چه تولید کنندگان معروف پردازنده وجود دارد. تولید پردازنده - از ماسه تا کامپیوتر

چند سال پیش اینتل معرفی کرد فرآیند گام به گامتولید ریزپردازنده: از ماسه تا محصول نهایی. در واقع، روند تولید عناصر نیمه هادی واقعا شگفت انگیز به نظر می رسد.

مرحله 1. شن و ماسه

سیلیسیم که حدود 25 درصد از کل عناصر شیمیایی پوسته زمین را با جرم کل تشکیل می دهد، پس از اکسیژن دومین فراوانی است. شن و ماسه دارای درصد بالایی از دی اکسید سیلیکون (SiO 2) است که ماده اصلی نه تنها برای تولید پردازنده های اینتل، بلکه به طور کلی برای تولید نیمه هادی است.

سیلیکون مذاب

این ماده طی چندین مرحله تصفیه می شود تا زمانی که سیلیکون درجه نیمه هادی بدست آید که در نیمه هادی ها استفاده می شود. در نهایت، به شکل شمش های تک کریستالی به قطر حدود 300 میلی متر (12 اینچ) می آید. قبلاً قطر شمش 200 میلی متر (8 اینچ) و در سال 1970 دور - حتی کمتر - 50 میلی متر (2 اینچ) بود.

در این سطح از تولید پردازنده، پس از تمیز کردن، خلوص کریستال یک اتم ناخالصی در هر میلیارد اتم سیلیکون است. وزن شمش 100 کیلوگرم است.

مرحله 3. برش شمش

شمش با یک اره بسیار نازک به برش های جداگانه به نام زیرلایه بریده می شود. هر کدام از آنها متعاقباً صیقل داده می‌شوند تا سطحی صاف مانند آینه به‌دست بیاورند. بر روی این سطح صاف است که متعاقباً سیم های مسی ریز اعمال می شود.

نوردهی لایه مقاوم به نور

یک مایع مقاوم در برابر نور (همان موادی که در عکاسی سنتی استفاده می‌شود) روی بستری ریخته می‌شود که با سرعت بالا می‌چرخد. در حین چرخش، یک لایه مقاومتی نازک و یکنواخت بر روی کل سطح زیرلایه تشکیل می شود.

یک لیزر ماوراء بنفش از طریق ماسک و یک لنز بر روی سطح بستر عمل می کند و خطوط ماوراء بنفش نورانی کوچکی را روی آن تشکیل می دهد. لنز تصویر فوکوس شده را 4 برابر کوچکتر از ماسک می کند. هر جا خطوط فرابنفش به لایه مقاوم برخورد کنند، یک واکنش شیمیایی رخ می دهد که در نتیجه این مناطق محلول می شوند.

مرحله 5 اچ کردن

سپس ماده مقاوم به نور محلول با یک حلال شیمیایی کاملاً حل می شود. بنابراین، یک اچانت شیمیایی برای حل کردن یا حک کردن مقدار کمی از مواد نیمه هادی صیقلی (زیر لایه) استفاده می شود. بقیه مواد مقاوم به نور با فرآیند شستشوی مشابه حذف می شوند و سطح اچ شده زیرلایه را در معرض دید قرار می دهد.

تشکیل لایه

برای ایجاد کوچک سیم های مسیکه در نهایت الکتریسیته را به/از کانکتورهای مختلف منتقل می‌کند، مقاومت نوری اضافی (مواد حساس به نور) اضافه می‌شود که آنها نیز شسته و در معرض دید قرار می‌گیرند. پس از آن، یک فرآیند دوپینگ یونی برای افزودن ناخالصی ها و محافظت از رسوبات یون مس از سولفات مس در طول فرآیند آبکاری انجام می شود.

در مراحل مختلف این فرآیندهای ساخت پردازنده، مواد اضافی اضافه می شود که اچ و صیقل داده می شوند. این فرآیند 6 بار تکرار کنید تا 6 لایه تشکیل شود.

محصول نهایی شبیه شبکه ای از نوارهای مسی میکروسکوپی زیادی است که جریان الکتریسیته را هدایت می کنند. برخی از آنها به دیگران متصل هستند و برخی در فاصله معینی از دیگران قرار دارند. اما همه آنها برای یک هدف استفاده می شوند - برای انتقال الکترون. به عبارت دیگر، آنها طراحی شده اند تا به اصطلاح " کار مفید” (مثلاً اضافه کردن دو عدد در سریع ترین زمان ممکن که ماهیت مدل محاسباتی این روزها است).

پردازش چند سطحی در هر ناحیه کوچک جداگانه از سطح بستر که تراشه ها روی آن ساخته می شوند، تکرار می شود. از جمله چنین مناطقی شامل مواردی است که تا حدی در خارج از بستر قرار دارند.

مرحله 7. آزمایش

به محض اعمال تمام لایه های فلزی و ایجاد تمام ترانزیستورها، نوبت به مرحله بعدی تولید پردازنده های اینتل - تست می رسد. یک دستگاه چند پین در بالای تراشه قرار داده شده است. سیم های میکروسکوپی زیادی به آن وصل شده است. هر یک از این سیم کشی ها یک اتصال الکتریکی به تراشه دارند.

برای بازتولید عملکرد تراشه، دنباله ای از سیگنال های آزمایشی به آن منتقل می شود. این تست نه تنها قابلیت‌های محاسباتی سنتی را آزمایش می‌کند، بلکه تشخیص داخلی مقادیر ولتاژ، توالی‌های آبشاری و سایر توابع را نیز انجام می‌دهد. پاسخ تراشه در قالب یک نتیجه آزمایش در یک پایگاه داده به طور خاص برای بخش معینی از بستر ذخیره می شود. این فرآیند برای هر بخش از بستر تکرار می شود.

برش را وارد کنید

برای برش صفحات از یک اره بسیار کوچک با نوک الماس استفاده می شود. پایگاه داده پر شده در مرحله قبل برای تعیین اینکه کدام تراشه های بریده شده از بستر حفظ شده و کدامیک دور ریخته می شوند استفاده می شود.

مرحله 9 محوطه

تمامی صفحات کار در کیس های فیزیکی قرار می گیرند. اگرچه پلاترها از قبل آزمایش شده و مشخص شده اند که به درستی کار می کنند، اما این بدان معنا نیست که آنها پردازنده های خوبی هستند.

فرآیند کپسوله‌سازی به معنای قرار دادن یک تراشه سیلیکونی در یک ماده زیرلایه با سیم‌های طلایی مینیاتوری متصل به کنتاکت‌ها یا آرایه توپی آن است. مجموعه ای از سیم های توپ را می توان در پشت کیس پیدا کرد. یک هیت سینک در قسمت بالایی کیس تعبیه شده است. او هست مورد فلزی. در پایان این فرآیند، واحد پردازش مرکزی مانند یک محصول نهایی در نظر گرفته شده برای مصرف به نظر می رسد.

توجه: سینک حرارتی فلزی جزء کلیدی دستگاه های نیمه هادی پرسرعت امروزی است. پیش از این، هیت سینک ها سرامیکی بودند و از خنک کننده اجباری استفاده نمی کردند. برای برخی از مدل‌های 8086 و 80286 و برای مدل‌هایی که با 80386 شروع می‌شوند، این مورد نیاز بود. نسل‌های قبلی پردازنده‌ها ترانزیستورهای بسیار کمتری داشتند.

به عنوان مثال، پردازنده 8086 دارای 29000 ترانزیستور بود، در حالی که CPU های مدرن صدها میلیون ترانزیستور دارند. چنین تعداد کمی از ترانزیستورها طبق استانداردهای امروزی گرمای کافی برای نیاز تولید نمی کنند خنک کننده فعال. برای جدا کردن این پردازنده‌ها از پردازنده‌هایی که به این نوع خنک‌کننده نیاز دارند، تراشه‌های سرامیکی متعاقباً با عنوان «حرارت نیاز است».

