Världen drivs på information, där mänskligheten skapar uppskattningsvis 2,5 miljoner terabyte data per dag. Men all denna data är värdelös om vi inte kan bearbeta den, så, utan tvekan, en av de saker som den moderna världen inte kan leva utan är processorer.
Men hur görs en processor? Varför är det ett modernt underverk? Hur kan en tillverkare passa in miljarder transistorer i ett så litet paket? Låt oss dyka djupt in i hur Intel, en av de största chiptillverkarna globalt, skapar en CPU från sand.
Extrahera kisel från sand
Basingrediensen i varje processor, kisel, utvinns från ökensand. Detta material finns rikligt i jordskorpan och består av cirka 25 % till 50 % kiseldioxid. Den bearbetas för att separera kisel från alla andra material i sanden.
Bearbetningen upprepas flera gånger tills tillverkaren skapar ett 99,9999 % rent prov. Det renade kislet hälls sedan för att bilda ett cylindriskt göt av elektronisk kvalitet. Cylinderns diameter är 300mm och väger ca 100kg.
Tillverkaren skär sedan götet i 925 mikrometer tunna wafers. Efteråt poleras den till en spegelslät finish, vilket tar bort alla skavanker och fläckar på ytan. Dessa färdiga wafers skickas sedan till Intels halvledarfabrik för omvandling från en kiselskiva till en högteknologisk datorhjärna.
FOUP motorvägen
Eftersom processorer är högprecisionsdelar får deras rena kiselbas inte vara förorenad före, under eller efter tillverkning. Det är här de unified pods med frontöppning (FOUP) kommer in. Dessa automatiserade kapslar rymmer 25 wafers åt gången, och håller dem säkra och säkra i ett miljökontrollerat utrymme när de transporterar wafers mellan maskiner.
Dessutom kan varje wafer färdas genom samma steg hundratals gånger, ibland från ena änden av byggnaden till den andra. Hela processen är inbäddad i maskinerna så att FOUP vet vart den ska gå för varje steg.
Dessutom färdas FOUP: erna på monorails som hänger från taket, vilket gör att de kan ta den snabbaste och mest effektiva delen från ett tillverkningssteg till ett annat.
Fotolitografi
Fotolitografiprocessen använder en fotoresist för att trycka mönster på kiselskivan. Photoresist är ett segt, ljuskänsligt material som liknar det du hittar på film. När detta väl har applicerats utsätts skivan för ultraviolett ljus med en mask av processorns mönster.
Masken säkerställer att endast de platser de vill bearbeta exponeras, vilket gör att fotoresisten i det området blir löslig. När mönstret är helt inpräntat på kiselskivan går det igenom ett kemiskt bad för att ta bort allt den exponerade fotoresisten, lämnar ett mönster av rent kisel som kommer att gå igenom nästa steg i bearbeta.
Jonimplantation
Även känd som dopning, denna process bäddar in atomer från olika grundämnen för att förbättra konduktiviteten. När det är klart tas det ursprungliga fotoresistskiktet bort och ett nytt sätts på plats för att förbereda skivan för nästa steg.
Etsning
Efter ytterligare en omgång fotolitografi går kiselskivan vidare till etsning, där processorns transistorer börjar bildas. Fotoresist appliceras på områden där de vill att kislet ska sitta kvar, medan de delar som måste tas bort etsas kemiskt.
Det återstående materialet blir långsamt transistorernas kanaler, där elektronerna strömmar från en punkt till en annan.
Materialdeposition
När kanalerna har skapats återgår kiselskivan till fotolitografi för att lägga till eller ta bort fotoresistskikt efter behov. Det fortsätter sedan till materialavsättning. Olika lager av olika material, som kiseldioxid, polykristallint kisel, högk-dielektrikum, olika metallegeringar och koppar läggs till och etsas för att skapa, slutföra och ansluta miljontals transistorer på chip.
Kemisk mekanisk planarisering
Varje processorlager genomgår kemisk mekanisk planarisering, även känd som polering, för att trimma bort överflödigt material. När det översta lagret har tagits bort avslöjas det underliggande kopparmönstret, vilket gör att tillverkaren kan skapa fler kopparlager för att ansluta de olika transistorerna efter behov.
Även om processorer ser omöjligt tunna ut, har de vanligtvis mer än 30 lager av komplexa kretsar. Detta gör att den kan leverera den processorkraft som krävs av dagens applikationer.
Testning, skivning och sortering
En silikonwafer kan gå igenom alla ovanstående processer för att skapa en processor. När kiselskivan har slutfört den resan börjar den sedan testa. Denna process kontrollerar varje skapad del på wafern för funktionalitet – oavsett om den fungerar eller inte.
När det är klart skärs skivan i bitar som kallas en tärning. Det sorteras sedan, där matriser som fungerar går vidare till förpackning, och de som misslyckas kasseras.
Att förvandla kiselformen till en processor
Denna process, som kallas förpackning, förvandlar formar till processorer. Ett substrat, vanligtvis ett tryckt kretskort, och en värmespridare sätts på formen för att bilda den CPU du köper. Substratet är där formen fysiskt ansluter till moderkortet medan värmespridaren samverkar med din CPU: s DC eller PWM kylfläkt.
Testning och kvalitetskontroll
De färdiga processorerna testas sedan igen, men denna gång för prestanda, kraft och funktionalitet. Detta test avgör vilken sorts chip det blir— om det är bra att vara en i3-, i5-, i7- eller i9-processor. Processorerna grupperas därefter för detaljhandelsförpackningar eller placeras i brickor för leverans till datortillverkare.
Mikroskopiskt liten men ändå oerhört komplicerad
Även om processorer ser enkla ut från utsidan, är de oerhört komplicerade. Processortillverkning tar två och en halv till tre månader av 24/7 processer. Och trots den mycket exakta konstruktionen bakom dessa chips, finns det fortfarande ingen garanti för att de kommer att få en perfekt wafer.
Faktum är att processortillverkare kan förlora någonstans mellan 20 % och 70 % av stansarna på en wafer på grund av brister, föroreningar och mer. Detta värde påverkas ytterligare av allt mindre CPU-processer, med de senaste chipsen är så små som 4nm.
Men som Moores lag säger kan vi fortfarande förvänta oss att processorprestanda fördubblas vartannat år fram till 2025. Tills processorer når det grundläggande taket för atomstorlek måste alla dessa tillverkningsprocesser klara av designen för att producera det chip vi efterfrågar.
Vad är Moores lag och är den fortfarande relevant 2022?
Läs Nästa
Relaterade ämnen
- Teknik förklaras
- CPU
- Datorprocessor
- Hårdvarutips
- Intel
- AMD-processor
Om författaren
Jowi är författare, karriärcoach och pilot. Han utvecklade en kärlek till allt PC ända sedan hans far köpte en stationär dator när han var 5 år gammal. Sedan dess har han använt och maximerat teknik i alla aspekter av sitt liv.
Prenumerera på vårt nyhetsbrev
Gå med i vårt nyhetsbrev för tekniska tips, recensioner, gratis e-böcker och exklusiva erbjudanden!
Klicka här för att prenumerera