Análisis de todo el proceso de fabricación de CPU: cómo convertir un montón de arena en un circuito integrado

¡El contenido técnico de este proceso de producción es muy alto! La CPU (unidad central de procesamiento) es el componente central de las computadoras modernas, también conocida como "microprocesador". En el caso de las PC, las especificaciones y la frecuencia de la CPU se utilizan a menudo como indicadores importantes para medir el rendimiento de una computadora. La arquitectura Intelx86 existe desde hace más de 20 años y la CPU con arquitectura x86 ha tenido un profundo impacto en el trabajo y la vida de la mayoría de nosotros. CPU clásicas de generación en generación. Muchos amigos que saben un poco de informática sabrán que lo más importante en la CPU es el transistor. Para aumentar la velocidad de la CPU, el punto más importante es, para decirlo sin rodeos, cómo decirlo. Hay más en la misma área de la CPU. Muchos transistores, debido a que la CPU es demasiado pequeña y demasiado precisa, y contiene una cantidad considerable de transistores, es absolutamente imposible hacerlo a mano y solo se puede procesar mediante el proceso de fotolitografía. Por eso hay tantos transistores en una CPU. Un transistor es en realidad un interruptor de dos posiciones: encendido y apagado. Si recuerda los días de la informática básica, eso era todo lo que necesitaba una computadora para hacer su trabajo. Las dos opciones, encendido y apagado, son 0 y 1 para la máquina. Entonces, ¿cómo harías una CPU? En el artículo de hoy te contamos paso a paso todo el proceso de una CPU desde un montón de arena hasta un potente chip de circuito integrado. (Debido al alto contenido técnico del proceso de producción de la CPU, las capacidades del editor son limitadas, por lo que las imágenes y las introducciones se recopilan de Internet). Este artículo es solo para brindarles a todos una comprensión más detallada del proceso de producción de la CPU, de modo que se complete la tarea del editor. ● La materia prima básica para fabricar CPU. Si pregunta cuál es la materia prima de la CPU, todos darán fácilmente la respuesta: silicio. Esto es cierto, pero ¿de dónde viene el silicio? De hecho, es la arena más discreta. Es difícil imaginar que la CPU, que es costosa, de estructura compleja, potente en función y llena de misterio, provenga de esa arena sin valor. Por supuesto, esto debe pasar por un complicado proceso de fabricación. Sin embargo, no se puede simplemente tomar un puñado de arena para fabricar materias primas. Se deben seleccionar y extraer cuidadosamente las materias primas de silicio más puras. Imagínese, si utiliza las materias primas más baratas y abundantes para fabricar una CPU, ¿cuál será la calidad del producto terminado? ¿Seguirá utilizando un procesador de tan alto rendimiento como el actual? Los técnicos de Intel utilizan herramientas de medición automatizadas en las plantas de fabricación de semiconductores para monitorear el progreso de la fabricación de obleas de acuerdo con estrictos estándares de calidad. Además del silicio, otro material importante necesario para fabricar CPU es el metal. Hasta ahora, el aluminio se ha convertido en el principal material metálico para fabricar los componentes internos del procesador, mientras que el cobre se está eliminando gradualmente. Hay algunas razones para ello. Bajo el voltaje operativo actual de la CPU, las características de electromigración del aluminio son significativamente mejores que las del cobre. . El llamado problema de electromigración significa que cuando una gran cantidad de electrones fluyen a través de un conductor, los átomos del material conductor son impactados por los electrones y abandonan sus posiciones originales, dejando demasiadas vacantes que harán que el conductor se desconecte. y los átomos que han abandonado sus posiciones originales. Permanecer en otras posiciones provocará cortocircuitos en otros lugares y afectará la función lógica del chip, inutilizando el chip. Esta es la razón por la que muchos Northwood Pentium 4 fueron reemplazados por SNDS (Northwood Burst Syndrome). Cuando los entusiastas se apresuraron a overclockear el Northwood Pentium 4 por primera vez y aumentaron considerablemente el voltaje del chip, graves problemas de electromigración provocaron que la CPU se paralizara. Esta fue la primera incursión de Intel en la tecnología de interconexión de cobre y claramente necesitaba algunas mejoras. Pero, por otro lado, la aplicación de la tecnología de interconexión de cobre puede reducir el área del chip. Al mismo tiempo, debido a que la resistencia de los conductores de cobre es menor, la corriente puede pasar a través de ellos más rápido. Además de estos dos materiales principales, en el proceso de diseño del chip también se necesitan algunos tipos de materias primas químicas que desempeñan funciones diferentes y no se describirán aquí. ● Etapa de preparación de la fabricación de la CPU Una vez completada la recolección de las materias primas necesarias, algunas de estas materias primas deben someterse a algún trabajo de preprocesamiento.