پردازنده‌های مدرن حرارت کافی برای ذوب شدن در چند ثانیه تولید می‌کنند. تنها وجود یک هیت سینک متصل به یک هیت سینک و فن بزرگ به آنها اجازه می دهد تا برای مدت طولانی کار کنند.

پردازنده ها را بر اساس ویژگی ها مرتب کنید

در این مرحله از تولید، پردازنده به نظر می رسد که در یک فروشگاه خریداری شده است. با این حال، یک مرحله دیگر برای تکمیل فرآیند تولید آن مورد نیاز است. به آن مرتب سازی می گویند.

در این مرحله ویژگی های واقعی فرد CPU. پارامترهایی مانند ولتاژ، فرکانس، عملکرد، اتلاف حرارت و سایر مشخصات اندازه گیری می شوند.

بهترین تراشه ها به عنوان محصولات با کیفیت بالاتر در قفسه بندی می شوند. آنها نه تنها به عنوان بیشترین فروخته می شوند اجزای سریع، بلکه به عنوان مدل های ولتاژ پایین و فوق العاده پایین.

تراشه هایی که در گروه پردازنده های برتر قرار نمی گیرند اغلب به عنوان پردازنده هایی با سرعت کلاک پایین تر فروخته می شوند. علاوه بر این، پردازنده های چهار هسته ای پایین تر ممکن است به صورت دو هسته ای یا سه هسته ای فروخته شوند.

عملکرد پردازنده

فرآیند مرتب سازی مقادیر نهایی سرعت، ولتاژ و ویژگی های حرارتی را تعیین می کند. به عنوان مثال، در یک بستر استاندارد، تنها 5 درصد از تراشه های تولید شده می توانند در فرکانس های بالاتر از 3.2 گیگاهرتز کار کنند. در عین حال، 50 درصد تراشه ها می توانند در فرکانس 2.8 گیگاهرتز کار کنند.

سازندگان پردازنده دائماً در حال بررسی دلایلی هستند که چرا اکثر پردازنده های آنها به جای 3.2 گیگاهرتز مورد نیاز با فرکانس 2.8 گیگاهرتز کار می کنند. گاهی اوقات ممکن است تغییراتی در طراحی پردازنده برای بهبود عملکرد ایجاد شود.

سودآوری تولید

سودآوری تجارت برای تولید پردازنده ها و اکثر عناصر نیمه هادی در محدوده 33-50٪ قرار دارد. این بدان معنی است که حداقل 1/3 تا 1/2 از صفحات روی هر زیرلایه کار می کند و شرکت در این مورد سودآور است.

شرکت عملکرد اینتلسود هنگام استفاده از فناوری 45 نانومتری برای ویفر 300 میلی متری 95٪ است. این بدان معناست که اگر بتوان 500 ویفر سیلیکونی را از یک بستر تهیه کرد، 475 مورد از آنها عملیاتی شده و تنها 25 ویفر دور ریخته خواهد شد. هر چه تعداد صفحات بیشتری از یک بستر بدست آید، شرکت سود بیشتری خواهد داشت.

فناوری های اینتل امروزه مورد استفاده قرار می گیرد

تاریخچه استفاده از فناوری های جدید اینتل برای تولید انبوه پردازنده ها:

• 1999 - 180 نانومتر.
• 2001 - 130 نانومتر؛
• 2003 - 90 نانومتر.
• 2005 - 65 نانومتر.
• 2007 - 45 نانومتر;
• 2009 - 32 نانومتر;
• 2011 - 22 نانومتر;
• 2014 - 14 نانومتر؛
• 2019 - 10 نانومتر (برنامه ریزی شده).

در ابتدای سال 2018، اینتل از تعویق تولید انبوه پردازنده های 10 نانومتری به سال 2019 خبر داد. دلیل این امر هزینه بالای تولید است. بر این لحظهاین شرکت همچنان به عرضه پردازنده های 10 نانومتری در حجم های کوچک ادامه می دهد.

بیایید فناوری های تولید پردازنده های اینتل را از نظر هزینه مشخص کنیم. هزینه بالای مدیریت این شرکت چرخه تولید طولانی و استفاده از تعداد زیادی ماسک را توضیح می دهد. فناوری 10 نانومتری مبتنی بر لیتوگرافی فرابنفش عمیق (DUV) با استفاده از لیزرهایی است که در طول موج 193 نانومتر کار می کنند.

برای فرآیند 7 نانومتری، لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) با استفاده از لیزرهایی که در طول موج 13.5 نانومتر کار می کنند، استفاده خواهد شد. به لطف این طول موج، می توان از استفاده از الگوهای چندگانه که به طور گسترده برای فرآیند 10 نانومتری استفاده می شوند، اجتناب کرد.

مهندسان این شرکت بر این باورند که در حال حاضر، فناوری DUV به جای پرش مستقیم به فرآیند 7 نانومتری، باید صیقل داده شود. بنابراین، پردازنده‌هایی که از فناوری 10 نانومتری استفاده می‌کنند فعلاً متوقف خواهند شد.

چشم انداز ساخت ریزپردازنده AMD

تنها رقیب واقعی"اینتل" در بازار تولید پردازنده امروز AMD است. با توجه به اشکالات اینتل با فناوری 10 نانومتری، AMD کمی جایگاه خود را در بازار بهبود بخشیده است. در اینتل، تولید انبوه با استفاده از فناوری فرآیند 10 نانومتری بسیار دیر است. شناخته شده است که AMD از یک شخص ثالث برای تولید تراشه های خود استفاده می کند. و اکنون شرایطی وجود دارد که AMD از فناوری‌های تولید پردازنده 7 نانومتری برای تولید استفاده می‌کند که از رقیب اصلی کم‌تر نیستند.

تولید کنندگان اصلی دستگاه های نیمه هادی که از فناوری های جدید برای منطق پیچیده استفاده می کنند، شرکت تولید نیمه هادی تایوان (TSMC) هستند. شرکت آمریکایی GlobalFoundaries و کره ای سامسونگ Foundry.

AMD قصد دارد از TSMC تنها برای تولید ریزپردازنده های نسل بعدی استفاده کند. همزمان فناوری های جدیدی برای تولید پردازنده ها اعمال خواهد شد. این شرکت قبلاً تعدادی محصول را با استفاده از فرآیند 7 نانومتری عرضه کرده است که از جمله آنها می توان به 7 نانومتر اشاره کرد پردازنده گرافیکی. اولین مورد قرار است در سال 2019 منتشر شود. در حال حاضر برنامه ریزی شده است تا 2 سال دیگر تولید انبوه تراشه های 5 نانومتری آغاز شود.

GlobalFoundaries از توسعه فرآیند 7 نانومتری فاصله گرفت تا بر توسعه فرآیندهای 14/12 نانومتری خود برای مشتریانی که بازارهای با رشد بالا را هدف قرار می دهند تمرکز کند. AMD بیشتر در GlobalFoundaries سرمایه گذاری می کند تا پردازنده های نسل فعلی Ryzen، EPYC و Radeon AMD را تولید کند.

