A processzorok gyártásának és gyártásának technológiái. Modern processzorok gyártása

A modern mikroprocesszorok az egyik legösszetettebb ember által gyártott eszköz. Egy félvezető chip előállítása sokkal erőforrásigényesebb, mint mondjuk egy többszintes épület építése vagy a legnagyobb kiállítási rendezvény megszervezése. A CPU pénzben kifejezett tömeggyártásának köszönhetően azonban ezt nem vesszük észre, és ritkán jut eszünkbe a belül ilyen előkelő helyet elfoglaló elemek grandiózussága. rendszerblokk. Úgy döntöttünk, hogy tanulmányozzuk a processzorok gyártásának részleteit, és beszámolunk róluk ezt az anyagot. Szerencsére ma már elegendő információ található az interneten erről a témáról, és az Intel Corporation prezentációinak és diákjainak speciális választéka lehetővé teszi a feladat lehető legtisztább végrehajtását. A félvezetőipar más óriásainak vállalkozásai ugyanezen az elven működnek, így bátran kijelenthetjük, hogy minden modern mikroáramkör azonos alkotási utat követ.

Az első dolog, amit érdemes megemlíteni, a feldolgozók építőanyaga. A szilícium az oxigén után a második leggyakoribb elem a bolygón. Ez egy természetes félvezető, és fő anyagként használják különféle mikroáramkörök chipjeinek előállításához. A legtöbb szilícium a közönséges homokban (különösen a kvarcban) található szilícium-dioxid (SiO2) formájában.

A szilícium azonban nem az egyetlen anyag. Legközelebbi rokona és helyettesítője a germánium, azonban a termelés javítása során a tudósok jó félvezető tulajdonságokat azonosítanak más elemekből álló vegyületekben, és készülnek ezek gyakorlati tesztelésére vagy már tesznek is.

1 A szilícium többlépcsős tisztítási folyamaton megy keresztül: a mikroáramkörök nyersanyagai nem tartalmazhatnak több szennyeződést, mint egy idegen atom egy milliárdban.

2 A szilíciumot egy speciális tartályban olvasztják meg, és egy folyamatosan hűtött forgó rudat leengedve a felületi feszültség hatására az anyag körülötte „tekerszik”.

3 Ennek eredményeként kör keresztmetszetű hosszirányú nyersdarabokat (egykristályokat) kapunk, amelyek mindegyike körülbelül 100 kg.

4 A munkadarabot külön szilíciumlemezekre vágják - lemezekre, amelyeken több száz mikroprocesszor található. Erre a célra gyémánt vágótárcsás gépeket vagy drótcsiszoló berendezéseket használnak.

5 Az aljzatokat tükörfényesre polírozzuk, hogy a felület minden hibáját kiküszöböljük. A következő lépés a legvékonyabb fotopolimer réteg felhordása.

6 A kezelt szubsztrátum erős ultraibolya sugárzásnak van kitéve. A fotopolimer rétegben kémiai reakció megy végbe: a fény számos stencilen áthaladva megismétli a CPU rétegek mintázatait.

7 Az alkalmazott kép tényleges mérete többszöröse a tényleges sablonénak.

8 A sugárzás által "maratott" területek kimosódnak. Szilícium hordozón mintát kapunk, amelyet ezután rögzítünk.

9 Az egyik réteg előállításának következő lépése az ionizáció, melynek során a polimermentes szilícium területeket ionokkal bombázzák.

10 Azokon a helyeken, ahol eltalálják, az elektromos vezetőképesség tulajdonságai megváltoznak.

11 A maradék polimert eltávolítjuk, és a tranzisztor majdnem készen áll. A szigetelő rétegekben lyukakat készítenek, amelyek kémiai reakció révén érintkezésként használt rézatomokkal töltődnek meg.

12 A tranzisztorok csatlakoztatása többszintű huzalozás. Ha mikroszkóppal nézünk, rengeteg fémvezetőt láthatunk egy kristályon, és szilícium atomokat vagy azok modern helyettesítőit helyezzük el közéjük.

13 A kész hordozó egy része átmegy az első működőképességi teszten. Ebben a szakaszban a kiválasztott tranzisztorok mindegyikére áramot vezetnek, és az automatizált rendszer ellenőrzi a félvezető működési paramétereit.

14 Az aljzatot a legvékonyabb vágókorongok segítségével külön részekre vágják.

15 Az e művelet eredményeként kapott jó forgácsot a processzorok gyártásában használják fel, a hibásakat pedig hulladékba küldik.

16 A CPU alapja (hordozója) és a hőelosztó burkolat közé egy külön chipet helyeznek el, amelyből a processzor készül, és „becsomagolják”.

17 A végső tesztelés során a kész processzorokat ellenőrzik, hogy megfelelnek-e az előírt paramétereknek, és csak ezután válogatják őket. A kapott adatok alapján mikrokód kerül beléjük villantásra, lehetővé téve a rendszer számára a CPU megfelelő meghatározását.

