Kuidas saab liivast räni? CPU tootmise selgitus

Maailm töötab teabel ja inimkond loob hinnanguliselt 2,5 miljonit terabaiti andmemahtu päevas. Kuid kõik need andmed on kasutud, kui me ei saa neid töödelda, nii et vaieldamatult üks asi, milleta kaasaegne maailm elada ei saa, on protsessorid.

Aga kuidas protsessor tehakse? Miks on see kaasaegne ime? Kuidas saab tootja miljardeid transistore nii väikesesse pakendisse mahutada? Sukeldume sügavale sellesse, kuidas Intel, üks maailma suurimaid kiibitootjaid, loob liivast protsessorit.

Räni ekstraheerimine liivast

Iga protsessori põhikoostisosa, räni, ekstraheeritakse kõrbeliivast. Seda materjali leidub rohkesti maakoores ja see koosneb umbes 25–50% ränidioksiidist. Seda töödeldakse räni eraldamiseks kõigist teistest liivas sisalduvatest materjalidest.

Töötlemist korratakse mitu korda, kuni tootja loob 99,9999% puhtusega proovi. Seejärel valatakse puhastatud räni, et moodustada silindriline elektroonilise kvaliteediga valuplokk. Silindri läbimõõt on 300 mm ja kaal umbes 100 kg.

Seejärel viilutab tootja valuploki 925 mikromeetri õhukesteks vahvliteks. Seejärel poleeritakse see peegelsiledaks, eemaldades selle pinnalt kõik vead ja plekid. Need viimistletud vahvlid saadetakse seejärel Inteli pooljuhtide tootmistehasesse, et muuta need räniplaadist kõrgtehnoloogiliseks arvutiajuks.

FOUP kiirtee

Kuna protsessorid on ülitäpsed osad, ei tohi nende puhas ränipõhi olla saastunud enne, tootmise ajal ega pärast tootmist. Siin tulevad kasutusele eest avanevad ühtsed kaunad (FOUP). Need automatiseeritud kaunad mahutavad korraga 25 vahvlit, hoides neid ohutult ja kindlalt keskkonnasäästlikus ruumis, kui vahvleid masinate vahel transportida.

Lisaks võib iga vahvel liikuda samade sammude kaudu sadu kordi, liikudes mõnikord hoone ühest otsast teise. Kogu protsess on masinatesse sisse ehitatud, nii et FOUP teab, kuhu iga sammu jaoks minna.

Samuti liiguvad FOUP-id laes rippuvatel monorelssidel, võimaldades neil kiireima ja tõhusaima osa ühest tootmisetapist teise viia.

Fotolitograafia

Fotolitograafia protsessis kasutatakse räniplaadile mustrite jäljendamiseks fotoresisti. Fotoresist on tugev, valgustundlik materjal, mis sarnaneb filmiga. Pärast selle rakendamist eksponeeritakse vahvel protsessori mustriga maskiga ultraviolettvalgusega.

Mask tagab, et säritatakse ainult need kohad, mida nad soovivad töödelda, jättes seega fotoresisti selles piirkonnas lahustuvaks. Kui muster on räniplaadile täielikult trükitud, läbib see kõik eemaldamiseks keemilise vanni säritatud fotoresist, jättes tühjast ränist mustri, mis läbib järgmised etapid protsessi.

Ioonide implantatsioon

See protsess, mida tuntakse ka kui dopingut, ühendab juhtivuse parandamiseks erinevate elementide aatomeid. Kui see on valmis, eemaldatakse esialgne fotoresisti kiht ja asetatakse uus, et valmistada vahvel järgmiseks etapiks.

Söövitamine

Pärast järjekordset fotolitograafiat läheb räniplaat söövitamise juurde, kus hakkavad moodustuma protsessori transistorid. Fotoresisti kantakse kohtadele, kuhu nad soovivad, et räni jääks, samas kui eemaldatavad osad söövitatakse keemiliselt.