تولید ریزپردازنده در روسیه

تاسیسات اصلی تولید میکروالکترونیک در Zelenograd (Mikron، Angstrem) و مسکو (Krokus) واقع شده است. بلاروس همچنین تولید میکروالکترونیک خود را دارد - شرکت Integral که از آن استفاده می کند فرآیند تکنولوژیکی 0.35 میکرومتر

پردازنده ها در روسیه توسط MCST و Baikal Electronics تولید می شوند. آخرین توسعه MCST پردازنده Elbrus-8C است. این یک ریزپردازنده 8 هسته ای با سرعت کلاک 1.1-1.3 گیگاهرتز است. عملکرد پردازنده روسی 250 گیگافلاپ (عملیات ممیز شناور در ثانیه) است. نمایندگان این شرکت اعلام می کنند که در تعدادی از شاخص ها، پردازنده می تواند حتی با رهبر صنعت - اینتل رقابت کند.

تولید با مدل Elbrus-16 با فرکانس 1.5 گیگاهرتز ادامه خواهد یافت (شاخص عددی در نام تعداد هسته ها را نشان می دهد). تولید انبوه این ریزپردازنده ها در تایوان انجام خواهد شد. این باید به پایین نگه داشتن قیمت کمک کند. همانطور که می دانید قیمت محصولات این شرکت گزاف است. در عین حال، با توجه به ویژگی ها، مولفه ها به طور قابل توجهی پایین تر از شرکت های پیشرو در این بخش از اقتصاد هستند. در حالی که چنین پردازنده هایی فقط در سازمان های دولتیو برای اهداف دفاعی. فناوری فرآیند 28 نانومتری به عنوان فناوری تولید پردازنده های این خط استفاده خواهد شد.

Baikal Electronics پردازنده هایی را تولید می کند که برای استفاده در صنعت طراحی شده اند. به ویژه، این امر در مورد مدل بایکال T1 صدق می کند. دامنه آن روترها، سیستم های CNC و تجهیزات اداری است. این شرکت به همین جا بسنده نکرده و در حال توسعه یک پردازنده برای آن است کامپیوترهای شخصی- "بایکال ام". اطلاعات کمی در مورد ویژگی های آن وجود دارد. مشخص است که دارای پردازنده 8 هسته ای با پشتیبانی تا 8 است هسته های گرافیکی. مزیت این ریزپردازنده راندمان انرژی آن خواهد بود.

ریزپردازنده های مدرن یکی از این موارد هستند پیچیده ترین دستگاه هاساخته دست بشر. تولید یک تراشه نیمه هادی بسیار بیشتر از ساختن یک ساختمان چند طبقه یا سازماندهی بزرگترین رویداد نمایشگاهی است. با این حال، به لطف تولید انبوه CPU از نظر پول، ما متوجه این موضوع نمی شویم و به ندرت کسی به عظمت عناصری که چنین جایگاه برجسته ای را در داخل واحد سیستم اشغال می کنند فکر می کند. تصمیم گرفتیم جزئیات تولید پردازنده ها را مطالعه کنیم و در مورد آنها بگوییم این مواد. خوشبختانه امروزه اطلاعات کافی در مورد این موضوع در وب وجود دارد و انتخاب تخصصی ارائه ها و اسلایدها از شرکت اینتل به شما این امکان را می دهد تا کار را تا حد امکان واضح انجام دهید. شرکت های دیگر غول های صنعت نیمه هادی بر همین اصل کار می کنند، بنابراین می توانیم با اطمینان بگوییم که همه ریز مدارهای مدرن یک مسیر ایجاد یکسان را دنبال می کنند.

اولین چیزی که قابل ذکر است، مصالح ساختمانی برای پردازنده ها است. سیلیکون بعد از اکسیژن دومین عنصر رایج در این سیاره است. این یک نیمه هادی طبیعی است و به عنوان ماده اصلی برای تولید تراشه های ریز مدارهای مختلف استفاده می شود. بیشتر سیلیکون در ماسه معمولی (به ویژه کوارتز) به شکل دی اکسید سیلیکون (SiO2) یافت می شود.

با این حال، سیلیکون تنها ماده نیست. نزدیکترین خویشاوند و جایگزین آن ژرمانیوم است، با این حال، در روند بهبود تولید، دانشمندان خواص نیمه هادی خوب را در ترکیبات عناصر دیگر شناسایی کرده و در حال آماده شدن برای آزمایش آنها در عمل یا در حال انجام این کار هستند.

1 سیلیکون تحت یک فرآیند تصفیه چند مرحله ای قرار می گیرد: مواد اولیه ریز مدارها نمی توانند بیش از یک اتم خارجی در یک میلیارد ناخالصی داشته باشند.

2 سیلیکون در یک ظرف مخصوص ذوب می شود و با پایین آوردن یک میله چرخان دائماً خنک شده در داخل، ماده به دلیل نیروهای کشش سطحی در اطراف آن "زخم" می شود.

3 در نتیجه، صفحات طولی (تک کریستال) مقطع دایره ای به دست می آید که وزن هر کدام حدود 100 کیلوگرم است.

4 قطعه کار به دیسک های سیلیکونی جداگانه بریده می شود - صفحاتی که صدها ریزپردازنده روی آنها قرار خواهد گرفت. برای این منظور از ماشین هایی با دیسک های برش الماس یا تاسیسات سیم ساینده استفاده می شود.

5 برای از بین بردن تمام عیوب روی سطح، زیرلایه ها به صورت آینه ای پرداخت می شوند. گام بعدی- استفاده از نازک ترین لایه فوتوپلیمر.

6 بستر درمان شده در معرض اشعه ماوراء بنفش شدید قرار می گیرد. یک واکنش شیمیایی در لایه فوتوپلیمر انجام می شود: نور، با عبور از شابلون های متعدد، الگوهای لایه های CPU را تکرار می کند.

7 اندازه واقعیتصویر اعمال شده چندین برابر کوچکتر از استنسیل واقعی است.

8 مناطق "اچ شده" توسط تشعشع شسته می شوند. روی یک بستر سیلیکونی، الگویی به دست می آید که سپس در معرض تثبیت قرار می گیرد.

9 مرحله بعدی در ساخت یک لایه یونیزاسیون است که در طی آن مناطق سیلیکونی عاری از پلیمر با یون بمباران می شوند.

10 در مکان هایی که برخورد می کنند، خواص هدایت الکتریکی تغییر می کند.

11 پلیمر باقی مانده برداشته می شود و ترانزیستور تقریباً آماده است. سوراخ هایی در لایه های عایق ایجاد می شود که از طریق یک واکنش شیمیایی با اتم های مس که به عنوان تماس استفاده می شود پر می شوند.

12 اتصال ترانزیستورها یک سیم کشی چند سطحی است. اگر از طریق میکروسکوپ نگاه کنید، می‌توانید تعداد زیادی رسانای فلزی را روی یک کریستال و اتم‌های سیلیکون یا جایگزین‌های مدرن آن که بین آنها قرار گرفته‌اند، ببینید.

13 بخشی از بستر تمام شده اولین آزمایش را برای عملکرد انجام می دهد. در این مرحله، جریان به هر یک از ترانزیستورهای انتخاب شده اعمال می شود و سیستم خودکار پارامترهای عملیاتی نیمه هادی را بررسی می کند.

14 زیرلایه با کمک نازک ترین چرخ های برش به قسمت های جداگانه بریده می شود.

15 تراشه های خوبی که در نتیجه این عملیات به دست می آید در تولید پردازنده ها استفاده می شود و تراشه های معیوب به هدر می روند.

16 یک تراشه جداگانه، که پردازنده از آن ساخته خواهد شد، بین پایه (زیر بستر) CPU و پوشش توزیع کننده گرما قرار می گیرد و "بسته بندی می شود".

17 در طول آزمایش نهایی، پردازنده های تمام شده از نظر انطباق با پارامترهای مورد نیاز بررسی می شوند و تنها پس از آن مرتب می شوند. بر اساس داده های دریافتی، میکروکد به آنها فلش می شود و به سیستم اجازه می دهد تا CPU را به درستی تعیین کند.