18 A kész eszközöket becsomagolják és piacra küldik.

"Szilícium-völgy" (Szilícium-völgy, USA, Kalifornia)

Nevét a mikrochipek gyártásához használt fő építőelemről kapta.

"Miért kerekek a processzoros ostyák?"- biztosan megkérdezed.

A szilíciumkristályok előállításához olyan technológiát alkalmaznak, amely lehetővé teszi, hogy csak hengeres tuskót készítsenek, amelyeket aztán darabokra vágnak. Mindeddig senki sem tudott hibátlan négyzet alakú lemezt előállítani.

Miért négyzet alakúak a mikrochipek?

Ez a fajta litográfia teszi lehetővé a lemez területének maximális hatékonyságú felhasználását.

Miért kell a processzoroknak annyi tű/tű?

A jelvonalak mellett minden processzornak stabil tápegységre van szüksége a működéshez. Kb. 100-120 W fogyasztás mellett alacsony feszültség mellett akár 100 A áram is átfolyhat az érintkezőkön A CPU érintkezők jelentős része kifejezetten az áramellátó rendszer számára van lefoglalva, és duplikált.

Termelési hulladék elszállítása

Korábban a hibás lemezek, azok maradványai és a hibás mikrochipek kárba mentek. A mai napig fejlesztések folynak, hogy ezeket napelemek gyártásának alapjaként használják fel.

"Nyúl öltöny"

Ezt a nevet adták a kombinénak fehér szín, amelyeket az ipari helyiségek minden dolgozójának viselnie kell. Ez a maximális tisztaság fenntartása és a porszemcsék gyártó létesítményekbe való véletlen bejutása elleni védelem érdekében történik. A "nyuszi öltöny"-t először 1973-ban használták processzorgyárakban, és azóta elfogadott szabvány lett.

99,9999%

Processzorok gyártására csak a legmagasabb tisztaságú szilícium alkalmas. A nyersdarabokat speciális vegyszerekkel tisztítják.

300 mm

Ez az átmérője a modern szilícium lapkáknak a processzorok gyártásához.

1000 alkalommal

Ennyivel tisztább a levegő a chipgyárakban, mint a műtőben.

20 réteg

A processzorchip nagyon vékony (kevesebb mint egy milliméter), de a tranzisztorok legbonyolultabb szerkezeti kombinációinak több mint 20 rétege elfér benne, amelyek többszintű autópályáknak tűnnek.

2500

Ennyi Intel Atom processzorchip (ezek a legkisebb területűek a modern CPU-k között) kerül egy 300 mm-es lapkára.

10 000 000 000 000 000 000

Évente százötmilliárd tranzisztort szállítanak ki a gyárakból mikrochip építőelemek formájában. Ez körülbelül 100-szor több, mint a bolygón élő hangyák becsült száma.

A

Egy processzorban egy tranzisztor előállításának költsége ma megegyezik egy újságba nyomtatott betű árával.

A cikk elkészítése során az Intel Corporation hivatalos webhelyéről származó anyagokat használtak fel, www.intel.ua

Manapság rengeteg információ található az interneten a processzorok témájában, egy csomó cikket találhat a működéséről, ahol főként a regiszterek, ciklusok, megszakítások stb. esik szó... De annak az embernek, aki nem ismeri ezeket a kifejezéseket és fogalmakat, elég nehéz így "légygel" elmélyedni a folyamat megértésében, de kicsiben kell kezdeni - nevezetesen az elemi megértéssel hogyan van elrendezve a processzor és milyen fő részekből áll.

Tehát mi lesz a mikroprocesszor belsejében, ha szétszerelik:

az 1-es szám a mikroprocesszor fémfelületét (burkolatát) jelöli, amely a hő eltávolítására és a mechanikai sérülések elleni védelmére szolgál, ami a burkolat mögött (vagyis magában a processzor belsejében) található.

A 2-es számban maga a kristály található, amely valójában a mikroprocesszor legfontosabb és legdrágább alkatrésze. Ennek a kristálynak köszönhető, hogy minden számítás megtörténik (és ez a processzor legfontosabb funkciója), és minél bonyolultabb, minél tökéletesebb, annál erősebb a processzor és annál drágább, ill. . A kristály szilíciumból készül. Valójában a gyártási folyamat nagyon összetett, és több tucat lépésből áll, további részletek ebben a videóban:

A 3-as szám egy speciális textolit szubsztrát, amelyhez a processzor összes többi alkatrésze rögzítve van, emellett érintkezőpárna szerepét tölti be - a hátoldalán nagyszámú arany "pont" található - ezek érintkezők (ezek kissé láthatóak az ábrán). Az érintkezőpárnának (szubsztrátumnak) köszönhetően a kristállyal való szoros kölcsönhatás biztosított, mert a kristályt közvetlenül semmilyen módon nem lehet befolyásolni.

