От песка до процессора: как производятся чипы
Процессор есть в каждом электронном устройстве и является центром его управления. В техническом плане это сложнейший производственный продукт. Читайте этот материал и узнавайте, как создаются центральные процессоры.
Как устроен процессор
Процессор выглядит как большая микросхема, которая состоит из множества компонентов. Эти компоненты называются транзисторы или дискретные переключатели. Они выполняют функцию включения-выключения и отвечают за поступление и блокировку электрического тока.
Транзисторы обеспечивают работу логических схем в двоичном режиме. Пуск электротока значит единица, а блокировка и отключение — ноль. Определенная последовательность этих двух чисел и образует цифровой материал: приложения, текстовые документы, фото-, видео- и аудиофайлы.
Размер транзисторов измеряется в нанометрах, что составляет миллиардную часть метра.
Аккуратное производство
Специалисты на заводах-изготовителях соблюдают строгие правила:
- Перед входом на производство тщательно моют руки и лицо.
- Не пользуются парфюмом или косметикой.
- Находятся на заводе только в специальном обмундировании (комбинезон, рабочая обувь, сетка для волос).
- На пороге помещения, где происходит изготовление чипов, обдуваются сильным потоком воздуха для обеспечения полнейшей стерильности.
Если в кремниевую заготовку попадет мельчайшая частица пыли, заготовка уже будет непригодна к работе. Поэтому даже воздух в цехах в несколько раз чище, чем в операционных. Он имеет класс чистоты 10, что означает содержание не более 10 частиц толщиной в пол микрона в 1 кубический метр воздуха.
Кроме того, в помещениях соблюдается полнейшая тишина. Услышать можно лишь небольшой гул и слабую вибрацию от работы оборудования. Это связано с тем, что с начальным производственным веществом, то есть диоксидом кремния, работать нужно предельно точно и осторожно. Кремний содержится в кварцевом песке и является неизменным базовым материалом вот уже много лет. Его атомное строение позволяет создавать микросхемы любой структуры.
Первым шагом является создание инготов, то есть в валков или слитков из очень чистого кремния. Для этого кварцевый песок нагревают до тех пор, пока он не начнет плавиться. В результате песок очищается и становится подходящим для нужд электроники. Предполагается, что на 10 миллиардов атомов кремния может быть только один чужеродный атом.
Из очищенного таким образом кремния извлекается монокристалл в виде колонны. Его разрезают алмазной пилой на тонкие слои (вафли), которые промывают, полируют и тщательно исследуют с помощью лазерной техники на предмет дефектов. После этого заготовки отправляются на производство.
Три шага до выпуска
В течение всего производственного процесса кремниевые пластины находятся в фупах. Это такие герметичные коробочки с классом чистоты равным единице, то есть 1 кубический метр воздуха в них содержит не более 1 частицы размером в половину микрона. На фабрике фупы перемещаются роботами: передвигаются по рельсовым дорожкам, которые доставляют кремниевые заготовки к производственным машинам. Дальше начинаются три важных этапа:
- Печать транзисторов. Сначала с помощью фотолитаграфии печатаются микросхемы. Задачей технологии является формирование картинки на кремниевой подложке по заданной топологии микросхемы.
- Связывание дискретных переключателей. Соединение микроэлементов выполняется в порядке, который заложен архитектурой каждого конкретного процессора. Как это сделано в той или иной модели ЦП знают только их производители. Также на этой стадии наносится токопроводящий слой, устанавливается фильтр и крепятся транзисторы.
- Тестирование и нарезка пластины. Этот этап заключительный. В рамках него проверяют на брак каждую пластину. Затем их разрезают на отдельные чипы в количестве 100–150 штук и закрывают крышкой. Это делается для того, чтобы защитить кристалл от внешнего воздействия.
Вместо заключения
Процесс изготовления чипов занимает много времени. Только монокристалл растет около двух месяцев. Затем заготовки транспортируются на заводе-чипмейкере: там будущий чип проводит еще месяца три.
То есть, чтобы создать только тестовую партию, требуется минимум полгода, а любой сбой на линии производства может вызвать простои. Поэтому создание чипов — трудоемкий и времязатратный процесс, а каждый запуск массового производства устройств нового поколения становится прорывом.
Полный текст статьи читайте на Компьютерра
