Počítačové procesory (CPU a GPU) jsou klíčovými prvky v dnešních počítačích a smartphonech, což nám umožňuje provádět naši práci a zajistit zábavu. Jen málo lidí si je vědomo obtížné a komplikované cesty, kterou musí připravené integrované obvody vyrobené, než zasáhnou naše stoly. Pokusím se vám přinést tento proces, od počáteční syrové formy křemíku po hotový procesor.
Z čeho je procesor?
Proces výroby procesoru začíná extrakcí křemíku – polovodičového prvku, který je základní složkou při výrobě procesorů. Křemík je široce dostupný ve skořápce Země, ale vyskytuje se ve formě oxidů (SIO2). Pro získání čistého křemíku je primární surovina podrobena chemickým procesům, jako je hydrolýza, destilace nebo chemická redukce. Další fází je očištění křemíku znečištění, které může negativně ovlivnit procesor. Křemík je podroben procesům, jako je krystalizace tekutin nebo Czochralski, ve kterém je roztavený křemík pomalu ochlazen a vytváří dokonale uspořádanou krystalickou strukturu. V připraveném válci o hmotnosti asi 100 kg a průměru 30 cm lze nalézt pouze jeden cizí atom na miliardu křemíkových atomů.
Čistý křemík se poté transformuje na tenké křemíkové destičky, nazývané primární desky (křemíkové oplatky). Tento proces zahrnuje řezání čistých křemíkových bloků na tenké plátky specifické tloušťky pomocí speciálních diamantových pily. Destičky připravené tímto způsobem jsou podrobeny litografickému procesu.
Litografie nebo „tisk“ na Flint
Litografie je jedním z klíčových fází výroby počítačových procesorů, ve kterých se vytvářejí mikroskopické vzorce na povrchu křemíkové destičky, což představuje základ struktury procesoru mikro -rad. Tento proces používá pokročilé techniky a zařízení, která umožňují přesné vytváření velmi malých prvků na povrchu křemíku. Prvním krokem v litografii je nanesení fotoresistorové vrstvy na křemíkovou desku. Fotorezistor je chemikálie, která reaguje na ultrafialové světlo. Poté je na povrchu fotoresistoru umístěna maska, která obsahuje přesně navržené vzory mikrorodů. Maska má díry nebo okenice, které umožňují světlu proniknout do specifických oblastí křemíkové dlaždice.
Po umístění masky začíná expozice křemíkové desky s ultrafialovým světlem. Světlo prochází otvory v masce a padá na povrch fotoresistoru. Expozice způsobuje chemickou reakci ve fotorezistoru, což mělo za následek jeho vlastnosti. Poté je křemíková deska vystavena excitačnímu procesu, který aktivuje tyto oblasti fotorezistoru, který světlo padlo. V důsledku tohoto procesu se struktury tvoří na povrchu fotorezistoru, který odpovídá vzoru na masce. Nezbedné oblasti zůstávají nedotčeny. Další fází je konsolidace vzoru pomocí speciálních chemických roztoků. Tento proces způsobuje odstranění nemykaných oblastí fotorezistoru a odhaluje povrch křemíku pod ním. Pevné fotoresistorové vzorce se stávají vzory mikrorodů, které budou tvořit základ pro další fáze výroby.
Po vývoji křemíkové destičky se provádí fáze vložení různých vrstev materiálů, jako je oxid křemíku, polykarom, kov a dielectrokk. Tyto další vrstvy jsou zaměřeny na vytváření specifických prvků systému, jako jsou tranzistory, spojení nebo kondenzátory. Vzory mikrotub na povrchu křemíku jsou transformovány na skutečné mikroelektronické struktury. Litografický proces se opakuje mnohokrát (od 400 do více než 1000krát, v závislosti na stupni složitosti systému), aby vytvořil všechny potřebné vzorce a vrstvy na povrchu křemíkové destičky. Každá vrstva je přesně aplikována a pevná a přebytečný materiál je odstraněn pro získání zamýšlené struktury.
Stojí za zmínku, že litografie je neustále vylepšeným procesem, který umožňuje vytvoření menších a složitějších prvků na povrchu procesorů. V současné době používané litografické techniky vám umožňují vytvářet struktury s velikostí v několika nanometrech, což umožňuje produkci procesorů s vysokou hustotou vysoké hustoty tranzistorů a tím větší výkon. V případě nejmodernějších systémů na povrchu něco přes 100 mm^2 (čtvereční se stranou 1 cm) existuje více než 10 miliard tranzistorů. Po dokončení procesu depozice prochází procesorový systém řadou dalších procesů, jako je chemické trávení, následné pobídky, vložení kovové vrstvy atd. Tyto fáze jsou zaměřeny na úpravu a optimalizaci funkčnosti systému.
Integrace a testování, uděláme v Polsku
Po dokončení litografického procesu je čas na testování a fázi balení. Toto je klíčový proces, jehož cílem je zkontrolovat správnost a výkon každého jednotlivého systému a připravit jej na další použití. Je to tato fáze výroby, která se bude konat na polském oddělení Intel, která bude postavena poblíž Wrocław. Prvním krokem je vystavení procesoru řadu přísných testů, jejichž cílem je kontrola jeho funkčnosti, účinnosti a dodržování specifických specifikací. Testy se provádějí jak na úrovni jednotlivých komponent, tak na úrovni celého systému. Používají se pokročilá zařízení a testovací programy, které generují různé debetní scénáře a simulují různé pracovní podmínky procesoru. Testování zahrnuje kontrolu provozu jednotlivých tranzistorů, stability napětí, rychlosti provozu, spotřeby energie nebo komunikace s jinými komponenty systému.
Po testování je procesor podroben kvalitativnímu posouzení, které zahrnuje analýzu výsledků testů, jejich porovnání se zavedenými standardy a ověření dodržování očekávání. Pokud jsou detekovány vady nebo nedokonalosti, může být procesor opraven nebo odmítnut. Poté hotové procesory přejdou do fáze balení. Tento proces zahrnuje umístění integrovaného obvodu do speciálně navrženého pouzdra, které poskytuje ochranu před mechanickým poškozením, vlhkostí, prachem a dalšími vnějšími faktory. Bydlení také chrání procesor před elektrostatickými výbojemi, což může negativně ovlivnit jeho provoz.
V závislosti na typu procesoru a jeho účelu mohou mít bydlení různé formy, jako jsou keramické spojovací dlaždice (keramické obaly), plastové pouzdra (plastové obaly) nebo pouzdra BGA (pole míčové mřížky), ve kterých jsou připojení mezi procesorem a základní deskou implementovány pomocí pájecích míčků. Bydlení může také obsahovat různé další prvky, jako je kovové pouzdro (HAT), které usnadňují odstranění přebytečného tepla generovaného procesorem.
V poslední fázi jsou na vnější části pouzdra procesoru umístěna různá značka, jako je název výrobce, model procesoru, technické parametry, bezpečnostní symboly atd. Tato informace pomáhá při identifikaci procesoru a je důležitá jak pro výrobce, tak pro koncové uživatele. Fáze testování a integrace je nesmírně důležitá fáze výroby počítačových procesorů. Provedené testy se ujistěte, že každý procesor splňuje specifické standardy kvality a výkonu. Balení poskytuje ochranu a připravuje procesory pro další sestavení v počítačových systémech. Díky této fázi lze zajistit, že každý dokončený systém je funkční, spolehlivý a připraven k práci v různých prostředích.
Zdroje: Intel / Cvrlikání