A fedelet (1) hőálló ragasztó-tömítőanyaggal rögzítik a hordozóhoz (3). A kristály (2) és a burkolat között nincs légrés, helyét hőpaszta veszi át, megszilárdulásakor "hidat" képez a processzorszerszám és a burkolat között, ami nagyon jó hőkiáramlást biztosít.

A kristály forrasztással és tömítőanyaggal csatlakozik a hordozóhoz, a hordozó érintkezői a kristály érintkezőihez kapcsolódnak. Ezen az ábrán jól látható, hogyan csatlakoznak a kristály érintkezői a hordozó érintkezőihez nagyon vékony vezetékekkel (a képen 170-szeres nagyítás):

Általában a processzorok eszköze különböző gyártókés még egy gyártó modelljei is nagyon eltérőek lehetnek. azonban kördiagramm a munka változatlan marad - mindegyiknek van érintkező hordozója, kristálya (vagy több egy csomagban található) és fém burkolata a hőelvezetéshez.

Például az Intel Pentium 4 processzor érintkezőfelülete így néz ki (a processzor fejjel lefelé van):

A csapok alakja és elrendezésük felépítése a processzortól, ill alaplap számítógép (az aljzatoknak egyeznie kell). Például a fenti ábrán a processzor érintkezőin nincsenek "csapok", mivel a tűk közvetlenül az alaplap foglalatában találhatók.

És van egy másik helyzet, amikor az érintkezők "csapjai" közvetlenül kilógnak az érintkező hordozójából. Ez a funkció főleg az AMD processzorokra jellemző:

Mint fentebb említettük, a készülék különböző modellek ugyanazon gyártó processzorai változhatnak, erre van egy élénk példa - egy négymagos processzor Intel Core 2 Quad, ami lényegében 2 kétmagos processzor core 2 duo vonal egy tokban kombinálva:

Fontos! A processzoron belüli matricák száma és a processzormagok száma nem ugyanaz.

Modern modellekben Intel processzorok 2 kristály (chip) belefér egyszerre. A második chip a processzor grafikus magja, tulajdonképpen a processzorba épített videokártya szerepét tölti be, vagyis a rendszer hiánya esetén is a grafikus mag veszi át a videokártya szerepét, és meglehetősen erős (egyes processzormodellekben a grafikus magok számítási teljesítménye lehetővé teszi a modern játékok lejátszását közepes grafikus beállítások mellett).

Ez minden központi mikroprocesszor egység röviden persze.

A modern mikroprocesszorok a világ leggyorsabb és legokosabb mikroáramkörei. Akár 4 milliárd műveletet is képesek végrehajtani másodpercenként, és számos különböző technológia felhasználásával készülnek. A 20. század 90-es éveinek eleje óta, amikor a processzorok tömeges használatba kerültek, több fejlődési szakaszon mentek keresztül. A 6. generációs mikroprocesszorok meglévő technológiáit alkalmazó mikroprocesszor-struktúrák fejlesztésének csúcspontja 2002 volt, amikor elérhetővé vált a szilícium összes alapvető tulajdonságának felhasználása a magas frekvenciák minimális veszteséggel történő eléréséhez a logikai áramkörök gyártása és létrehozása során. Most az új processzorok hatékonysága valamelyest csökken a kristályok gyakoriságának folyamatos növekedése ellenére, mivel a szilíciumtechnológiák képességeik határához közelednek.

Mikroprocesszoregy kisméretű szilíciumkristályon kialakított integrált áramkör. A szilíciumot a mikroáramkörökben azért használják, mert félvezető tulajdonságokkal rendelkezik: elektromos vezetőképessége nagyobb, mint a dielektrikumé, de kisebb, mint a fémeké. A szilícium szigetelőként is készíthető, amely megakadályozza az elektromos töltések mozgását, és vezetővé is elektromos töltések szabadon fog áthaladni rajta. A félvezető vezetőképessége szennyeződések bejuttatásával szabályozható.

A mikroprocesszor több millió tranzisztort tartalmaz, amelyeket a legvékonyabb alumíniumból vagy rézből készült vezetékek kötnek össze egymással és adatfeldolgozásra használnak. Így keletkeznek a belső abroncsok. Ennek eredményeként a mikroprocesszor számos funkciót lát el - a matematikai és a logikai műveletek más mikroáramkörök és a teljes számítógép működésének vezérlésére.

