Jak se vyrábí Procesory (CPU)

Na světě je okolo 1.5 miliardy počítačů v každém z nich je procesor, ale málo kdo ví jak se takový procesor vyrábí. Samotná výroba je dosti zajímavá, poměrně složitá a celkem dost nákladná. Výroba takového procesoru by se dala nazvat alchymií. 😀

1) Písek

Vše vzniká z křemičitého písku, který obsahuje 25% křemíku. Křemík je druhý nejhojnější chemický prvek na světě, před ním je kyslík. Písek se používá především křemičitý, protože obsahuje vysoké procento křemíku v podobě oxidu křemičitého (SiO2) ten je základní složkou pro výrobu polovodičů.

2) Čištění a růst

Z písku se oddělí čistý křemík, přebytečný materiál je odstraněn a křemík se čistí v několika krocích dokud nedosáhne kvality pro výrobu polovodičů, která se nazývá: Elektronická třída křemíku. Zde je obsaženo 99,9999% křemíku. Tudíž výsledná čistota je tak velké, že smí obsahovat pouze jeden cizí atom na pro každou jednu miliardu atomů křemíku. Po vyčištění vstupuje křemík do fáze tavení. Na tomto obrázku můžete vidět jak se vytváří jeden velký křemíkový krystal. Vzniklý monokrystal se nazývá ingot. Jeden takový ingot váží zhruba 100 Kg a je v něm obsažen již jen křemík s čistotou 99,9999%.

 

 

 

2) Velký ingot

Mono-krystalový ingot se vyrábí z elektronické třídy křemíku, váží okolo 100 kg to je přibližně 220 liber. A obsahuje křemík s čistotou 99,9999%.

 

4) Krájení ingotu

Ingot se přesunul na fázi řezání, kde jsou jednotlivé křemíkové disky, zvané destičky (Wafery) řezány tenké plátky. Některé ingoty jsou vyšší jak 5 metrů. Průměry ingotů jsou různé v závislosti na velikosti destiček. Dnes se běžně používají 30 nm a 22 nm wafery.

5) Leštění destičky 

Jakmile jsou destičky rozřezané tak budou leštěny dokud nebudou mít bezchybný zrcadlový povrch. Intel nevyrábí vlastní destičky, ale kupuje je. Intel používá pro pokročilé 45 nm High-K/Metal Gate procesy destičky o průměru 300 mm nebo 12 palců). Když Intel začala vyrábět čipy do plošných spojů tak používal 50 mm (2 palcové) destičky. V těchto dnech, Intel používá 300 mm destičky, což vede k snížení nákladů na čipy.

 

 

6) Aplikace ochrany proti světlu

Modrá kapalina, která se používá pro zvýšení odolnosti proti působícímu světlu. Často se používá na film při fotografování. V průběhu tohoto kroku se destička točí, aby kapalina na něj byla nanesena rovnoměrně.

7) Expozice UV světlem

V této fázi je světlu odolný povrch vystaven ultrafialovému (UV) záření a tím vznikne chemická reakce jako u fotoaparátu při stisknutí spouště. Destička není ozářena celá, ale jen určitá část. Tohoto se docílí pomocí šablony. Oblasti vystavené UV záření se rozpustí, ostatní na destičce zůstanou. Tímto vytváří podobu budoucích obvodů. Proces výstavby CPU opakuje tento proces znovu a znovu dokud nebude více vrstev na sobě. Čočka (uprostřed) zmenšuje obraz masky na malý záchytný bod. Výsledný „tisk“ na destičku je typicky čtyřikrát menší, než vzor obvodu.

 

 

8 ) Větší odhalení

Na obrázku vidíte, jak by vypadal tranzistor, kdybychom ho mohli vidět pouhým okem. Tranzistor se chová jako přepínač, ovládá tok elektrického proudu v počítačovém čipu. Vědci z Intelu vyvinuli tranzistory tak malé, že se zhruba 30 milionů těchto tranzistorů vejde na špičku jehly.

 

 

9) Smývání ochrany proti světlu

Poté co byla destička vystavena UV záření tak se oblast vystavená UV světlu zcela rozpustila. Toto znázorňuje obrázek. Počátky tranzistorů, spojů a elektrických kontaktů začíná růst do tohoto bodu.

 

 

10) Lept

Foto vrstva chrání  materiál destičky, který by neměl být vyleptán. Oblasti, které byly vystaveny UV záření budou vyleptány a odplaveny pryč s chemikáliemi.

 

 

11) Odstranění ochrany proti světlu

Po leptání je ochrana proti světlu odstraněna a je vidět výsledný tvar.

 

 

12) Opětovné nanášení ochranné vrstvy proti světlu

Další vrstva, která je odolná vůči světlu je nanesena a opětovně vystavena UV záření. Opět se opakuje krok 6 a 7. Další krok se nazývá iontový doping. To je krok, kde jsou iontové částice destičky vystaveny iontům, což změní chemické vlastnosti křemíku tak, že umožňuje CPU ovládat tok elektrické energie.