Como materia prima más importante, el procesamiento del silicio es crucial. Primero, la materia prima de silicio se purifica químicamente, un paso que la lleva a un grado que puede ser utilizado por la industria de semiconductores. Para que estas materias primas de silicio satisfagan las necesidades de procesamiento de la fabricación de circuitos integrados, también se les debe dar forma. Este paso se completa fundiendo las materias primas de silicio y luego inyectando silicio líquido en un recipiente grande de cuarzo de alta temperatura. Los cuadrados de la oblea se llaman "troqueles" y cada microprocesador se convierte en el "cerebro" de un sistema de computadora personal. Luego, las materias primas se funden a alta temperatura. En la clase de química de la escuela secundaria aprendimos que los átomos dentro de muchos sólidos tienen una estructura cristalina, y lo mismo ocurre con el silicio. Para cumplir con los requisitos de los procesadores de alto rendimiento, toda la materia prima de silicio debe ser muy pura y monocristalina. Luego, la materia prima de silicio se extrae del recipiente de alta temperatura girándola y estirándola, y se produce un lingote de silicio cilíndrico. A juzgar por el proceso utilizado actualmente, el diámetro de la sección transversal circular del lingote de silicio es de 200 mm. Pero ahora Intel y algunas otras empresas han comenzado a utilizar lingotes de silicio de 300 mm de diámetro. Es bastante difícil aumentar el área de la sección transversal manteniendo las diversas características del lingote de silicio, pero aún se puede lograr siempre que las empresas estén dispuestas a invertir mucho dinero en investigación. Intel gastó aproximadamente 3.500 millones de dólares en la construcción de una fábrica para desarrollar y producir lingotes de silicio de 300 mm. El éxito de la nueva tecnología ha permitido a Intel fabricar chips de circuitos integrados más complejos y potentes. La fábrica de lingotes de silicio de 200 mm también costó 1.500 millones de dólares. Comencemos con el corte de lingotes de silicio para presentar el proceso de fabricación de la CPU. El aire limpio fluye continuamente hacia la habitación desde los huecos del techo y el suelo. Todo el aire de una sala limpia se renueva varias veces por minuto. Después de fabricar el lingote de silicio y asegurarse de que sea un cilindro absoluto, el siguiente paso es cortar el lingote de silicio cilíndrico. Cuanto más delgada sea la rebanada, menos material se utilizará y, naturalmente, se podrán producir más chips de procesador. Las rodajas también tienen un acabado de espejo para garantizar que la superficie sea absolutamente lisa y luego se verifica si hay distorsiones u otros problemas. La inspección de calidad de este paso es particularmente importante, ya que determina directamente la calidad de la CPU terminada. La nueva rebanada debe mezclarse con algunas sustancias para convertirla en un material semiconductor real, y luego se pueden tallar en ella circuitos de transistores que representen varias funciones lógicas. Los átomos del material incorporado entran en los espacios entre los átomos de silicio y las fuerzas atómicas actúan entre sí, dando a la materia prima de silicio las características de un semiconductor. La fabricación actual de semiconductores elige principalmente el proceso CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario). La palabra complementario se refiere a la interacción entre los transistores MOS tipo N y los transistores MOS tipo P en semiconductores. N y P representan el electrodo negativo y el electrodo positivo respectivamente en tecnología electrónica. En la mayoría de los casos, las rebanadas están dopadas con productos químicos para formar un sustrato tipo P, y los circuitos lógicos escritos en ellas están diseñados para seguir las características de los circuitos nMOS. Este tipo de transistor tiene una mayor utilización del espacio y ahorra más energía. Al mismo tiempo, en la mayoría de los casos, la aparición de transistores pMOS debe limitarse tanto como sea posible, porque en las últimas etapas del proceso de fabricación, es necesario implantar materiales tipo N en el sustrato tipo P, y este proceso conducirá a la formación de transistores pMOS. Una vez completada la incorporación de productos químicos, se completa el corte estándar. Luego, cada rebanada se calienta en un horno de alta temperatura y se forma una capa de película de sílice en la superficie de la rebanada controlando el tiempo de calentamiento. Al monitorear de cerca la temperatura, la composición del aire y el tiempo de calentamiento, se puede controlar el espesor de la capa de sílice. En el proceso de fabricación de 90 nm de Intel, el ancho del óxido de la puerta es tan pequeño como un sorprendente espesor de 5 átomos. Esta capa del circuito de compuerta también es parte del circuito de compuerta del transistor. La función del circuito de compuerta del transistor es controlar el flujo de electrones dentro de él. Al controlar el voltaje de la compuerta, el flujo de electrones se controla estrictamente, independientemente del tamaño de. los voltajes de los puertos de entrada y salida. El último paso de la preparación es cubrir la capa de dióxido de silicio con una capa fotosensible. Esta capa de material se utiliza para otras aplicaciones de control en la misma capa. Esta capa es muy fotosensible cuando está seca y puede disolverse químicamente y eliminarse después del proceso de fotolitografía.