A mikroprocesszor egyik fő paramétere a kristály frekvenciája, amely meghatározza az időegységenkénti műveletek számát, a rendszerbusz frekvenciáját, a belső cache memória mennyiségét. SRAM . A processzort a kristály frekvenciája jelöli. A kristály frekvenciáját a tranzisztorok zártról nyitottra kapcsolási frekvenciája határozza meg. A tranzisztorok gyorsabb kapcsolási képességét a chipeket előállító szilícium lapkák gyártási technológiája határozza meg. A technológiai folyamat mérete határozza meg a tranzisztor méreteit (vastagságát és kapuhosszát). Például a 2004 elején bevezetett 90 nm-es eljárással a tranzisztor mérete 90 nm, a kapu hossza pedig 50 nm.

Minden modern processzort használ FET-ek. Az új folyamattechnológiára való áttérés lehetővé teszi nagyobb kapcsolási frekvenciájú, alacsonyabb szivárgási áramú tranzisztorok létrehozását, kisebb méretek. A méret csökkentésével egyidejűleg csökkenthető a chip területe, és ezáltal a hőleadás, a vékonyabb kapu pedig lehetővé teszi, hogy kevesebb feszültséget alkalmazzon a kapcsoláshoz, ami szintén csökkenti az energiafogyasztást és a hőleadást.

A 90 nm-es technológiai norma meglehetősen komoly technológiai akadályt jelentett sok chipgyártó számára. Ezt a cég is megerősíti TSMC , amely chipek gyártásával foglalkozik a piac számos óriása számára, például cégek számára AMD, nVidia, ATI, VIA . Hosszú ideig nem tudta létrehozni a chipek gyártását 0,09 mikronos technológiával, ami a megfelelő kristályok alacsony hozamához vezetett. Ez az egyik oka annak AMD sokáig halogatta processzorainak megjelenését technológiával SOI (Silicon-on-Insulator) ). Ennek az az oka, hogy ezen az elemdimenzión kezdtek erőteljesen megnyilvánulni mindenféle korábban nem feltűnő negatív tényező, mint a szivárgási áramok, a paraméterek nagy szórása, a hőleadás exponenciális növekedése.

Két szivárgási áram létezik: a kapu szivárgási árama és a küszöb alatti szivárgás. Első a csatorna szilícium szubsztrátja és a poliszilícium kapu közötti elektronok spontán mozgása okozza. Második - az elektronok spontán mozgása a tranzisztor forrásából a lefolyóba. Mindkét hatás azt a tényt eredményezi, hogy meg kell emelni a tápfeszültséget a tranzisztor áramainak szabályozásához, ami negatívan befolyásolja a hőelvezetést. Tehát a tranzisztor méretének csökkentésével mindenekelőtt a kapuja és a szilícium-dioxid réteg csökken ( SiO2 ), amely természetes akadály a kapu és a csatorna között.

Ez egyrészt javítja a tranzisztor sebességi teljesítményét (kapcsolási ideje), másrészt növeli a szivárgást. Vagyis kiderül, hogy egyfajta zárt ciklus. Tehát a 90 nm-re való átállás a dioxidréteg vastagságának újabb csökkenése, és egyben a szivárgások növekedése. A szivárgás elleni küzdelem ismét a vezérlőfeszültségek növelése, és ennek megfelelően a hőtermelés jelentős növelése. Mindez ahhoz vezetett, hogy a mikroprocesszorok piacán a versenytársak késlekedtek egy új technikai eljárás bevezetésében - Intel és AMD.

Az egyik alternatív megoldás a technológia alkalmazása SZÓVAL ÉN (szilícium a szigetelőn), amelyet a cég nemrégiben vezetett be AMD 64 bites processzoraikon. Ez azonban sok erőfeszítésébe és leküzdésébe került egy nagy szám kapcsolódó nehézségek. De maga a technológia hatalmas számú előnnyel rendelkezik, viszonylag kis számú hátránnyal.

A technológia lényege általában meglehetősen logikus - a tranzisztort egy másik vékony szigetelőréteg választja el a szilícium hordozótól. Plusz - súly. Nincs ellenőrizetlen elektronmozgás a tranzisztor csatorna alatt, ami befolyásolja annak elektromos jellemzőit - ismét. Miután a nyitóáramot a kapura juttattuk, a csatorna ionizációs ideje az üzemi állapotig, amíg az üzemi áram át nem folyik rajta, lecsökken, azaz a második kulcsparaméter tranzisztor teljesítménye, a be- és kikapcsolási ideje kettő. Vagy ugyanazzal a sebességgel egyszerűen csökkentheti a feloldó áramot - három. Vagy találjon kompromisszumot a munka sebességének növelése és a feszültség csökkentése között. Ugyanannak a feloldó áramnak a megőrzése mellett a tranzisztor teljesítményének növekedése akár 30% is lehet, ha a frekvenciát változatlan marad, az energiatakarékosságra helyezve a hangsúlyt, akkor a plusz még nagyobb is lehet - akár 50%.