18 دستگاه های تمام شدهبسته بندی و روانه بازار شد.

حقایق جالب در مورد پردازنده ها و تولید آنها

"سیلیکون ولی" (سیلیکون ولی، ایالات متحده آمریکا، کالیفرنیا)

نام خود را از عنصر اصلی ساختمان مورد استفاده در تولید ریزتراشه ها گرفته است.

"چرا ویفرهای پردازنده گرد هستند؟"- حتماً خواهید پرسید.

برای تولید کریستال‌های سیلیکون، از فناوری استفاده می‌شود که اجازه می‌دهد فقط بیلت‌های استوانه‌ای به دست آید که سپس به قطعات بریده می‌شوند. تا به حال، هیچ کس قادر به تولید یک صفحه مربع بدون نقص نبوده است.

چرا ریزتراشه ها مربع هستند؟

این نوع لیتوگرافی است که استفاده از سطح صفحه را با حداکثر کارایی ممکن می کند.

چرا پردازنده ها به تعداد زیادی پین / پین نیاز دارند؟

علاوه بر خطوط سیگنال، هر پردازنده برای کار کردن به منبع تغذیه پایدار نیاز دارد. با توان مصرفی حدود 100-120 وات و ولتاژ پایین، جریانی تا 100 آمپر می تواند از کنتاکت ها عبور کند.بخش قابل توجهی از کنتاکت های CPU به طور خاص برای سیستم منبع تغذیه اختصاص داده شده است و تکراری است.

دفع زباله های تولید

پیش از این، صفحات معیوب، بقایای آنها و ریزتراشه های معیوب به هدر رفتند. تا به امروز، پیشرفت هایی برای استفاده از آنها به عنوان پایه ای برای تولید سلول های خورشیدی در حال انجام است.

"کت و شلوار خرگوش"

این نام به لباس‌های سفید رنگی داده شد که پوشیدن آن برای همه کارگران در تأسیسات تولیدی الزامی است. این کار برای حفظ حداکثر تمیزی و محافظت در برابر ورود تصادفی ذرات گرد و غبار به تاسیسات تولید انجام می شود. "کت و شلوار اسم حیوان دست اموز" برای اولین بار در سال 1973 در کارخانه های پردازشگر استفاده شد و از آن زمان به استاندارد پذیرفته شده تبدیل شده است.

99,9999%

فقط سیلیکون با بالاترین خلوص برای تولید پردازنده مناسب است. قسمت های خالی با مواد شیمیایی مخصوص تمیز می شوند.

300 میلی متر

این قطر ویفرهای سیلیکونی مدرن برای تولید پردازنده است.

1000 بار

به این ترتیب هوا در کارخانه های تولید تراشه تمیزتر از اتاق عمل است.

20 لایه

تراشه پردازنده بسیار نازک است (کمتر از یک میلی متر)، اما بیش از 20 لایه از پیچیده ترین ترکیبات ساختاری ترانزیستورها در آن قرار دارند که شبیه بزرگراه های چند سطحی هستند.

2500

این تعداد تراشه پردازنده است اتم اینتل(دارند کوچکترین منطقهدر میان CPU های مدرن) روی یک ویفر 300 میلی متری قرار می گیرند.

10 000 000 000 000 000 000

صد کوئینتیلیون ترانزیستور به شکل عناصر ساختاریریزتراشه ها هر ساله از کارخانه ها ارسال می شوند. این حدود 100 برابر بیشتر از تعداد تخمینی مورچه ها در این سیاره است.

آ

هزینه تولید یک ترانزیستور در پردازنده امروزی برابر با قیمت چاپ یک حرف در روزنامه است.

در فرآیند تهیه مقاله، از مطالب وب سایت رسمی شرکت اینتل استفاده شده است. www.intel.ua

همانطور که وعده داده شده بود - یک داستان مفصل در مورد نحوه ساخت پردازنده ها ... با ماسه شروع می شود. همه چیزهایی که می خواستید بدانید اما از پرسیدن می ترسیدید

من قبلا در مورد " صحبت کردم پردازنده ها کجا ساخته می شوند؟"و در مورد چی" مشکلات تولیددر این مسیر هستند. امروز ما صحبت خواهیم کردبه طور مستقیم در مورد خود تولید - "از و به".

تولید پردازنده

هنگامی که کارخانه برای تولید پردازنده تکنولوژی جدیدساخته شده، 4 سال فرصت دارد تا سرمایه گذاری (بیش از 5 میلیارد دلار) را جبران کند و سود کند. از محاسبات محرمانه ساده، معلوم می شود که کارخانه باید حداقل 100 صفحه کار در ساعت تولید کند.

به طور خلاصه، روند ساخت یک پردازنده به این صورت است: از سیلیکون مذاب به بعد تجهیزات خاصیک کریستال به شکل استوانه ای رشد می کند. شمش به دست آمده خنک می شود و به صورت "پنکیک" بریده می شود که سطح آن به دقت تراز شده و به صورت آینه ای براق می شود. سپس در "اتاق های تمیز" کارخانه های نیمه هادی، مدارهای مجتمع بر روی ویفرهای سیلیکونی با فوتولیتوگرافی و اچینگ ایجاد می شود. پس از تمیز کردن مجدد ویفرها، متخصصان آزمایشگاه تست انتخابی پردازنده ها را در زیر میکروسکوپ انجام می دهند - اگر همه چیز خوب باشد، ویفرهای تمام شده به داخل برش داده می شوند. پردازنده های فردی، که بعداً در موارد محصور می شود.

درس های شیمی

بیایید کل فرآیند را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم. محتوای سیلیکون در پوسته زمین حدود 30-25 درصد وزنی است که به همین دلیل این عنصر از نظر فراوانی بعد از اکسیژن در رتبه دوم قرار دارد. شن و ماسه به ویژه ماسه کوارتز دارای درصد بالایی از سیلیکون به شکل دی اکسید سیلیکون (SiO 2) و در ابتدا می باشد. فرایند تولیدجزء اساسی برای ایجاد نیمه هادی ها است.

در ابتدا، SiO 2 به شکل ماسه گرفته می شود که با کک در کوره های قوس (در دمای حدود 1800 درجه سانتیگراد) کاهش می یابد.

چنین سیلیکونی نامیده می شود فنی"و دارای خلوص 98-99.9٪ است. تولید پردازنده ها به ماده خام بسیار تمیزتری نیاز دارد به نام " سیلیکون الکترونیکی"- در این نباید بیش از یک اتم خارجی در هر میلیارد اتم سیلیکون وجود داشته باشد. برای پالایش تا این سطح، سیلیکون به معنای واقعی کلمه "دوباره متولد می شود". با کلرزنی سیلیکون فنی، تتراکلرید سیلیکون (SiCl 4) به دست می آید که بیشتر به تری کلروسیلان (SiHCl 3) تبدیل می شود:
این واکنش ها با استفاده از بازیافت مواد فرعی تشکیل شده حاوی سیلیکون باعث کاهش هزینه و رفع مشکلات زیست محیطی می شود:

2SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 + SiCl 4
2SiH 2 Cl 2 SiH 3 Cl + SiHCl 3
2SiH 3 Cl SiH 4 + SiH 2 Cl 2
SiH 4 Si + 2H 2

هیدروژن حاصل را می توان در بسیاری از مکان ها استفاده کرد، اما مهمترین چیز این است که سیلیکون "الکترونیکی" خالص خالص (99.9999999٪) به دست آمد. کمی بعد، یک دانه ("نقطه رشد") در مذاب چنین سیلیکونی فرو می رود که به تدریج از بوته بیرون کشیده می شود. در نتیجه، به اصطلاح "بول" تشکیل می شود - یک کریستال به اندازه یک بزرگسال. وزن مناسب است - در تولید، چنین پوزه ای حدود 100 کیلوگرم وزن دارد.

