Сучасні мікропроцесори - одні з найскладніших пристроїв, що виготовляються людиною. Виробництво напівпровідникового кристала набагато більш ресурсоємних, ніж, скажімо, зведення багатоповерхового будинку або організація найбільшого виставкового заходу. Однак завдяки масовому випуску CPU в грошовому еквіваленті ми цього не помічаємо, та й рідко хто замислюється про всю грандіозність елементів, що займають настільки чільне місце всередині системного блоку. Ми вирішили вивчити деталі виробництва процесорів і розповісти про них в даному матеріалі. Благо в Мережі сьогодні достатньо інформації на цю тему, а спеціалізована добірка презентацій і слайдів корпорації Intel дозволяє виконати поставлене завдання максимально наочно. Підприємства інших гігантів напівпровідникової індустрії працюють за тим же принципом, тому з упевненістю можна сказати, що всі сучасні мікросхеми проходять ідентичний шлях створення.
Перше, про що варто згадати, - будівельний матеріал для процесорів. Кремній (англ. Silicon) - другий після кисню найбільш поширений елемент на планеті. Він є природним напівпровідником і використовується як основний матеріал для виробництва чіпів всіляких мікросхем. Найбільше кремнію міститься в звичайному піску (особливо кварці) у вигляді діоксиду кремнію (SiO2).
Втім, кремній - не єдиний матеріал. Найближчий його родич і замінник - германій, проте в процесі вдосконалення виробництва вчені виявляють хороші напівпровідникові властивості у сполук інших елементів і готуються випробувати їх на практиці або вже це роблять.
1 Кремній проходить багатоступінчастий процес очищення: сировина для мікросхем не може містити більше домішок, ніж один чужорідний атом на мільярд.
2 Кремній розплавляють в спеціальній ємності і, опустивши всередину постійно охолоджується обертовий стрижень, «намотують» на нього завдяки силам поверхневого натягу речовина.
3 В результаті виходять поздовжні заготовки (монокристали) круглого перетину, кожна масою близько 100 кг.
4 Заготівлю нарізають на окремі кремнієві диски - пластини, на яких будуть розташовані сотні мікропроцесорів. Для цих цілей використовуються верстати з алмазними ріжучими дисками або проволочно-абразивні установки.
5 Підложки полірують до дзеркального блиску, щоб усунути всі дефекти на поверхні. Наступний крок - нанесення найтоншого фотополімерного шару.
6 Оброблена підкладка піддається впливу жорсткого ультрафіолетового випромінювання. У фотополімерні шарі відбувається хімічна реакція: світло, проходячи через численні трафарети, повторює малюнки шарів CPU.
7 Реальний розмір спричинених зображення в кілька разів менше власне трафарету.
8 Ділянки, «протруєне» випромінюванням, вимиваються. На кремнієвій підкладці виходить малюнок, який потім піддається закріпленню.
9 Наступний етап виготовлення одного шару - іонізація, в процесі якої вільні від полімеру ділянки кремнію бомбардуються іонами.
10 В місцях їх потрапляння змінюються властивості електричної провідності.
11 Що залишився полімер видаляють, і транзистор майже готовий. В ізолюючих шарах робляться отвори, які завдяки хімічній реакції заповнюються атомами міді, використовуваними в якості контактів.
12 З'єднання транзисторів є багаторівневою розведення. Якщо поглянути в мікроскоп, на кристалі можна помітити безліч металевих провідників і поміщених між ними атомів кремнію або його сучасних замінників.
13 Частина готової підкладки проходить перший тест на функціональність. На цьому етапі на кожен з вибраних транзисторів подається струм, і автоматизована система перевіряє параметри роботи напівпровідника.
14 Підкладка з допомогою найтонших ріжучих кіл розрізається на окремі частини.
15 Придатні кристали, отримані в результаті даної операції, використовуються у виробництві процесорів, а браковані відправляються в відходи.
16 Окремий кристал, з якого буде зроблений процесор, поміщають між підставою (підкладкою) CPU і теплорас-пределітельной кришкою і «упаковують».
17 В ході остаточного тестування готові процесори перевіряються на відповідність необхідним параметрам і лише потім сортуються. На підставі отриманих даних в них прошивається мікрокод, що дозволяє системі належним чином визначити CPU.
18 Готові пристрої упаковуються і направляються на ринок.
Цікаві факти про процесорах і їх виробництві
«Силіконова долина» (Silicon Valley, США, Каліфорнія)
Отримала свою назву завдяки основному будівельному елементу, що використовується у виробництві мікрочіпів.
«Чому пластини для виробництва процесорів круглі?» - напевно запитаєте ви.
Для виробництва кремнієвих кристалів застосовується технологія, що дозволяє отримувати тільки циліндричні заготовки, які потім ріжуться на частини. До сих пір ще нікому не вдавалося виготовити квадратну пластину, позбавлену дефектів.
Чому мікрочіпи квадратні?
Саме така літографія дозволяє використовувати площу пластини з максимальною ефективністю.
Навіщо процесорам стільки ніжок / контактів?
Крім сигнальних ліній кожен процесор для роботи потребує стабільного харчуванні. При енергоспоживанні близько 100-120 Вт і низькій напрузі через контакти може протікати струм силою до 100 А. Значна частина контактів CPU виділена саме під систему харчування і дублюється.
Утилізація відходів виробництва
Раніше дефектні пластини, їх залишки й браковані мікрочіпи йшли у відходи. На сьогоднішній день ведуться розробки, що дозволяють використовувати їх в якості основи для виробництва сонячних батарей.
«Костюм кролика».
Таку назву отримав комбінезон білого кольору, який зобов'язані носити всі робочі виробничих приміщень. Робиться це для підтримки максимальної чистоти і захисту від випадкового попадання частинок пилу на виробничі установки. «Костюм кролика» вперше був використаний на фабриках з виробництва процесорів в 1973 році і з тих пір став загальноприйнятим стандартом.
Для виробництва процесорів придатний тільки кремній високого ступеня чистоти. Заготовки очищають спецхімії.
Такий діаметр сучасних кремнієвих пластин для виробництва процесорів.
Саме настільки чистіше повітря в приміщеннях фабрик для виробництва чіпів, ніж в операційній.
Процесорний кристал дуже тонкий (менше міліметра), але в ньому вміщаються більше 20 шарів найскладніших структурних об'єднань транзисторів, які виглядають як багаторівневі хайвеї.
Саме стільки кристалів процесора Intel Atom (мають найменшу площу серед Сучасний CPU) розміщуються на одній 300-міліметрової пластині.
10 000 000 000 000 000 000
Сто квінтильйонів транзисторів у вигляді структурних елементів мікрочіпів відвантажуються з фабрик щороку. Це приблизно в 100 разів більше, ніж оціночна кількість мурах на планеті.
Вартість виробництва одного транзистора в процесорі сьогодні дорівнює ціні друку однієї літери в газеті.