Végül a csatorna jellemzői kiszámíthatóbbá válnak, és maga a tranzisztor is ellenállóbbá válik a szórványos hibákkal szemben, például a csatorna hordozójába kerülő és azt váratlanul ionizáló kozmikus részecskék okozta hibákkal szemben. A szigetelőréteg alatt található hordozóba bejutva semmilyen módon nem befolyásolják a tranzisztor működését. A SOI egyetlen hátránya, hogy csökkenteni kell az emitter/kollektor régió mélységét, ami közvetlenül és közvetlenül befolyásolja az ellenállás növekedését a vastagság csökkenésével.

És végül harmadik A frekvencia növekedés lassulásához hozzájárult a versenytársak alacsony aktivitása a piacon. Mondhatni mindenki a saját dolgaival volt elfoglalva. AMD részt vett a 64 bites processzorok széles körű bevezetésében, mert Intel ez az új technikai folyamat tökéletesítésének időszaka volt, hibakeresés a megfelelő kristályok megnövekedett hozamának érdekében.

Nyilvánvaló tehát az új technikai eljárásokra való átállás szükségessége, de ezt a technológusok minden alkalommal nagy nehézségek árán megadják. Az első mikroprocesszorok Pentium (1993) 0,8 mikronos, majd 0,6 mikronos eljárástechnológiával készültek. 1995-ben alkalmazták először a 0,35 mikronos technológiai technológiát a 6. generációs processzoroknál. 1997-ben 0,25 mikronra, 1999-ben 0,18 mikronra változott. A modern processzorok 0,13 és 0,09 mikronos technológiával készülnek, utóbbit 2004-ben vezették be. Mint látható, ezeknél a technikai folyamatoknál betartják Moore törvényét, amely kimondja, hogy kétévente a kristályok frekvenciája megduplázódik a belőlük származó tranzisztorok számának növekedésével. A technológiai folyamat ugyanolyan ütemben változik. Igaz, a jövőben a „frekvenciaverseny” túlszárnyalja ezt a törvényt. 2006-ra a cég Intel a 65 nm-es folyamattechnológia elsajátítását tervezi, 2009-ben pedig a 32 nm-es.

Itt az ideje, hogy felidézzük a tranzisztor szerkezetét, nevezetesen egy vékony szilícium-dioxid réteget, egy szigetelőt, amely a kapu és a csatorna között helyezkedik el, és teljesen érthető funkciót lát el - az elektronok akadályát, amely megakadályozza a kapu áramának szivárgását.

Nyilvánvalóan minél vastagabb ez a réteg, annál jobban ellátja szigetelő funkcióját, de a csatorna szerves része, és nem kevésbé nyilvánvaló, hogy ha a csatorna hosszát (tranzisztorméretét) szeretnénk csökkenteni, akkor csökkenti a vastagságát, ráadásul nagyon gyors ütemben. Egyébként az elmúlt néhány évtizedben ennek a rétegnek a vastagsága átlagosan a csatorna teljes hosszának körülbelül 1/45-e volt. Ennek a folyamatnak azonban vége van – ahogy az Intel öt évvel ezelőtt mondta, ha továbbra is SiO 2-t használ, mint az elmúlt 30 évben, a minimális rétegvastagság 2,3 nm lesz, különben a kapuáram szivárgása egyszerűen irreális lesz. értékek .

Egészen a közelmúltig semmit sem tettek az alcsatorna-szivárgás csökkentésére, de mostanra kezd megváltozni a helyzet, hiszen az üzemi áram a kapu válaszidejével együtt a tranzisztor sebességét jellemző két fő paraméter egyike, ill. a kikapcsolt állapotban lévő szivárgás közvetlenül érinti - a tranzisztor szükséges hatékonyságának megőrzése érdekében ennek megfelelően meg kell emelni az üzemi áramot, az összes ebből következő feltétellel.

Gyártás A mikroprocesszor egy összetett folyamat, amely több mint 300 szakaszból áll. Ennek eredményeként a vékony, kör alakú szilícium lapkák - szubsztrátumok - felületén mikroprocesszorok képződnek bizonyos sorrend különféle feldolgozási eljárások vegyszerek, gázok és ultraibolya sugárzás felhasználásával.

A hordozók általában 200 milliméter vagy 8 hüvelyk átmérőjűek. Az Intel azonban már áttért a 300 mm-es vagy 12 hüvelykes lapkákra. Az új lemezek közel 4-szer több kristály előállítását teszik lehetővé, és a hozam is sokkal magasabb. Az ostyák szilíciumból készülnek, amelyet finomítanak, megolvasztanak és hosszú hengeres kristályokká növesztik. A kristályokat ezután vékony lemezekre vágják, és addig polírozzák, amíg a felületük tükörsima és hibamentes lesz. Ezután, egymást követően, ciklikusan megismételve, termikus oxidációt hajtanak végre (film kialakítása). SiO2 ), fotolitográfia, szennyeződések diffúziója (foszfor), epitaxia (rétegfelhalmozódás).

