La CPU del tuo computer ha iniziato la sua vita come un granello di sabbia. Lo so, sembra strano, ma tutto inizia con il tuo materiale da costruzione di castelli di sabbia preferito.
Il mondo gira sulle informazioni, con l’umanità che crea circa 2,5 milioni di terabyte di dati al giorno. Tuttavia, tutti questi dati sono inutili a meno che non possiamo elaborarli, quindi, probabilmente, una delle cose di cui il mondo moderno non può vivere senza sono i processori.
Ma come è fatto un processore? Perché è una meraviglia moderna? Come può un produttore inserire miliardi di transistor in un pacchetto così piccolo? Immergiamoci in profondità in come Intel, uno dei maggiori produttori di chip a livello globale, crea una CPU dalla sabbia.
Estrazione del silicio dalla sabbia
L’elaborazione si ripete più volte fino a quando il produttore crea un campione puro al 99,9999%. Il silicio purificato viene quindi versato per formare un lingotto cilindrico di grado elettronico. Il diametro del cilindro è di 300mm e pesa circa 100kg.
Il produttore quindi taglia il lingotto in wafer sottili 925 micrometri. Successivamente, viene lucidato con una finitura liscia a specchio, rimuovendo tutti i difetti e le imperfezioni sulla sua superficie. Questi wafer finiti vengono quindi spediti all’impianto di fabbricazione di semiconduttori di Intel per la trasformazione da una lastra di silicio in un cervello di computer ad alta tecnologia.
L’autostrada FOUP
Poiché i processori sono parti ad alta precisione, la loro base di silicio puro non deve essere contaminata prima, durante o dopo la produzione. È qui che entrano in gioco i pod unificati ad apertura frontale (FOUP). Questi pod automatizzati contengono 25 wafer alla volta, mantenendoli al sicuro in uno spazio controllato dall’ambiente durante il trasporto dei wafer tra le macchine.
Inoltre, ogni wafer può viaggiare attraverso gli stessi passaggi centinaia di volte, a volte andando da un’estremità all’altra dell’edificio. L’intero processo è incorporato all’interno delle macchine in modo che l’UFSP sappia dove andare per ogni passaggio.
Inoltre, i FOUP viaggiano su monorotaie appese al soffitto, consentendo loro di prendere la parte più veloce ed efficiente da una fase di produzione all’altra.
Fotolitografia
Il processo di fotolitografia utilizza un fotoresist per imprimere i modelli sul wafer di silicio. Photoresist è un materiale resistente e sensibile alla luce simile a quello che si trova su pellicola. Una volta applicato, il wafer viene esposto alla luce ultravioletta con una maschera del modello del processore.
La maschera assicura che solo i luoghi che vogliono elaborare siano esposti, lasciando così il fotoresistente in quell’area solubile. Una volta che il modello è completamente impresso sul wafer di silicio, passa attraverso un bagno chimico per rimuovere tutto il fotoresist esposto, lasciando un modello di silicio nudo che passerà attraverso le fasi successive del processo.
Impianto ionico
Conosciuto anche come doping, questo processo incorpora atomi da diversi elementi per migliorare la conduttività. Una volta completato, il livello di fotoresist iniziale viene rimosso e ne viene messo in atto uno nuovo per preparare il wafer per il passaggio successivo.
Acquaforte
Dopo un altro ciclo di fotolitografia, il wafer di silicio si dirige verso l’incisione, dove i transistor del processore iniziano a formarsi. Photoresist viene applicato alle aree in cui vogliono che il silicio rimanga, mentre le parti che devono essere rimosse sono incise chimicamente.
Il materiale rimanente diventa lentamente i canali dei transistor, dove gli elettroni fluiscono da un punto all’altro.
Deposizione di materiale
Una volta creati i canali, il wafer di silicio ritorna alla fotolitografia per aggiungere o rimuovere strati di fotoresistenza secondo necessità. Si procede quindi alla deposizione materiale. Vari strati di materiali diversi, come biossido di silicio, silicio policristallino, dielettrico ad alto k, diverse leghe metalliche e rame, vengono aggiunti e incisi per creare, finalizzare e collegare i milioni di transistor sul chip.
Planarizzazione Chimico-Meccanica
Ogni strato di processore subisce una planarizzazione chimico-meccanica, nota anche come lucidatura, per tagliare i materiali in eccesso. Una volta rimosso lo strato più alto, viene rivelato il modello di rame sottostante, consentendo al produttore di creare più strati di rame per collegare i diversi transistor come richiesto.
Sebbene i processori sembrino incredibilmente sottili, di solito hanno più di 30 strati di circuiti complessi. Ciò consente di fornire la potenza di elaborazione richiesta dalle applicazioni odierne.
Test, affettamento e smistamento
Un wafer di silicio può passare attraverso tutti i processi di cui sopra per creare un processore. Una volta che il wafer di silicio completa quel viaggio, inizia il test. Questo processo controlla la funzionalità di ogni pezzo creato sul wafer, indipendentemente dal fatto che funzioni o meno.
Una volta fatto, il wafer viene poi tagliato a pezzi chiamato dado. Viene quindi smistato, dove gli stampi che funzionano passano al confezionamento e quelli che falliscono vengono scartati.
Trasformare il silicon die in un processore
Questo processo, chiamato packaging, trasforma gli stampi in processori. Un substrato, in genere un circuito stampato, e un diffusore di calore vengono messi sul dado per formare la CPU che acquisti. Il substrato è dove il die si collega fisicamente alla scheda madre mentre il diffusore di calore si interfaccia con la ventola di raffreddamento DC o PWM della CPU.
Collaudo e Controllo Qualità
I processori completati vengono quindi testati di nuovo, ma questa volta per prestazioni, potenza e funzionalità. Questo test determina che tipo di chip sarà, se è bene essere un processore i3, i5, i7 o i9. I trasformatori vengono quindi raggruppati di conseguenza per l’imballaggio al dettaglio o collocati in vassoi per la consegna ai produttori di computer.
Microscopicamente piccolo ma immensamente complicato
Mentre i processori sembrano semplici dall’esterno, sono immensamente complicati. La produzione di processori richiede da due mesi e mezzo a tre mesi di processi 24 ore su 24, 7 giorni su 7. E nonostante l’ingegneria altamente precisa dietro questi chip, non c’è ancora alcuna garanzia che otterranno un wafer perfetto.
In effetti, i produttori di processori possono perdere da qualche parte tra il 20% e il 70% degli stampi su un wafer a causa di imperfezioni, contaminanti e altro ancora. Questo valore è ulteriormente influenzato da processi CPU sempre più piccoli, con i chip più recenti che diventano piccoli come 4nm.
Tuttavia, come afferma la legge di Moore, possiamo ancora aspettarci che le prestazioni del processore raddoppino ogni due anni fino al 2025. Fino a quando i processori non raggiungono il limite fondamentale delle dimensioni dell’atomo, tutti questi processi di produzione devono far fronte ai progetti per produrre il chip che richiediamo.
