Hvordan blir sand til silisium? CPU-produksjon forklart

Verden går på informasjon, og menneskeheten skaper anslagsvis 2,5 millioner terabyte med data per dag. Imidlertid er alle disse dataene ubrukelige med mindre vi kan behandle dem, så en av tingene som den moderne verden ikke kan leve uten, er prosessorer.

Men hvordan lages en prosessor? Hvorfor er det et moderne vidunder? Hvordan kan en produsent sette inn milliarder av transistorer i en så liten pakke? La oss dykke dypt inn i hvordan Intel, en av de største brikkeprodusentene globalt, lager en CPU fra sand.

Å trekke ut silisium fra sand

Basisingrediensen til enhver prosessor, silisium, utvinnes fra ørkensand. Dette materialet finnes rikelig i jordskorpen og består av rundt 25 % til 50 % silisiumdioksid. Det behandles for å skille silisium fra alle andre materialer i sanden.

Behandlingen gjentas flere ganger til produsenten lager en 99,9999 % ren prøve. Det rensede silisiumet helles deretter for å danne en sylindrisk blokk av elektronisk kvalitet. Sylinderens diameter er 300 mm og veier ca 100 kg.

Produsenten deler deretter blokken i 925 mikrometer tynne skiver. Etterpå er den polert til en speilglat finish, og fjerner alle feil og skavanker på overflaten. Disse ferdige skivene sendes deretter til Intels halvlederfabrikk for transformasjon fra en silisiumplate til en høyteknologisk datamaskinhjerne.

FOUP-motorveien

Siden prosessorer er høypresisjonsdeler, må den rene silisiumbasen ikke være forurenset før, under eller etter produksjon. Det er her de front-åpnede unified pods (FOUPs) kommer inn. Disse automatiserte kapslene holder 25 wafere om gangen, og holder dem trygge og sikre i et miljøkontrollert rom når du transporterer wafere mellom maskiner.

Videre kan hver wafer reise gjennom de samme trinnene hundrevis av ganger, noen ganger fra den ene enden av bygningen til den andre. Hele prosessen er innebygd i maskinene slik at FOUP vet hvor den skal gå for hvert trinn.

Dessuten reiser FOUP-ene på monorails hengende fra taket, slik at de kan ta den raskeste og mest effektive delen fra ett produksjonstrinn til et annet.

Fotolitografi

Fotolitografiprosessen bruker en fotoresist for å trykke mønstre på silisiumplaten. Photoresist er et tøft, lysfølsomt materiale som ligner på det du finner på film. Når dette er påført, blir waferen utsatt for ultrafiolett lys med en maske av prosessorens mønster.

Masken sørger for at bare de stedene de ønsker å behandle blir eksponert, og etterlater dermed fotoresisten i det området løselig. Når mønsteret er helt påtrykt på silisiumplaten, går den gjennom et kjemisk bad for å fjerne alt den eksponerte fotoresisten, og etterlater et mønster av bart silisium som vil gå gjennom de neste trinnene i prosess.

Ioneimplantasjon

Også kjent som doping, bygger denne prosessen inn atomer fra forskjellige elementer for å forbedre ledningsevnen. Når det er fullført, fjernes det første fotoresistlaget, og et nytt settes på plass for å forberede waferen for neste trinn.

Etsning

Etter en ny runde med fotolitografi går silisiumplaten videre til etsning, hvor prosessorens transistorer begynner å dannes. Fotoresist påføres områder hvor de ønsker at silisiumet skal forbli, mens delene som må fjernes er kjemisk etset.

Det gjenværende materialet blir sakte til transistorenes kanaler, hvor elektronene strømmer fra ett punkt til et annet.

Materialavsetning

Når kanalene er opprettet, går silisiumplaten tilbake til fotolitografi for å legge til eller fjerne fotoresistlag etter behov. Deretter fortsetter det til materialavsetning. Ulike lag av forskjellige materialer, som silisiumdioksid, polykrystallinsk silisium, høyk-dielektrisk, forskjellige metalllegeringer og kobber tilsettes og etses for å lage, ferdigstille og koble sammen millioner av transistorer på chip.

Kjemisk mekanisk planarisering

Hvert prosessorlag gjennomgår kjemisk mekanisk planarisering, også kjent som polering, for å trimme av overflødig materiale. Når det øverste laget er fjernet, avsløres det underliggende kobbermønsteret, slik at produsenten kan lage flere kobberlag for å koble sammen de forskjellige transistorene etter behov.

Selv om prosessorer ser utrolig tynne ut, har de vanligvis mer enn 30 lag med komplekse kretser. Dette gjør at den kan levere prosessorkraften som kreves av dagens applikasjoner.

Testing, skjæring og sortering

En silisiumwafer kan gå gjennom alle de ovennevnte prosessene for å lage en prosessor. Når silisiumplaten har fullført den reisen, begynner den å teste. Denne prosessen sjekker hver opprettet del på waferen for funksjonalitet – enten den fungerer eller ikke.

Når den er ferdig kuttes oblaten i biter som kalles en die. Det blir deretter sortert, hvor dies som fungerer går videre til pakking, og de som feiler blir kastet.

Gjøre silisiumformen til en prosessor

Denne prosessen, kalt emballasje, forvandler dies til prosessorer. Et substrat, vanligvis et trykt kretskort, og en varmespreder settes på formen for å danne CPU-en du kjøper. Substratet er der dysen fysisk kobles til hovedkortet mens varmesprederen kobler til ditt CPUs DC eller PWM kjølevifte.

Testing og kvalitetskontroll

De ferdige prosessorene testes deretter på nytt, men denne gangen for ytelse, kraft og funksjonalitet. Denne testen avgjør hva slags chip det blir— om det er godt å være en i3-, i5-, i7- eller i9-prosessor. Prosessorene blir deretter gruppert tilsvarende for detaljemballasje eller plassert i brett for levering til datamaskinprodusenter.

Mikroskopisk liten, men uhyre komplisert

Selv om prosessorer ser enkle ut fra utsiden, er de utrolig kompliserte. Produksjon av prosessorer tar to og en halv til tre måneder med 24/7 prosesser. Og til tross for den svært nøyaktige konstruksjonen bak disse brikkene, er det fortsatt ingen garanti for at de får en perfekt wafer.

Faktisk kan prosessorprodusenter miste et sted mellom 20 % og 70 % av formene på en wafer på grunn av ufullkommenheter, forurensninger og mer. Denne verdien påvirkes ytterligere av stadig mindre CPU-prosesser, med de nyeste brikkene er så små som 4nm.

Men som Moores lov sier, kan vi fortsatt forvente at prosessorytelsen dobles hvert annet år frem til 2025. Inntil prosessorer når det grunnleggende taket for atomstørrelse, må alle disse produksjonsprosessene takle designene for å produsere brikken vi krever.

Hva er Moores lov og er den fortsatt relevant i 2022?

Les Neste