A mikroáramkörök gyártási folyamata során a legvékonyabb anyagrétegeket gondosan kiszámított minták formájában alkalmazzák az üres lemezekre. Egy lemezre akár több száz mikroprocesszort helyeznek el, amelyek gyártása több mint 300 műveletet igényel. A processzorok teljes gyártási folyamata több szakaszra osztható: szilícium-dioxid termesztése és vezető régiók létrehozása, tesztelés, csomag gyártás és szállítás.

A mikroprocesszor gyártási folyamata a következővel kezdődik: termesztése "szigetelő szilícium-dioxid réteg polírozott lemezének felületén. Ezt a lépést elektromos kemencében hajtják végre, nagyon magas hőmérsékleten. Az oxidréteg vastagsága attól függ, hogy a lemez milyen hőmérsékletet és időt tölt a kemencében .

Ezután következik fotolitográfia - az a folyamat, amelynek során a lemez felületén minta képződik. Először egy átmeneti fényérzékeny anyagréteget, egy fotorezisztet visznek fel a lemezre, amelyre ultraibolya sugárzással a sablon átlátszó szakaszainak képét, vagyis a fotomaszkot vetítik. A maszkokat a processzor tervezése során készítik, és az egyes processzorrétegekben áramköri mintákat generálnak. Sugárzás hatására a fotoréteg exponált részei oldódóvá válnak, ezeket oldószerrel (fluorsav) távolítják el, feltárva a mögöttük lévő szilícium-dioxidot.

A kitett szilícium-dioxidot a " rézkarc "Ezután a maradék fotóréteget eltávolítják, aminek következtében a félvezető lapkán szilícium-dioxid-mintázat marad. Egy sor további fotolitográfiás és maratási művelet eredményeként a vezető tulajdonságokkal rendelkező polikristályos szilícium is. alkalmazzuk az ostyára.

A következő művelet során a " dopping ", a szilíciumlapka nyitott területeit különféle ionokkal bombázzák kémiai elemek, amelyek negatív és pozitív töltések amelyek megváltoztatják e területek elektromos vezetőképességét.

Új rétegek fedése az áramkör ezt követő maratásával többször megtörténik, míg a rétegközi csatlakozásokhoz a rétegekben "ablakok" maradnak, amelyeket fémmel töltenek meg, elektromos kapcsolatokat képezve a rétegek között. A 0,13 mikronos folyamattechnológiájában az Intel rézvezetőket használt. 0,18 mikronos gyártási folyamatban és folyamatokban előző generációk Az Intel alumíniumot használt. Mind a réz, mind az alumínium kiváló elektromos vezetők. A 0,18 mikronos folyamattechnológia alkalmazásakor 6 réteg, a 90 nm-es technológia 2004-es bevezetésekor 7 réteg szilícium került felhasználásra.

A processzor minden rétegének saját mintája van, ezek a rétegek együtt háromdimenziós formát alkotnak elektronikus áramkör. A rétegek felhordását 20-25 alkalommal ismételjük meg több héten keresztül.

A szilícium lapkáknak kezdetben elég vastagnak kell lenniük ahhoz, hogy ellenálljanak a hordozókra a rétegezési folyamat során kifejtett feszültségeknek. Ezért, mielőtt a lemezt egyedi mikroprocesszorokba vágnák, speciális eljárásokkal 33%-kal csökkentik a vastagságát, és eltávolítják a szennyeződést a hátoldalról. Ezután egy réteget viszünk fel a "vékonyabb" lemez hátoldalára speciális anyag, ami javítja a kristály utólagos rögzítését a tokhoz. Ezenkívül ez a réteg biztosítja elektromos érintkező az integrált áramkör hátsó felülete és a csomag között összeszerelés után.

Ezt követően a lemezeket tesztelik, hogy ellenőrizzék az összes feldolgozási művelet minőségét. Annak megállapítására, hogy a processzorok megfelelően működnek-e, az egyes összetevőket tesztelik. Ha hibákat észlelnek, azokat elemzik, hogy megértsék, a feldolgozás mely szakaszában fordult elő a hiba.

Ezután elektromos szondákat csatlakoztatnak minden processzorhoz, és áramot kapnak. A processzorokat a számítógép teszteli, amely megállapítja, hogy a legyártott processzorok jellemzői megfelelnek-e az előírt követelményeknek.

A tesztelés után az ostyákat egy összeszerelő üzembe küldik, ahol kis téglalapokra vágják, amelyek mindegyike tartalmaz egy integrált áramkört. A lemez szétválasztásához speciális precíziós fűrészt használnak. A nem működő kristályokat elutasítjuk.

Ezután minden kristályt egyedi tokba helyeznek. A tok megvédi a kristályt a külső hatásoktól és biztosítja azt elektromos kapcsolat azzal a táblával, amelyre a későbbiekben fel lesz szerelve. A kristály bizonyos pontjain elhelyezkedő apró forrasztógolyók a csomagolás elektromos vezetékeihez vannak forrasztva. Most az elektromos jelek áramolhatnak a tábláról a chipre és fordítva.