شمش با یک "صفر" پوست می شود :) و با یک اره الماس بریده می شود. خروجی ویفرهایی (با نام رمز ویفر) با ضخامت حدود 1 میلی‌متر و قطر 300 میلی‌متر (~ 12 اینچ) هستند؛ اینها آنهایی هستند که برای فناوری فرآیند 32 نانومتری با فناوری HKMG، High-K / Metal Gate استفاده می‌شوند. روزی روزگاری، اینتل از دیسک هایی با قطر 50 میلی متر (2 اینچ) استفاده می کرد و در آینده نزدیک برنامه ریزی شده است که به ویفرهایی با قطر 450 میلی متر سوئیچ شود - این حداقل از نظر کاهش هزینه ساخت توجیه می شود. تراشه ها صحبت از صرفه جویی شد - همه این کریستال ها خارج از اینتل رشد می کنند و برای تولید پردازنده، آنها را در جای دیگری خریداری می کنند.

هر صفحه جلا داده می شود، کاملاً صاف ساخته می شود و سطح آن را به رنگ آینه ای می رساند.

تولید تراشه شامل بیش از سیصد عملیات است که در نتیجه بیش از 20 لایه ساختار سه بعدی پیچیده ای را تشکیل می دهند - حجم مقاله موجود در Habré به ما اجازه نمی دهد به طور خلاصه در مورد نیمی از این لیست صحبت کنیم :) بنابراین، بسیار مختصر و فقط در مورد مهمترین مراحل.

بنابراین. لازم است ساختار پردازنده آینده را به ویفرهای سیلیکونی صیقلی منتقل کرد، یعنی ناخالصی‌ها را به قسمت‌های خاصی از ویفر سیلیکونی وارد کرد که در نهایت ترانزیستورها را تشکیل می‌دهند. چگونه انجامش بدهیم؟ به طور کلی اعمال لایه های مختلف بر روی بستر پردازنده می باشد کل علم، زیرا حتی در تئوری، چنین فرآیندی آسان نیست (به شرط تمرین، با توجه به مقیاس) ... اما درک این پیچیده بسیار خوب است؛) خوب، یا حداقل سعی کنید آن را بفهمید.

فتولیتوگرافی

مشکل با کمک فناوری فوتولیتوگرافی حل می شود - فرآیند اچینگ انتخابی لایه سطحی با استفاده از ماسک نوری محافظ. این فناوری بر اساس اصل "نقش نور-فتوریست" ساخته شده است و به شرح زیر است:

- لایه ای از مواد روی بستر سیلیکونی اعمال می شود که قرار است از آن الگویی تشکیل شود. به آن اعمال می شود مقاوم در برابر نور- لایه ای از مواد پلیمری حساس به نور که با تابش نور، خواص فیزیکی و شیمیایی خود را تغییر می دهد.
- تولید شده قرار گرفتن در معرض بیماری(نور لایه نوری برای مدت زمان دقیق تنظیم شده) از طریق یک ماسک نوری
- حذف فتوریست مصرف شده.

ساختار مورد نظر روی یک ماسک عکس کشیده شده است - به عنوان یک قاعده، این صفحه ای از شیشه نوری است که روی آن مناطق مات از نظر عکاسی اعمال می شود. هر یک از این الگوها شامل یکی از لایه های پردازنده آینده است، بنابراین باید بسیار دقیق و کاربردی باشد.

گاهی اوقات به سادگی غیرممکن است که مواد خاصی را در مکان های مناسب صفحه قرار دهید، بنابراین بسیار ساده تر است که مواد را به یکباره روی کل سطح اعمال کنید، و اضافی را از آن مکان هایی که به آن نیاز نیست حذف کنید - تصویر بالا کاربرد را نشان می دهد. از فوتوریست به رنگ آبی.

ویفر با جریانی از یون ها (اتم های دارای بار مثبت یا منفی) تابش می کند که در مکان های مشخص به زیر سطح ویفر نفوذ می کنند و خواص رسانایی سیلیکون را تغییر می دهند (مناطق سبز اتم های خارجی جاسازی شده هستند).

چگونه مناطقی را که نیازی به پس پردازش ندارند جدا کنیم؟ قبل از لیتوگرافی روی سطح ویفر سیلیکونی (با درجه حرارت بالا V اتاق مخصوص) اعمال می شود فیلم محافظدی الکتریک - همانطور که قبلاً گفتم، به جای دی اکسید سیلیکون سنتی، اینتل شروع به استفاده از High-K-Dielectric کرد. ضخیم تر از دی اکسید سیلیکون است، اما در عین حال دارای همان خواص خازنی است. علاوه بر این، به دلیل افزایش ضخامت، جریان نشتی از طریق دی الکتریک کاهش می یابد و در نتیجه، امکان دستیابی به پردازنده های کم مصرف بیشتر فراهم شده است. به طور کلی، اطمینان از یکنواختی این فیلم در کل سطح صفحه بسیار دشوارتر است - از این نظر، از کنترل دما با دقت بالا در تولید استفاده می شود.

بنابراین. در مکان هایی که با ناخالصی ها درمان می شوند، به فیلم محافظ نیازی نیست - با حکاکی با دقت برداشته می شود (حذف مناطق لایه برای تشکیل یک ساختار چند لایه با خواص خاص). و نحوه حذف آن نه در همه جا، بلکه فقط در داخل مناطق مورد نظر? برای انجام این کار، یک لایه دیگر از فوتوریست باید روی فیلم اعمال شود - به دلیل نیروی گریز از مرکز صفحه دوار، در یک لایه بسیار نازک اعمال می شود.

در عکاسی، نور از فیلم نگاتیو عبور کرد، روی سطح کاغذ عکاسی افتاد و خواص شیمیایی آن را تغییر داد. در فتولیتوگرافی، اصل مشابه است: نور از طریق یک ماسک نوری به یک فتوریست عبور می کند، و در آن مکان هایی که از ماسک عبور می کند، بخش های جداگانهخواص تغییر مقاوم در برابر نور تابش نور از ماسک ها عبور می کند که روی بستر متمرکز می شود. برای فوکوس دقیق، سیستم خاصلنزها یا آینه‌هایی که نه تنها می‌توانند برش تصویر روی ماسک را به اندازه یک تراشه کاهش دهند، بلکه آن را با دقت روی قطعه کار پخش می‌کنند. صفحات چاپ شده معمولاً چهار برابر کوچکتر از خود ماسک ها هستند.

کل فوتوریست مصرف شده (که در اثر تابش حلالیت خود را تغییر داده است) با یک محلول شیمیایی ویژه حذف می شود - همراه با آن، بخشی از بستر زیر نور مقاوم نور نیز حل می شود. بخشی از بستر که توسط ماسک از نور پوشانده شده است حل نمی شود. این یک هادی یا یک عنصر فعال آینده را تشکیل می دهد - نتیجه این رویکرد الگوهای مختلف اتصال کوتاه در هر لایه ریزپردازنده است.

به بیان دقیق، تمام مراحل قبلی برای ایجاد ساختارهای نیمه هادی در مکان های ضروری با معرفی ناخالصی دهنده (نوع n) یا پذیرنده (نوع p) مورد نیاز بود. فرض کنید باید یک ناحیه غلظت حامل نوع p در سیلیکون بسازیم، یعنی یک نوار رسانش سوراخ. برای انجام این کار، صفحه با استفاده از دستگاهی به نام پردازش می شود کاشت کننده- یون های بور از یک شتاب دهنده ولتاژ بالا با انرژی زیاد شلیک می شوند و به طور مساوی در مناطق محافظت نشده ای که در طول فوتولیتوگرافی تشکیل شده اند توزیع می شوند.