 

 

13) Iontový doping

Prostřednictvím procesu nazvaného iontová implementace (jedna z forem procesu zvaném doping) jsou exponované oblasti na křemíkové destičce bombardovány ionty. Ionty jsou implantovány v křemíkové destičce a změní způsob, jakým křemík v těchto oblastech vede elektřinu. Ionty jsou poháněny na povrchu destičky při velmi vysokých rychlostech. Elektrické pole urychluje ionty do rychlosti přes 300,000 km / h (zhruba 185.000 mph)

 

 

14) Opětovné odstranění ochranné vrstvy proti světlu

Po iontové implantaci, vrstva která chrání destičku před UV světlem bude odstraněna a materiál, který měl být dopován (zelená) má nyní implantované cizí atomy.

 

 

15) Tranzistor

Tento tranzistor je blízko dokončení. Tři otvory byly vyryté do izolační vrstvy (purpurová barva) nad tranzistorem. Tyto tři otvory budou naplněny mědí, která tvoří spojení s jinými tranzistory.

 

 

16) Galvanické pokovení destičky

V této fázi jsou destičky vloženy do roztoku síranu měďnatého. Měděné ionty jsou uloženy na tranzistoru prostřednictvím procesu nazvaného pokovení. Měděné ionty cestují z kladného pólu (anoda) k zápornému pólu (katoda), který je v tomto případě zastoupen destičkou.

 

 

 

17) Usazování iontů

Měděné ionty se usazují v tenké vrstvě na povrchu destiček.

 

 

 

18) Leštění přebytečného materiálu

Přebytečný materiál je leštěný, a zbyde jen trochu mědi.

19) Vrstvení

Jsou vytvořeny více kovové vrstvy, která (se stanou „myslím vodiče“) propojí jednotlivé tranzistory. Tyto spoje musí být „drátové“ ale jejich vzhled a rozvržení záleží na architektuře procesoru a designovém týmu, která rozvíjí jeho funkčnost (například Intel Core i7). Zatímco počítačové čipy jsou extrémně ploché, mohou mít ve skutečnosti více jak 20 vrstev, aby byly vytvořeny komplexní obvody. Pokud se podíváte na zvětšenou část čipu, uvidíte složitou síť linek a spojů tranzistoru, které vypadají jako futuristický, vícevrstvý dálniční systém.

 

 

 

20) Test řazení destičky

Tento zlomek připravené destičky se podrobí první funkční zkoušce. V této fázi jsou zkušební vzorky rozřazeny do jednotlivých čipů a do každého je přiveden proud a podrobí se sledování jejich „odpovědí“ a poté se tyto odpovědi porovnávají se „správnou odpovědí.“

 

21) Rozřezání destičky

Poté, co testy zjistit, že deska má dobrý výnos fungujících procesorových jednotek, jsou destičky rozřezané na kousky (tzv. zemře).

 

 

 

 

22) Dobrý, Špatný, Nebezpečný

Jednotlivé vzorky s kladnou odpovědí pokračují k balení, špatné vzorky jsou ignorovány.

 

 

23) Individuální smrt

Toto je individuální smrt, počet špatných vzorků omezil krok před krájením. Pokud bylo na destičce více špatných vzorků, destička byla vyřazena z výroby.

 

 

 

24) Balení CPU

Substrát, vzorek a heatspreader se dal dohromady a tvoří vyplněný procesor. Zelený podklad staví elektrická a mechanická rozhraní procesoru pro interakci se zbytkem PC systému. Stříbrná heatspreader je tepelné rozhraní, kde bude řečeno použití chlazení. To zajistí procesoru chladný běh.

25) Dokončení CPU

Mikroprocesor je nejsložitější vyrobený produkt na zemi. Ve skutečnosti to trvá stovky kroků a jen ty nejdůležitější byly vizualizovány do obrázkového příběhu.

 

 

 

26) Testování CPU

Během tohoto závěrečného testu budou procesory testovány na jejich základní charakteristiky (mezi testované vlastnosti se řadí ztrátový výkon a maximální frekvence).

 

 

26) Vyhazování CPU

Na základě výsledků testů jsou tříděny procesory se stejnými schopnostmi do stejných přepravních zásobníků. Tento proces se nazývá „vyhazování“. Vyhazování určuje maximální pracovní frekvenci procesoru, dávky jsou rozděleny a prodávány podle stabilní specifikace.

28) Balení do obchodu

Tyto procesory jsou vyráběny a testovány (opět je zde zobrazen Intel Core i7) buď jsou distribuovány výrobcům počítačů a v krabici jsou distribuovány do maloobchodních prodejen v celém světě.