A jövőbeni feldolgozókban a vállalat Intel technológiát alkalmazni BBUL , amely lehetővé teszi, hogy alapvetően új tokokat hozzon létre, kisebb hőelvezetéssel és kapacitással a lábak között CPU.

Miután a szerszámot a csomagba telepítették, a processzort újra tesztelik annak megállapítására, hogy működik-e. A hibás processzorokat elutasítják, a működőképeseket pedig stressz-tesztnek vetik alá: különböző hőmérsékleti és páratartalmi feltételeknek, valamint elektrosztatikus kisüléseknek való kitéve. Minden stresszteszt után a processzort tesztelik, hogy meghatározzák a működési állapotát. A processzorokat ezután különféle órajeleken és tápfeszültségeken való viselkedésük alapján rendezik.

A teszten átesett processzorok a végső vezérlésbe kerülnek, melynek feladata megerősíteni, hogy minden korábbi teszt eredménye helyes volt, és az integrált áramkör paraméterei megfelelnek a megállapított szabványoknak, vagy akár meg is haladják azokat. Minden processzor, amely átmegy a kimeneti vezérlésen, fel van címkézve és be van csomagolva az ügyfelekhez való szállításhoz.

CPU ez minden modern számítógép szíve. Bármely mikroprocesszor lényegében egy nagy integrált áramkör, amelyen tranzisztorok találhatók. ugró elektromosság A tranzisztorok lehetővé teszik bináris logikai (be-ki) számítások létrehozását. A modern processzorok 45 nm-es technológián alapulnak. A 45 nm (nanométer) akkora, mint egyetlen tranzisztor egy processzorlapkán. Egészen a közelmúltig főként 90 nm-es technológiát alkalmaztak.

A lemezek szilíciumból készülnek, ami a 2. legnagyobb lerakódás a földkéregben.

A szilíciumot kémiai kezeléssel nyerik, megtisztítva a szennyeződésektől. Ezt követően megolvasztják, és 300 milliméter átmérőjű szilíciumhengert képeznek. Ezt a hengert gyémánthuzallal tovább lemezekre vágják. Mindegyik lemez vastagsága körülbelül 1 mm. Annak érdekében, hogy a lemez ideális felületű legyen, menetes vágás után speciális csiszolóval polírozzák.

Ezt követően a szilícium ostya felülete tökéletesen sima. Egyébként sok gyártó cég már bejelentette a 450 mm-es lemezekkel való munka lehetőségét. Minél nagyobb a felület, annál nagy mennyiség tranzisztorokat, és még inkább a processzor nagy teljesítményét.

CPU szilícium lapkából áll, amelynek felületén legfeljebb kilenc szintnyi tranzisztor található, oxidrétegekkel elválasztva az izolálás céljából.

Processzorgyártási technológia fejlesztése

Gordon Moore, az egyik alapító az Intel által 1965-ben, a világ processzorgyártásának egyik vezetője, megfigyelései alapján fedezte fel azt a törvényt, amely szerint rendszeres időközönként új processzor- és mikroáramkörök modellek jelentek meg. A processzorokban lévő tranzisztorok számának növekedése 2 év alatt körülbelül kétszeresére nő. Gordon Moore törvénye immár 40 éve torzítás nélkül működik. A jövő technológiáinak fejlesztése már nincs messze – már léteznek működő prototípusok, amelyek 32 nm-es és 22 nm-es processzorgyártási technológián alapulnak. 2004 közepéig a processzor teljesítménye elsősorban a processzorfrekvenciától függött, 2005-től azonban gyakorlatilag megállt a processzorfrekvencia növekedése. Megjelent új technológia többmagos processzor. Vagyis több processzormagot hoznak létre azonos órajel-frekvenciával, és működés közben összegzik a magok teljesítményét. Ez növeli a processzor teljes teljesítményét.

Az alábbiakban egy videót tekinthet meg a processzorok gyártásáról.

Ez egy ostoba kérdésnek tűnhet, amelyre egy mondatban meg lehet válaszolni: A szilícium a periódusos rendszer 14. eleme. A szilíciumot azonban másoknál gyakrabban emlegetik az elektronikai oldalakon, mert nemcsak a legtöbb építőanyag fő alkotóeleme, hanem a modern számítógépes processzorok alapja is, sőt a legvalószínűbb jelölt a „nem” alapelem szerepére. -szénélettartam". Miben különleges a szilícium?

A szilícium, mint építőanyag

Az oxigén után a szilícium a leggyakoribb elem a földkéregben, megtalálása azonban nem olyan egyszerű, mert tiszta formájában szinte soha nem található meg. A természetben a legelterjedtebb a szilikát SiO4 vagy szilícium-dioxid SiO2. A szilícium-dioxid a homok fő összetevője is. Földpát, gránit, kvarc – ezek mind szilícium és oxigén kombinációján alapulnak.