در جایی که دی الکتریک حذف شده است، یون ها به لایه سیلیکون محافظت نشده نفوذ می کنند - در غیر این صورت در دی الکتریک "گیر" می کنند. پس از فرآیند اچینگ بعدی، بقایای دی الکتریک حذف می شوند و مناطقی روی صفحه باقی می مانند که در آن بور محلی وجود دارد. واضح است که پردازنده های مدرنممکن است چندین لایه از این دست وجود داشته باشد - در این مورد، یک لایه دی الکتریک دوباره در شکل حاصل رشد می کند و سپس همه چیز در امتداد مسیر زیر پا می رود - یک لایه دیگر از فوتوریست، فرآیند فوتولیتوگرافی (در حال حاضر ماسک جدید)، اچینگ، کاشت ... شما ایده را دریافت می کنید.

اندازه مشخصه ترانزیستور اکنون 32 نانومتر است و طول موجی که سیلیکون پردازش می شود حتی نور معمولی نیست، بلکه یک لیزر اکسایمر فرابنفش ویژه - 193 نانومتر است. با این حال، قوانین اپتیک تفکیک دو جسمی را که کمتر از نیمی از طول موج از هم فاصله دارند، اجازه نمی دهد. این به دلیل پراش نور است. چگونه بودن؟ از ترفندهای مختلف استفاده کنید - به عنوان مثال، علاوه بر لیزرهای اکسایمر ذکر شده که در طیف فرابنفش بسیار می درخشند، فوتولیتوگرافی مدرن از اپتیک های بازتابنده چند لایه با استفاده از ماسک های خاص استفاده می کند و فرآیند خاصفتولیتوگرافی غوطه وری (غرق در آب).

عناصر منطقی که در طی فرآیند فوتولیتوگرافی تشکیل می شوند باید به یکدیگر متصل شوند. برای انجام این کار، صفحات در محلول سولفات مس قرار می گیرند، که در آن، تحت عمل جریان الکتریسیتهاتم های فلزی در "معابر" باقی مانده "قرار می گیرند" - در نتیجه این فرآیند گالوانیکی، مناطق رسانایی تشکیل می شود که بین بخش های جداگانه "منطق" پردازنده اتصال ایجاد می کند. پوشش رسانای اضافی با پرداخت از بین می رود.

خط پایان

هورا - سخت ترین قسمت پشت سر ماست. ترک کرد به روشی دشوار"باقی مانده" ترانزیستورها را به هم وصل کنید - اصل و دنباله همه این اتصالات (لاستیک ها) نامیده می شود معماری پردازنده. برای هر پردازنده، این اتصالات متفاوت است - اگرچه مدارها کاملاً مسطح به نظر می رسند، در برخی موارد می توان از 30 سطح از چنین "سیم" استفاده کرد. از راه دور (با بزرگنمایی بسیار بالا)، همه اینها مانند یک تقاطع جاده ای آینده نگر به نظر می رسد - و بالاخره کسی در حال طراحی این توپ ها است!

پس از اتمام فرآوری صفحات، پلیت ها از تولید به کارگاه مونتاژ و تست منتقل می شوند. در آنجا ابتدا کریستال ها مورد آزمایش قرار می گیرند و آنهایی که آزمایش را پشت سر می گذارند (و این اکثریت قریب به اتفاق است) با یک دستگاه مخصوص از بستر جدا می شوند.

در مرحله بعدی، پردازنده در یک بستر بسته بندی می شود (در شکل - پردازنده اینتل Core i5، متشکل از یک CPU و یک تراشه گرافیکی HD).

سلام سوکت!

زیرلایه، قالب و پوشش توزیع کننده گرما به هم متصل هستند - این همان محصولی است که وقتی کلمه "پردازنده" را می گوییم، منظور خواهیم داشت. بستر سبز یک رابط الکتریکی و مکانیکی ایجاد می کند (برای اتصال الکتریکیریزمدار سیلیکونی با کیس از طلا استفاده می کند)، که به لطف آن امکان نصب پردازنده در سوکت مادربرد وجود خواهد داشت - در واقع، این فقط یک پلت فرم است که روی آن مخاطبین از یک تراشه کوچک جدا می شوند. پوشش توزیع کننده گرما یک رابط حرارتی است که پردازنده را در حین کار خنک می کند - سیستم خنک کننده به این پوشش متصل می شود، خواه رادیاتور خنک کننده باشد یا یک بلوک آب سالم.

سوکت(سوکت پردازنده مرکزی) - یک سوکت یا کانکتور از نوع شیار که برای نصب یک پردازنده مرکزی طراحی شده است. استفاده از سوکت به جای لحیم کردن مستقیم پردازنده بر روی مادربرد، تعویض پردازنده را برای ارتقا یا تعمیر رایانه آسان‌تر می‌کند. کانکتور را می توان برای نصب پردازنده واقعی یا کارت CPU (مثلاً در Pegasos) طراحی کرد. هر کانکتور فقط قابل نصب است نوع خاصیپردازنده یا کارت CPU

در مرحله نهایی تولید، پردازنده های تمام شده تحت آزمایش های نهایی برای انطباق با ویژگی های اصلی قرار می گیرند - اگر همه چیز مرتب باشد، پردازنده ها به ترتیب مناسب در سینی های مخصوص دسته بندی می شوند - در این شکل، پردازنده ها به تولید کنندگان می روند یا می روند. به فروش OEM. یک دسته دیگر در قالب نسخه های BOX - در یک جعبه زیبا به همراه سیستم خنک کننده انبار به فروش می رسد.

پایان

حالا تصور کنید که یک شرکت مثلاً 20 پردازنده جدید را معرفی کند. همه آنها با یکدیگر متفاوت هستند - تعداد هسته ها، حجم های حافظه پنهان، فناوری های پشتیبانی شده ... هر مدل پردازنده از تعداد معینی ترانزیستور (محاسبه شده در میلیون ها و حتی میلیاردها) استفاده می کند، اصل خود را برای اتصال عناصر ... و همه اینها نیاز به طراحی و ایجاد / خودکار دارند - قالب ها، لنزها، لیتوگرافی ها، صدها پارامتر برای هر فرآیند، آزمایش... و همه اینها باید به طور شبانه روزی، در چندین کارخانه به طور همزمان کار کنند ... در نتیجه، دستگاه هایی باید ظاهر شوند که دارای حق اشتباه در کار نیست... و هزینه این شاهکارهای تکنولوژیک باید در حد نجابت باشد... تقریباً مطمئن هستم که شما نیز مانند من نمی توانید کل کار انجام شده را تصور کنید که من سعی کردم آن را انجام دهم. در مورد امروز صحبت کنید

خوب، و چیزی حتی شگفت انگیزتر. تصور کنید که شما دانشمند بزرگی هستید بدون پنج دقیقه - با دقت پوشش توزیع کننده حرارت پردازنده را برداشته اید و می توانید ساختار پردازنده را از طریق یک میکروسکوپ عظیم ببینید - همه این اتصالات، ترانزیستورها ... حتی چیزی را روی یک تکه کاغذ ترسیم کرده اند. تا فراموش نشود آیا به نظر شما یادگیری اصول پردازنده آسان است، فقط با داشتن این داده ها و داده ها چه کارهایی را می توان با کمک این پردازنده حل کرد؟ به نظر من تقریباً این تصویر اکنون برای دانشمندانی قابل مشاهده است که سعی در مطالعه کار در سطح مشابه دارند. مغز انسان. فقط اگر میکروبیولوژیست های استنفورد را باور کنیم، در مغز یک انسان

جایی که پردازنده های اینتل تولید می شوند

همانطور که در پست قبلی نوشتم، در حال حاضر اینتل دارای 4 کارخانه است که قادر به تولید انبوه پردازنده با استفاده از فناوری 32 نانومتری هستند: D1D و D1C در اورگان، Fab 32 در آریزونا و Fab 11X در نیومکزیکو.
بیایید ببینیم آنها چگونه تنظیم شده اند.

