Процессор в вашем компьютере начал свою жизнь с песчинки. Я знаю, это звучит странно, но все начинается с вашего любимого материала для строительства песочных замков
Мир работает на информации, и человечество создает примерно 2,5 миллиона терабайт данных в день. Однако все эти данные бесполезны, если мы не можем их обработать, поэтому, возможно, одна из вещей, без которых современный мир не может жить, – это процессоры
Но как создается процессор? Почему это современное чудо? Как производитель может поместить миллиарды транзисторов в такой маленький корпус? Давайте подробно разберемся, как Intel, один из крупнейших производителей чипов в мире, создает процессор из песка
Извлечение кремния из песка
Основной ингредиент любого процессора, кремний, добывается из песка пустыни. Этот материал в изобилии встречается в земной коре и состоит примерно на 25-50% из диоксида кремния. Он обрабатывается для отделения кремния от всех других материалов в песке
Обработка повторяется несколько раз, пока производитель не создаст образец чистотой 99,9999%. Затем очищенный кремний разливают, формируя цилиндрический слиток электронного класса. Диаметр цилиндра составляет 300 мм, а вес – около 100 кг
Затем производитель нарезает слиток на пластины толщиной 925 микрометров. После этого их полируют до зеркальной гладкости, удаляя все дефекты и изъяны на поверхности. Затем готовые пластины отправляются на завод Intel по производству полупроводников для превращения из кремниевой плиты в высокотехнологичный компьютерный мозг
Шоссе FOUP
Поскольку процессоры являются высокоточными деталями, их чистая кремниевая основа не должна быть загрязнена ни до, ни во время, ни после изготовления. Именно здесь на помощь приходят унифицированные капсулы с передним открытием (FOUP). Эти автоматизированные капсулы вмещают 25 пластин одновременно, обеспечивая их сохранность и безопасность в экологически контролируемом пространстве при транспортировке пластин между машинами
Более того, каждая пластина может проходить одни и те же этапы сотни раз, иногда проходя из одного конца здания в другой. Весь процесс встроен в машины, так что FOUP знает, куда идти на каждом этапе
Кроме того, FOUP перемещаются по монорельсам, свисающим с потолка, что позволяет им доставлять самые быстрые и эффективные детали с одного производственного этапа на другой
Фотолитография
Источник изображения: Chaiken/Wikimedia Commons.
В процессе фотолитографии используется фоторезист для нанесения рисунка на кремниевую пластину. Фоторезист – это прочный, светочувствительный материал, похожий на тот, что используется на фотопленке. После нанесения фоторезиста пластина подвергается воздействию ультрафиолетового света с маской рисунка процессора
Маска обеспечивает облучение только тех мест, которые они хотят обработать, оставляя фоторезист в этой области растворимым. Когда рисунок полностью отпечатывается на кремниевой пластине, она проходит через химическую ванну, чтобы удалить весь фоторезист, оставляя рисунок голого кремния, который будет проходить следующие этапы процесса
Ионная имплантация
Также известный как легирование, этот процесс встраивает атомы различных элементов для улучшения проводимости. После завершения начальный слой фоторезиста удаляется, а на его место наносится новый, чтобы подготовить пластину к следующему этапу
Травление
После очередного раунда фотолитографии кремниевая пластина отправляется на травление, где начинают формироваться транзисторы процессора. Фоторезист наносится на участки, где кремний должен остаться, а те части, которые должны быть удалены, подвергаются химическому травлению
Оставшийся материал постепенно превращается в каналы транзисторов, по которым электроны перетекают из одной точки в другую
Осаждение материала
После создания каналов кремниевая пластина возвращается в фотолитографию для добавления или удаления слоев фоторезиста по мере необходимости. Затем она переходит к осаждению материала. Различные слои различных материалов, таких как диоксид кремния, поликристаллический кремний, высокопрочный диэлектрик, различные металлические сплавы и медь, добавляются и вытравливаются для создания, доработки и соединения миллионов транзисторов на чипе
Химико-механическая планаризация
Каждый слой процессора подвергается химико-механической планаризации, также известной как полировка, для удаления лишних материалов. После удаления верхнего слоя обнажается нижележащий медный рисунок, что позволяет производителю создавать дополнительные медные слои для соединения различных транзисторов по мере необходимости
Хотя процессоры выглядят невероятно тонкими, они обычно имеют более 30 слоев сложных схем. Это позволяет им обеспечивать вычислительную мощность, необходимую для современных приложений
Тестирование, нарезка и сортировка
Кремниевая пластина может пройти через все вышеперечисленные процессы для создания процессора. Как только кремниевая пластина завершает этот путь, она начинает тестирование. В ходе этого процесса каждая созданная деталь на пластине проверяется на функциональность — работает она или нет
После этого пластина разрезается на части, называемые матрицами. Затем они сортируются, где штампы, которые работают, переходят к упаковке, а те, которые не работают, отбраковываются
Превращение кремниевой матрицы в процессор
Этот процесс, называемый упаковкой, превращает матрицы в процессоры. Подложка, обычно печатная плата, и теплораспределитель наносятся на матрицу, чтобы сформировать процессор, который вы покупаете. Подложка – это место физического соединения матрицы с материнской платой, а теплораспределитель взаимодействует с вентилятором охлаждения процессора постоянного тока или ШИМ
Тестирование и контроль качества
Готовые процессоры снова тестируются, но на этот раз на производительность, мощность и функциональность. Этот тест определяет, что это будет за чип— будет ли это процессор i3, i5, i7 или i9. Затем процессоры группируются соответствующим образом для розничной упаковки или помещаются в лотки для поставки производителям компьютеров
Микроскопически малый, но чрезвычайно сложный
Хотя внешне процессоры выглядят просто, они чрезвычайно сложны. Производство процессоров занимает от двух с половиной до трех месяцев круглосуточной работы. И несмотря на высокоточную инженерию, стоящую за этими чипами, все еще нет гарантии, что они получат идеальную пластину
Фактически, производители процессоров могут потерять от 20% до 70% матриц на пластине из-за дефектов, загрязнений и прочего. На это значение еще больше влияет все более мелкий техпроцесс процессоров: новейшие чипы выпускаются по нормам 4 нм
Однако, как гласит закон Мура, мы можем ожидать, что производительность процессоров будет удваиваться каждые два года до 2025 года. Пока процессоры не достигнут фундаментального потолка размера атома, все эти производственные процессы должны справляться с дизайном, чтобы производить чипы, которые мы требуем
Комментировать