Come fa la sabbia a diventare silicio? Spiegazione della produzione della CPU

Il mondo si basa sull'informazione, con l'umanità che crea circa 2,5 milioni di terabyte di dati al giorno. Tuttavia, tutti questi dati sono inutili a meno che non possiamo elaborarli, quindi, probabilmente, una delle cose senza cui il mondo moderno non può vivere sono i processori.

Ma come è fatto un processore? Perché è una meraviglia moderna? Come può un produttore inserire miliardi di transistor in un pacchetto così piccolo? Immergiamoci nel modo in cui Intel, uno dei maggiori produttori di chip a livello globale, crea una CPU dalla sabbia.

Estrazione del silicio dalla sabbia

L'ingrediente di base di qualsiasi processore, il silicio, viene estratto dalla sabbia del deserto. Questo materiale si trova abbondantemente nella crosta terrestre ed è costituito da circa il 25% al ​​50% di biossido di silicio. Viene lavorato per separare il silicio da tutti gli altri materiali nella sabbia.

L'elaborazione si ripete più volte fino a quando il produttore non crea un campione puro al 99,9999%. Il silicio purificato viene quindi colato per formare un lingotto cilindrico di qualità elettronica. Il diametro del cilindro è di 300 mm e pesa circa 100 kg.

Il produttore taglia quindi il lingotto in wafer sottili 925 micrometri. Successivamente, viene lucidato fino a ottenere una finitura liscia a specchio, rimuovendo tutti i difetti e le imperfezioni sulla sua superficie. Questi wafer finiti vengono quindi spediti all'impianto di fabbricazione di semiconduttori di Intel per la trasformazione da una lastra di silicio in un cervello di computer ad alta tecnologia.

L'autostrada FOUP

Poiché i processori sono parti di alta precisione, la loro base in puro silicio non deve essere contaminata prima, durante o dopo la produzione. È qui che entrano in gioco i pod unificati ad apertura frontale (FOUP). Questi pod automatizzati contengono 25 wafer alla volta, mantenendoli al sicuro in uno spazio a controllo ambientale durante il trasporto dei wafer tra le macchine.

Inoltre, ogni fetta può percorrere gli stessi passaggi centinaia di volte, a volte andando da un'estremità all'altra dell'edificio. L'intero processo è incorporato nelle macchine in modo che la FOUP sappia dove andare per ogni passaggio.

Inoltre, i FOUP viaggiano su monorotaie appese al soffitto, consentendo loro di portare la parte più veloce ed efficiente da una fase di produzione all'altra.

Fotolitografia

Il processo di fotolitografia utilizza un fotoresist per imprimere motivi sul wafer di silicio. Photoresist è un materiale resistente e sensibile alla luce simile a quello che trovi su pellicola. Una volta applicato, il wafer viene esposto alla luce ultravioletta con una maschera del modello del processore.

La maschera assicura che solo i punti che vogliono elaborare siano esposti, lasciando così il fotoresist in quell'area solubile. Una volta che il motivo è completamente impresso sul wafer di silicio, passa attraverso un bagno chimico per rimuovere tutto il fotoresist esposto, lasciando un modello di silicio nudo che passerà attraverso i passaggi successivi nel processi.

Impianto ionico

Conosciuto anche come drogaggio, questo processo incorpora atomi di diversi elementi per migliorare la conduttività. Una volta completato, lo strato di fotoresist iniziale viene rimosso e ne viene posizionato uno nuovo per preparare il wafer per il passaggio successivo.

Acquaforte

Dopo un altro giro di fotolitografia, il wafer di silicio si dirige verso l'incisione, dove iniziano a formarsi i transistor del processore. Photoresist viene applicato nelle aree in cui si desidera che rimanga il silicio, mentre le parti che devono essere rimosse vengono incise chimicamente.

Il materiale rimanente diventa lentamente i canali dei transistor, dove gli elettroni fluiscono da un punto all'altro.

Deposizione materiale

Una volta creati i canali, il wafer di silicio torna alla fotolitografia per aggiungere o rimuovere strati di fotoresist secondo necessità. Si procede quindi alla deposizione del materiale. Vari strati di materiali diversi, come biossido di silicio, silicio policristallino, dielettrico ad alto k, diversi leghe metalliche e rame vengono aggiunte e incise per creare, finalizzare e collegare i milioni di transistor sul patata fritta.

Planarizzazione Chimica Meccanica

Ogni strato del processore subisce una planarizzazione chimico-meccanica, nota anche come lucidatura, per tagliare i materiali in eccesso. Una volta rimosso lo strato più in alto, viene rivelato il modello di rame sottostante, consentendo al produttore di creare più strati di rame per collegare i diversi transistor secondo necessità.

Sebbene i processori sembrino incredibilmente sottili, di solito hanno più di 30 strati di circuiti complessi. Ciò gli consente di fornire la potenza di elaborazione richiesta dalle applicazioni odierne.

Test, affettatura e smistamento

Un wafer di silicio può passare attraverso tutti i processi di cui sopra per creare un processore. Una volta che il wafer di silicio ha completato quel viaggio, inizia il test. Questo processo controlla la funzionalità di ogni pezzo creato sul wafer, indipendentemente dal fatto che funzioni o meno.

Una volta fatto, il wafer viene poi tagliato a pezzi chiamati dado. Viene quindi smistato, dove gli stampi che funzionano passano al confezionamento e quelli che falliscono vengono scartati.

Trasformare la matrice di silicio in un processore

Questo processo, chiamato confezionamento, trasforma gli stampi in processori. Un substrato, in genere un circuito stampato, e un dissipatore di calore vengono inseriti sullo stampo per formare la CPU acquistata. Il substrato è dove il die si collega fisicamente alla scheda madre mentre il dissipatore di calore si interfaccia con il tuo Ventola di raffreddamento DC o PWM della CPU.

Test e controllo di qualità

I processori completati vengono quindi testati di nuovo, ma questa volta per prestazioni, potenza e funzionalità. Questo test determina che tipo di chip sarà—se è bello essere un Processore i3, i5, i7 o i9. I processori vengono quindi raggruppati di conseguenza per l'imballaggio al dettaglio o collocati in vassoi per la consegna ai produttori di computer.

Microscopicamente piccolo ma immensamente complicato

Mentre i processori sembrano semplici dall'esterno, sono immensamente complicati. La produzione del processore richiede da due mesi e mezzo a tre mesi di processi 24 ore su 24, 7 giorni su 7. E nonostante l'ingegneria altamente precisa alla base di questi chip, non c'è ancora alcuna garanzia che otterranno un wafer perfetto.

In effetti, i produttori di processori possono perdere tra il 20% e il 70% degli stampi su un wafer a causa di imperfezioni, contaminanti e altro. Questo valore è ulteriormente influenzato da processi CPU sempre più piccoli, con il chip più recenti che vanno fino a 4 nm.

Tuttavia, come afferma la legge di Moore, possiamo ancora aspettarci che le prestazioni del processore raddoppino ogni due anni fino al 2025. Fino a quando i processori non raggiungeranno il limite fondamentale della dimensione dell'atomo, tutti questi processi di produzione devono far fronte ai progetti per produrre il chip che richiediamo.

Qual è la legge di Moore ed è ancora rilevante nel 2022?

Leggi Avanti