Ülejäänud materjal muutub aeglaselt transistoride kanaliteks, kus elektronid voolavad ühest punktist teise.

Materjali ladestamine

Kui kanalid on loodud, naaseb räniplaat fotolitograafiasse, et vajadusel fotoresisti kihte lisada või eemaldada. Seejärel liigub see materjali ladestuseni. Erinevate materjalide mitmesugused kihid, nagu ränidioksiid, polükristalliline räni, kõrge k dielektrik, erinevad metallisulameid ja vaske lisatakse ja söövitatakse, et luua, viimistleda ja ühendada miljoneid transistore kiip.

Keemiline mehaaniline planariseerimine

Iga protsessori kiht läbib liigsete materjalide eemaldamiseks keemilise mehaanilise tasapinna, mida nimetatakse ka poleerimiseks. Kui ülemine kiht on eemaldatud, ilmneb selle all olev vaskmuster, mis võimaldab tootjal luua rohkem vasekihte erinevate transistoride ühendamiseks vastavalt vajadusele.

Kuigi protsessorid näevad võimatult õhukesed välja, on neil tavaliselt rohkem kui 30 kihti keerukat vooluringi. See võimaldab tal pakkuda tänapäevaste rakenduste jaoks vajalikku töötlemisvõimsust.

Testimine, viilutamine ja sorteerimine

Räniplaat võib protsessori loomiseks läbida kõik ülaltoodud protsessid. Kui ränivahv on selle teekonna lõpetanud, alustatakse selle testimist. See protsess kontrollib iga vahvlil loodud osa funktsionaalsust – kas see töötab või mitte.

Kui vahvel on valmis, lõigatakse see tükkideks, mida nimetatakse matriitsiks. Seejärel see sorteeritakse, kus töötavad vormid liiguvad edasi pakkimiseni ja need, mis ebaõnnestuvad, visatakse ära.

Silicon Die muutmine protsessoriks

See protsess, mida nimetatakse pakkimiseks, muudab stantsid protsessoriteks. Ostetud protsessori moodustamiseks asetatakse matriitsile substraat, tavaliselt trükkplaat, ja soojusjaotur. Substraat on koht, kus stants ühendub füüsiliselt emaplaadiga, samal ajal kui soojusjaotur liidestub teiega CPU DC või PWM jahutusventilaator.

Testimine ja kvaliteedikontroll

Seejärel testitakse valmis protsessoreid uuesti, kuid seekord jõudluse, võimsuse ja funktsionaalsuse osas. See test määrab milline kiip see saab olema— kas on hea olla i3, i5, i7 või i9 protsessor. Seejärel rühmitatakse protsessorid vastavalt jaemüügipakenditele või asetatakse alustele arvutitootjatele tarnimiseks.

Mikroskoopiliselt väike, kuid tohutult keeruline

Kuigi protsessorid näivad väljastpoolt lihtsad, on nad tohutult keerulised. Protsessori tootmine võtab kaks ja pool kuni kolm kuud 24/7 protsesse. Ja hoolimata nende kiipide taga olevast ülitäpsest inseneritööst, pole siiski mingit garantiid, et need saavad täiusliku vahvli.

Tegelikult võivad protsessoritootjad puuduste, saasteainete ja muu tõttu kaotada kuskil 20–70% vahvli stantsidest. Seda väärtust mõjutavad veelgi järjest väiksemad CPU protsessid, koos uusimad kiibid on nii väikesed kui 4nm.

Kuid nagu Moore'i seadus ütleb, võime oodata protsessori jõudluse kahekordistumist iga kahe aasta tagant kuni 2025. aastani. Kuni protsessorid saavutavad aatomi suuruse põhilise ülemmäära, peavad kõik need tootmisprotsessid meie nõutud kiibi tootmiseks vastama disainilahendustele.

Mis on Moore'i seadus ja kas see on endiselt asjakohane 2022. aastal?

Loe edasi