ارتفاع هر کارخانه پردازنده اینتل بستر روی ویفرهای سیلیکونی 300 میلی متری 21 عدد است متر و مساحت آن به 100 هزار متر مربع می رسد گودال. 4 سطح اصلی در ساختمان کارخانه وجود دارد vnya: سطح سیستم تهویه یک ریزپردازنده از میلیون ها ترانزیستور تشکیل شده است. - کوچکترین ذره گرد و غباری که به سیلیکون ختم شد - صفحه ای که می تواند هزاران ترانزیستور را از بین ببرد گودال. بنابراین مهمترین شرط برای تولید میکرو roprocessors تمیزی استریل محل است ny. سطح سیستم تهویه در بالا قرار دارد طبقه بالا - سیستم های خاصی وجود دارد، که 100٪ تصفیه هوا را کنترل می کنند کنترل دما و رطوبت در تولید محل به اصطلاح "اتاق های تمیز" به طبقات (بسته به تعداد ذرات گرد و غبار) تقسیم می شوند در واحد حجم) و بیشترین (کلاس 1) تقریباً 1000 برابر تمیزتر از اتاق عمل جراحی برای اتاق های تمیز حذف ارتعاش واقع شده است روی پایه ضد ارتعاش خودش. سطح "اتاق های تمیز" کف زمین مساحت چندین زمین فوتبال را پوشش می دهد اینجاست که ریزپردازنده ها ساخته می شوند. ویژه سیستم خودکار مرکزی کار می کند صفحات متحرک از یک تولید ایستگاه به دیگری هوای تصفیه شده از طریق تامین می شود سیستم تهویه واقع در سقف، و حذف از دهانه های ویژه ای که قرار دارد عبور می کند در کف علاوه بر افزایش نیاز به عقیمی، اتاق مطابق- sonal - فقط در این سطح متخصصان کار می کنند در لباس های استریل که محافظت می کنند (به لطف سیستم فیلتر داخلی که توسط ظروف) ویفرهای سیلیکونی از ریزذرات نساجی گرد و غبار، مو و ذرات پوست. سطح پایین تر طراحی شده برای سیستم های پشتیبانی کننده از عملیات فا آجر (پمپ، ترانسفورماتور، کابینت برق و غیره) لوله های بزرگ (کانال) فنی مختلف را انتقال می دهند گازهای کالری، مایعات و هوای خروجی. متخصص- لباس کارمندان این سطح شامل کلاه ایمنی است. عینک، دستکش و کفش مخصوص. سطح مهندسی

حدود 3 سال و حدود 5 میلیارد طول می کشد تا کارخانه ای در این سطح ساخته شود - این مقدار است که کارخانه باید در 4 سال آینده "بازپس گیری" کند (تا زمانی که یک فرآیند فناوری و معماری جدید ظاهر شود، بهره وری مورد نیاز است. برای این حدود 100 ویفر سیلیکونی کار در هر ساعت). برای ساخت یک کارخانه به موارد زیر نیاز دارید:
- بیش از 19000 تن فولاد
– بیش از 112000 متر مکعب بتن
- بیش از 900 کیلومتر کابل

ریزپردازنده ها چگونه ساخته می شوند

از نظر فنی ریزپردازنده مدرنساخته شده در قالب یک مدار مجتمع فوق العاده بزرگ، متشکل از چندین میلیارد عنصر - این یکی از پیچیده ترین ساختارهای ایجاد شده توسط انسان است. عناصر کلیدی هر ریزپردازنده سوئیچ های گسسته - ترانزیستورها هستند. با انسداد و عبور جریان الکتریکی (روشن خاموش) آن را ممکن می سازند مدارهای منطقیکامپیوتر برای کار در دو حالت، یعنی در سیستم دودویی. ترانزیستورها بر حسب نانومتر اندازه گیری می شوند. یک نانومتر (nm) یک میلیاردیم متر است.

به طور خلاصه، روند ساخت یک پردازنده به این صورت است: یک کریستال منفرد به شکل استوانه ای از سیلیکون مذاب با استفاده از تجهیزات ویژه رشد می کند. شمش به دست آمده خنک می شود و به صورت "پنکیک" بریده می شود که سطح آن به دقت تراز شده و به صورت آینه ای براق می شود. سپس در "اتاق های تمیز" کارخانه های نیمه هادی، مدارهای مجتمع بر روی ویفرهای سیلیکونی با فوتولیتوگرافی و اچینگ ایجاد می شود. پس از تمیز کردن مجدد ویفرها، متخصصان آزمایشگاه تست انتخابی پردازنده ها را در زیر میکروسکوپ انجام می دهند - اگر همه چیز خوب باشد، ویفرهای تمام شده به پردازنده های جداگانه بریده می شوند که بعداً در جعبه ها قرار می گیرند.

بیایید کل فرآیند را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم.

در ابتدا، SiO2 به شکل ماسه گرفته می شود که با کک در کوره های قوس (در دمای حدود 1800 درجه سانتیگراد) کاهش می یابد.
SiO2 + 2C = Si + 2CO

چنین سیلیکونی "فنی" نامیده می شود و دارای خلوص 98-99.9٪ است. تولید پردازنده ها به ماده خام بسیار تمیزتری به نام «سیلیکون الکترونیکی» نیاز دارد که نباید بیش از یک اتم خارجی در هر میلیارد اتم سیلیکون داشته باشد. برای پالایش تا این سطح، سیلیکون به معنای واقعی کلمه "دوباره متولد می شود". تتراکلرید سیلیکون (SiCl4) از کلرزنی سیلیکون فنی بدست می آید که بیشتر به تری کلروسیلان (SiHCl3) تبدیل می شود:
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3

این واکنش ها با استفاده از بازیافت مواد فرعی تشکیل شده حاوی سیلیکون باعث کاهش هزینه و رفع مشکلات زیست محیطی می شود:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2

هیدروژن حاصل را می توان در بسیاری از مکان ها استفاده کرد، اما مهمترین چیز این است که سیلیکون "الکترونیکی" خالص خالص (99.9999999٪) به دست آمد. کمی بعد، یک دانه ("نقطه رشد") در مذاب چنین سیلیکونی فرو می رود که به تدریج از بوته بیرون کشیده می شود. در نتیجه، به اصطلاح "بول" تشکیل می شود - یک کریستال به اندازه یک بزرگسال. وزن مناسب است - در تولید، چنین بوله ای حدود 100 کیلوگرم وزن دارد.

شمش با یک "صفر" پوست می شود :) و با یک اره الماس بریده می شود. در خروجی - صفحات (با نام رمز "ویفر") با ضخامت حدود 1 میلی متر و قطر 300 میلی متر (~ 12 اینچ؛ این صفحات برای فناوری فرآیند 32 نانومتری با فناوری HKMG، High-K / Metal Gate) استفاده می شوند. .