A szilíciumvegyületek sokféle hasznos tulajdonsággal rendelkeznek, főként azért, mert összetett szerkezetekben nagyon szorosan képesek megkötni más atomokat. Különféle szilikátok, mint például a kalcium-szilikát, a cement fő alkotóelemei, a beton és a vakolat fő kötőanyaga. Néhány szilikát anyagot használnak a kerámiában, és természetesen az üvegben. Ezenkívül szilíciumot adnak olyan anyagokhoz, mint például az öntöttvas, hogy az ötvözet tartósabb legyen.
És igen, a szilícium a szintetikus anyag szilikon fő szerkezeti összetevője is, ezért a szilikont (szilikont) gyakran összekeverik a szilíciummal (szilíciummal). Híres példa a Szilícium-völgy, ami valójában szilícium.

A szilícium, mint számítógépes chip

Az alapanyag kiválasztásakor számítógépes tranzisztorok az ellenállás volt a kulcs. A vezetők alacsony ellenállásúak és nagyon könnyen vezetnek áramot, míg a szigetelők nagy ellenállásuk miatt blokkolják az áramot. A tranzisztornak kombinálnia kell mindkét tulajdonságot.
A szilícium nem az egyetlen félvezető anyag a Földön – még csak nem is a legjobb félvezető. Azonban széles körben elérhető. Nem nehéz bányászni és könnyű vele dolgozni. És ami a legfontosabb, a tudósok rájöttek megbízható módon távolítsa el belőle a rendezett kristályokat. Ezek a kristályok olyanok a szilíciumnak, mint a gyémánt a gyémántnak.

Az ideális kristályok építése a gyártás egyik fő szempontja számítógépes chipek. Ezeket a kristályokat vékony ostyákra vágják, gravírozzák, feldolgozzák, és több száz kezelésen esnek át, mielőtt kereskedelmi feldolgozókká válnának. Lehet jobb tranzisztorokat készíteni szénből vagy olyan egzotikus anyagokból, mint a germánium, de egyik sem teszi lehetővé egy ilyen nagyszabású gyártás újrateremtését – legalábbis még nem.
BAN BEN Ebben a pillanatban A szilíciumkristályokat 300 mm-es hengerekben hozzák létre, de a kutatás gyorsan megközelíti a 450 mm-es határt. Ennek csökkentenie kell a termelési költségeket, de meg kell őriznie a növekedési ütemet. Mi van ezután? Valószínűleg végre le kell mondanunk a szilíciumról egy fejlettebb anyag helyett – ez jó hír a fejlődéshez, de szinte biztosan rossz hír a pénztárcája számára.

A szilícium mint földönkívüli élet

A "szénélettartam" kifejezést elég gyakran emlegetik, de mit jelent ez? Ez azt jelenti, hogy szervezetünk alapvető szerkezeti molekulái (fehérjék, aminosavak, nukleinsavak, zsírsavak stb.) szénatomok alapján épülnek fel. Ez azért van, mert a szén lehet négy vegyértékű. Az oxigén egyidejűleg két stabil kémiai kötést tud kialakítani, a nitrogén csak hármat, de a szén akár négy különböző atomot is tartalmazhat egyszerre. Ez egy erőteljes alap a molekulák felépítéséhez és az élet kialakulásához.

Mert a periódusos rendszer úgy van rendezve, hogy a függőleges oszlopban lévő elemek hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkezzenek – a szén pedig közvetlenül alatta a szilícium. Sok teoretikus ezért figyel a "szilícium életére", az egyik mellettük szóló érv az a tény, hogy a szilícium is négyértékű.
Természetesen, tekintettel arra, hogy a Földön sokkal több szilícium található, mint szén, jó oka van annak, hogy a szerves élet a szénen alapul. És itt ismét a periódusos rendszerhez kell fordulnunk. A függőlegesen alacsonyabban fekvő elemeknek nehezebb a magjuk és nagyobb az elektronhéjuk, így a szilícium mérete miatt kevésbé alkalmas precíziós feladatokra, például DNS felépítésére. Így az Univerzum egy másik részén elméletileg lehetséges egy szilícium alapú organizmus kifejlődése, de bolygónkon ez nem valószínű.
A szilícium még sokáig fog szerepelni a hírekben, mert ha valamilyen elem helyettesíti is a számítógépes számítástechnika alapjaként, a teljes átállásig nagyon hosszú időnek kell eltelnie. Ezen túlmenően az alkalmazásának más területei is vannak, és lehetséges, hogy új módokat találnak ennek az anyagnak a felhasználására. Minden valószínűség szerint a szilícium továbbra is az egyik fő anyag marad az emberi tevékenység fizikai világában.