¿Cómo se convierte la arena en silicio? Explicación de la fabricación de CPU

El mundo funciona con información, y la humanidad crea aproximadamente 2,5 millones de terabytes de datos por día. Sin embargo, todos estos datos son inútiles a menos que podamos procesarlos, por lo que, posiblemente, una de las cosas sin las que el mundo moderno no puede vivir son los procesadores.

Pero, ¿cómo se hace un procesador? ¿Por qué es una maravilla moderna? ¿Cómo puede un fabricante colocar miles de millones de transistores en un paquete tan pequeño? Profundicemos en cómo Intel, uno de los mayores fabricantes de chips a nivel mundial, crea una CPU a partir de arena.

Extracción de silicio de la arena

El ingrediente base de cualquier procesador, el silicio, se extrae de la arena del desierto. Este material se encuentra abundantemente en la corteza terrestre y consiste en alrededor de 25% a 50% de dióxido de silicio. Se procesa para separar el silicio de todos los demás materiales en la arena.

El procesamiento se repite varias veces hasta que el fabricante crea una muestra con una pureza del 99,9999 %. Luego, el silicio purificado se vierte para formar un lingote cilíndrico de grado electrónico. El diámetro del cilindro es de 300 mm y pesa alrededor de 100 kg.

Luego, el fabricante corta el lingote en obleas de 925 micrómetros de espesor. Luego, se pule hasta obtener un acabado suave como un espejo, eliminando todos los defectos e imperfecciones de su superficie. Estas obleas terminadas luego se envían a la planta de fabricación de semiconductores de Intel para su transformación de una losa de silicio en un cerebro de computadora de alta tecnología.

Carretera de la FOUP

Como los procesadores son piezas de alta precisión, su base de silicio puro no debe contaminarse antes, durante o después de la fabricación. Aquí es donde entran las cápsulas unificadas de apertura frontal (FOUP). Estas cápsulas automatizadas contienen 25 obleas a la vez, manteniéndolas seguras en un espacio ambientalmente controlado cuando se transportan las obleas entre máquinas.

Además, cada oblea puede viajar a través de los mismos pasos cientos de veces, a veces yendo de un extremo al otro del edificio. Todo el proceso está integrado dentro de las máquinas para que la FOUP sepa a dónde ir para cada paso.

Además, las FOUP viajan en monorraíles que cuelgan del techo, lo que les permite llevar la pieza más rápida y eficiente de un paso de fabricación a otro.

Fotolitografía

El proceso de fotolitografía utiliza una fotoprotección para imprimir patrones en la oblea de silicio. La fotoprotección es un material resistente y sensible a la luz similar al que se encuentra en las películas. Una vez que se aplica, la oblea se expone a la luz ultravioleta con una máscara del patrón del procesador.

La máscara asegura que solo se expongan los lugares que quieren procesar, dejando así soluble la fotoprotección en esa área. Una vez que el patrón está completamente impreso en la oblea de silicio, pasa por un baño químico para eliminar todo la fotoprotección expuesta, dejando un patrón de silicio desnudo que pasará por los próximos pasos en el proceso.

Implantación de iones

También conocido como dopaje, este proceso incorpora átomos de diferentes elementos para mejorar la conductividad. Una vez completada, se retira la capa fotorresistente inicial y se coloca una nueva para preparar la oblea para el siguiente paso.

Grabando

Después de otra ronda de fotolitografía, la oblea de silicio se dirige al grabado, donde comienzan a formarse los transistores del procesador. La fotoprotección se aplica a las áreas donde se desea que permanezca el silicio, mientras que las partes que deben eliminarse se graban químicamente.

El material restante se convierte lentamente en los canales de los transistores, donde los electrones fluyen de un punto a otro.

Deposición de materiales

Una vez que se han creado los canales, la oblea de silicio vuelve a la fotolitografía para agregar o eliminar capas fotorresistentes según sea necesario. Luego se procede a la deposición material. Varias capas de diferentes materiales, como dióxido de silicio, silicio policristalino, dieléctrico de alta k, diferentes Se agregan y graban aleaciones de metal y cobre para crear, finalizar y conectar los millones de transistores en el chip.

Planarización Mecánica Química

Cada capa del procesador se somete a una planarización mecánica química, también conocida como pulido, para eliminar el exceso de materiales. Una vez que se elimina la capa superior, se revela el patrón de cobre subyacente, lo que permite al fabricante crear más capas de cobre para conectar los diferentes transistores según sea necesario.

Aunque los procesadores parecen increíblemente delgados, por lo general tienen más de 30 capas de circuitos complejos. Esto le permite entregar la potencia de procesamiento requerida por las aplicaciones actuales.

Probar, rebanar y clasificar

Una oblea de silicio puede pasar por todos los procesos anteriores para crear un procesador. Una vez que la oblea de silicio completa ese viaje, comienza la prueba. Este proceso verifica la funcionalidad de cada pieza creada en la oblea, ya sea que funcione o no.

Una vez hecho esto, la oblea se corta en pedazos llamados dados. Luego se clasifica, donde los troqueles que funcionan avanzan hacia el empaque y los que fallan se descartan.

Convertir el troquel de silicio en un procesador

Este proceso, llamado empaque, transforma los troqueles en procesadores. Un sustrato, generalmente una placa de circuito impreso, y un disipador de calor se colocan en el troquel para formar la CPU que compra. El sustrato es donde el troquel se conecta físicamente a la placa base mientras que el disipador de calor interactúa con su Ventilador de refrigeración DC o PWM de la CPU.

Pruebas y Control de Calidad

Luego, los procesadores completos se prueban nuevamente, pero esta vez en cuanto a rendimiento, potencia y funcionalidad. Esta prueba determina que tipo de chip sera—si es bueno ser un Procesador i3, i5, i7 o i9. Luego, los procesadores se agrupan en consecuencia para el empaque minorista o se colocan en bandejas para su entrega a los fabricantes de computadoras.

Microscópicamente pequeño pero inmensamente complicado

Si bien los procesadores parecen simples desde el exterior, son inmensamente complicados. La fabricación del procesador lleva de dos meses y medio a tres meses de procesos 24/7. Y a pesar de la ingeniería de alta precisión detrás de estos chips, todavía no hay garantía de que obtendrán una oblea perfecta.

De hecho, los fabricantes de procesadores pueden perder entre el 20 % y el 70 % de las matrices en una oblea debido a imperfecciones, contaminantes y más. Este valor se ve afectado aún más por procesos de CPU cada vez más pequeños, con la chips más nuevos que van tan pequeños como 4nm.

Sin embargo, como establece la Ley de Moore, todavía podemos esperar que el rendimiento del procesador se duplique cada dos años hasta 2025. Hasta que los procesadores alcancen el techo fundamental del tamaño del átomo, todos estos procesos de fabricación deben hacer frente a los diseños para producir el chip que exigimos.

¿Qué es la Ley de Moore y sigue siendo relevante en 2022?

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