен материал, подобен на този, който намирате на филма. След като това се приложи, пластината се излага на ултравиолетова светлина с маска на модела на процесора.

Маската гарантира, че само местата, които искат да обработват, са изложени, като по този начин оставя фоторезистът в тази област разтворим. След като шаблонът е напълно отпечатан върху силиконовата пластина, той преминава през химическа баня, за да премахне всички експонирания фоторезист, оставяйки модел от гол силиций, който ще премине през следващите стъпки в процес.

Йонна имплантация

Известен също като допинг, този процес вгражда атоми от различни елементи за подобряване на проводимостта. След като приключите, първоначалният слой фоторезист се отстранява и се поставя нов, за да подготви вафлата за следващата стъпка.

ецване

След друг кръг от фотолитография, силициевата пластина се насочва към ецване, където започват да се образуват транзисторите на процесора. Фоторезистът се прилага върху области, където искат да остане силиций, докато частите, които трябва да бъдат отстранени, се гравират химически.

Останалият материал бавно се превръща в канали на транзисторите, където електроните текат от една точка в друга.

Отлагане на материал

След като каналите бъдат създадени, силициевата пластина се връща към фотолитографията, за да добави или премахне слоеве от фоторезист, ако е необходимо. След това преминава към материално отлагане. Различни слоеве от различни материали, като силициев диоксид, поликристален силиций, високо-k диелектрик, различни метални сплави и мед се добавят и гравират за създаване, финализиране и свързване на милионите транзистори на чип.

Химико-механична планаризация

Всеки слой на процесора се подлага на химическа механична планаризация, известна още като полиране, за да се отрежат излишните материали. След като най-горният слой бъде премахнат, основният меден модел се разкрива, което позволява на производителя да създаде повече медни слоеве, за да свърже различните транзистори според изискванията.

Въпреки че процесорите изглеждат невероятно тънки, те обикновено имат повече от 30 слоя сложни схеми. Това му позволява да достави процесорната мощност, изисквана от днешните приложения.

Тестване, нарязване и сортиране

Силиконова пластина може да премине през всички горепосочени процеси, за да създаде процесор. След като силиконовата пластина завърши това пътуване, тя започва тестване. Този процес проверява функционалността на всяко създадено парче на подложката - независимо дали работи или не.

След като е готова, вафлата се нарязва на парчета, наречени матрица. След това се сортира, където матриците, които работят, се придвижват напред към опаковката, а тези, които се провалят, се изхвърлят.

Превръщане на силиконовата матрица в процесор

Този процес, наречен опаковане, превръща матриците в процесори. Субстрат, обикновено печатна платка, и топлоразпределител се поставят върху матрицата, за да образуват процесора, който купувате. Субстратът е мястото, където матрицата се свързва физически с дънната платка, докато топлоразпределителят се свързва с вашия DC или PWM охлаждащ вентилатор на процесора.

Тестване и контрол на качеството

След това завършените процесори се тестват отново, но този път за производителност, мощност и функционалност. Този тест определя какъв чип ще е— дали е добре да си i3, i5, i7 или i9 процесор. След това процесорите се групират съответно за опаковане на дребно или се поставят в тави за доставка до производителите на компютри.

Микроскопски малък, но изключително сложен

Докато процесорите изглеждат прости отвън, те са изключително сложни. Производството на процесори отнема два и половина до три месеца 24/7 процеси. И въпреки изключително прецизното инженерство зад тези чипове, все още няма гаранция, че ще получат перфектна вафла.

Всъщност производителите на процесори могат да загубят някъде между 20% и 70% от матриците на пластина поради несъвършенства, замърсители и др. Тази стойност е допълнително повлияна от все по-малките процеси на процесора, с най-новите чипове, чипове от 4nm.

Въпреки това, както гласи Законът на Мур, все още можем да очакваме производителността на процесора да се удвоява на всеки две години до 2025 г. Докато процесорите не достигнат основния таван на размера на атома, всички тези производствени процеси трябва да се справят с дизайна за производство на чипа, който изискваме.

Какво е законът на Мур и дали все още е уместен през 2022 г.?

Прочетете Следващото