اکنون جالب ترین چیز این است که باید ساختار پردازنده آینده را به ویفرهای سیلیکونی صیقلی منتقل کرد، یعنی ناخالصی هایی را به قسمت های خاصی از ویفر سیلیکونی وارد کرد که در نهایت ترانزیستورها را تشکیل می دهند. چگونه انجامش بدهیم؟

مشکل با استفاده از فناوری فوتولیتوگرافی حل می شود - فرآیند اچینگ انتخابی لایه سطحی با استفاده از ماسک نوری محافظ. این فناوری بر اساس اصل "نقش نور-فتوریست" ساخته شده است و به شرح زیر است:
- لایه ای از مواد روی بستر سیلیکونی اعمال می شود که قرار است از آن الگویی تشکیل شود. یک لایه مقاوم به نور روی آن اعمال می شود - لایه ای از مواد پلیمری حساس به نور که وقتی با نور تابش می شود خواص فیزیکی و شیمیایی خود را تغییر می دهد.
- نوردهی (لایه عکس برای مدت زمان مشخصی روشن می شود) از طریق ماسک عکس ایجاد می شود
- حذف فتوریست مصرف شده.
ساختار مورد نظر روی یک ماسک عکس کشیده شده است - به عنوان یک قاعده، این صفحه ای از شیشه نوری است که روی آن مناطق مات از نظر عکاسی اعمال می شود. هر یک از این الگوها شامل یکی از لایه های پردازنده آینده است، بنابراین باید بسیار دقیق و کاربردی باشد.

ویفر با جریانی از یون ها (اتم های دارای بار مثبت یا منفی) تابش می کند که در مکان های مشخص به زیر سطح ویفر نفوذ می کنند و خواص رسانایی سیلیکون را تغییر می دهند (مناطق سبز اتم های خارجی جاسازی شده هستند).

در عکاسی، نور از فیلم نگاتیو عبور کرد، روی سطح کاغذ عکاسی افتاد و خواص شیمیایی آن را تغییر داد. در فتولیتوگرافی، اصل مشابه است: نور از طریق یک ماسک نوری بر روی یک فتوریست عبور می کند، و در مکان هایی که از ماسک عبور می کند، بخش های جداگانه ای از نور مقاوم تغییر می کند. تابش نور از ماسک ها عبور می کند که روی بستر متمرکز می شود. فوکوس دقیق نیاز به سیستم خاصی از لنزها یا آینه دارد که نه تنها می توانند برش تصویر روی ماسک را به اندازه یک تراشه کاهش دهند، بلکه به طور دقیق آن را روی قطعه کار پخش کنند. صفحات چاپ شده معمولاً چهار برابر کوچکتر از خود ماسک ها هستند.

کل فوتوریست مصرف شده (که حلالیت خود را تحت تأثیر تابش تغییر داده است) با یک محلول شیمیایی ویژه حذف می شود - همراه با آن، بخشی از بستر زیر نور مقاوم نوردهی حل می شود. بخشی از بستر که توسط ماسک از نور پوشانده شده است حل نمی شود. این یک هادی یا یک عنصر فعال آینده را تشکیل می دهد - نتیجه این رویکرد الگوهای مختلف بسته شدن در هر لایه از ریزپردازنده است.

به بیان دقیق، تمام مراحل قبلی برای ایجاد ساختارهای نیمه هادی در مکان های ضروری با معرفی ناخالصی دهنده (نوع n) یا پذیرنده (نوع p) مورد نیاز بود. فرض کنید باید یک ناحیه غلظت حامل نوع p در سیلیکون بسازیم، یعنی یک نوار رسانش سوراخ. برای انجام این کار، صفحه با استفاده از دستگاهی به نام ایمپلنت پردازش می‌شود - یون‌های بور با انرژی زیادی از یک شتاب‌دهنده ولتاژ بالا شلیک می‌شوند و به طور مساوی در مناطق محافظت‌نشده تشکیل‌شده در طول فوتولیتوگرافی توزیع می‌شوند.

در جایی که دی الکتریک حذف شده است، یون ها به لایه سیلیکون محافظت نشده نفوذ می کنند - در غیر این صورت در دی الکتریک "گیر می کنند". پس از فرآیند اچینگ بعدی، بقایای دی الکتریک حذف می شوند و مناطقی روی صفحه باقی می مانند که در آن بور محلی وجود دارد. واضح است که پردازنده های مدرن می توانند چندین لایه از این دست داشته باشند - در این مورد، یک لایه دی الکتریک دوباره در شکل حاصل رشد می کند، و سپس همه چیز در امتداد مسیر زیر پا می رود - یک لایه مقاوم به نور دیگر، فرآیند فوتولیتوگرافی (که قبلاً از یک ماسک جدید استفاده می کند. اچینگ، کاشت ...

عناصر منطقی که در طی فرآیند فوتولیتوگرافی تشکیل می شوند باید به یکدیگر متصل شوند. برای انجام این کار، صفحات در محلولی از سولفات مس قرار می گیرند، که در آن، تحت تاثیر جریان الکتریکی، اتم های فلز در "معابر" باقی مانده "ته نشین می شوند" - در نتیجه این فرآیند گالوانیکی، مناطق رسانا هستند. تشکیل شده است که ارتباط بین بخش های جداگانه "منطق" پردازنده ایجاد می کند. پوشش رسانای اضافی با پرداخت از بین می رود.

هورا - سخت ترین پشت سر. این یک راه دشوار برای اتصال "باقی مانده" ترانزیستورها باقی مانده است - اصل و دنباله همه این اتصالات (باس) معماری پردازنده نامیده می شود. برای هر پردازنده، این اتصالات متفاوت است - اگرچه مدارها کاملاً مسطح به نظر می رسند، در برخی موارد می توان از 30 سطح از چنین "سیم" استفاده کرد.

پس از اتمام فرآوری صفحات، پلیت ها از تولید به کارگاه مونتاژ و تست منتقل می شوند. در آنجا ابتدا کریستال ها مورد آزمایش قرار می گیرند و آنهایی که آزمایش را پشت سر می گذارند (و این اکثریت قریب به اتفاق است) با یک دستگاه مخصوص از بستر جدا می شوند.

در مرحله بعدی، پردازنده در یک بستر بسته بندی می شود (در شکل - پردازنده اینتل Core i5، متشکل از یک CPU و یک تراشه گرافیکی HD).

زیرلایه، قالب و پوشش توزیع گرما به هم متصل شده اند - این همان محصولی است که وقتی کلمه "پردازنده" را می گوییم، منظور ماست. بستر سبز یک رابط الکتریکی و مکانیکی ایجاد می کند (طلا برای اتصال الکتریکی تراشه سیلیکون به کیس استفاده می شود) که به لطف آن می توان پردازنده را در سوکت مادربرد نصب کرد - در واقع، این فقط یک پلت فرم است که روی آن تماس ها از یک تراشه کوچک جدا می شوند. پوشش توزیع کننده گرما یک رابط حرارتی است که پردازنده را در حین کار خنک می کند - سیستم خنک کننده به این پوشش متصل می شود، خواه رادیاتور خنک کننده باشد یا یک بلوک آب سالم.

حالا تصور کنید که یک شرکت مثلاً 20 پردازنده جدید را معرفی کند. همه آنها با یکدیگر متفاوت هستند - تعداد هسته ها، حجم های حافظه پنهان، فناوری های پشتیبانی شده ... هر مدل پردازنده از تعداد معینی ترانزیستور (محاسبه شده در میلیون ها و حتی میلیاردها) استفاده می کند، اصل خود را برای اتصال عناصر ... و همه اینها باید طراحی و ایجاد شوند / خودکار - قالب ها، لنزها، لیتوگرافی ها، صدها پارامتر برای هر فرآیند، آزمایش... و همه اینها باید به صورت شبانه روزی، در چندین کارخانه به طور همزمان کار کنند... در نتیجه، دستگاه ها باید ظاهر شوند که حق اشتباه در کار ندارند... و هزینه این شاهکارهای تکنولوژیک باید در حد نجابت باشد...