كيف يصبح الرمل سيليكون؟ شرح تصنيع وحدة المعالجة المركزية

يعمل العالم على المعلومات ، حيث تخلق البشرية ما يقدر بـ 2.5 مليون تيرابايت من البيانات يوميًا. ومع ذلك ، فإن كل هذه البيانات عديمة الفائدة ما لم نتمكن من معالجتها ، لذلك ، يمكن القول ، أن أحد الأشياء التي لا يستطيع العالم الحديث العيش بدونها هي المعالجات.

ولكن كيف يتم صنع المعالج؟ لماذا هي أعجوبة حديثة؟ كيف يمكن لمصنع أن يلائم مليارات الترانزستورات في مثل هذه الحزمة الصغيرة؟ دعنا نتعمق في كيفية قيام Intel ، أحد أكبر مصنعي الرقائق على مستوى العالم ، بإنشاء وحدة المعالجة المركزية من الرمال.

استخلاص السيليكون من الرمال

يتم استخلاص المكون الأساسي لأي معالج ، وهو السيليكون ، من رمال الصحراء. توجد هذه المادة بكثرة في قشرة الأرض وتتكون من 25٪ إلى 50٪ من ثاني أكسيد السيليكون. تتم معالجتها لفصل السيليكون عن جميع المواد الأخرى في الرمل.

تتكرر المعالجة عدة مرات حتى تنشئ الشركة المصنعة عينة نقية بنسبة 99.9999٪. يُسكب السيليكون المنقى بعد ذلك لتشكيل سبيكة إلكترونية أسطوانية. يبلغ قطر الأسطوانة 300 مم ويزن حوالي 100 كجم.

تقوم الشركة المصنعة بعد ذلك بتقطيع السبيكة إلى رقائق بسمك ٩٢٥ ميكرومتر. بعد ذلك ، يتم صقله للحصول على لمسة نهائية ناعمة كالمرآة ، ويزيل كل العيوب والعيوب على سطحه. يتم بعد ذلك شحن هذه الرقاقات الجاهزة إلى مصنع إنتل لتصنيع أشباه الموصلات من أجل تحويلها من لوح من السيليكون إلى عقل حاسوبي عالي التقنية.

الطريق السريع FOUP

نظرًا لأن المعالجات عبارة عن أجزاء عالية الدقة ، يجب ألا تتلوث قاعدة السيليكون النقي قبل التصنيع أو أثناءه أو بعده. هذا هو المكان الذي تأتي فيه الكبسولات الموحدة ذات الفتحة الأمامية (FOUPs). تحتوي هذه الكبسولات الآلية على 25 رقاقة في المرة الواحدة ، مما يجعلها آمنة ومأمونة في مكان يتم التحكم فيه بيئيًا عند نقل الرقائق بين الآلات.

علاوة على ذلك ، يمكن لكل رقاقة أن تنتقل عبر نفس الخطوات مئات المرات ، وأحيانًا تنتقل من أحد طرفي المبنى إلى الطرف الآخر. يتم تضمين العملية بأكملها داخل الآلات بحيث تعرف FOUP إلى أين تتجه لكل خطوة.

أيضًا ، تسافر FOUPs على خط أحادي معلق من السقف ، مما يسمح لها بأخذ الجزء الأسرع والأكثر كفاءة من خطوة تصنيع إلى أخرى.

الليثوغرافيا

تستخدم عملية الليثوغرافيا الضوئية مادة مقاومة للضوء لطبع الأنماط على رقاقة السيليكون. مقاوم الضوء هو مادة صلبة وحساسة للضوء تشبه ما تجده في الفيلم. بمجرد تطبيق ذلك ، تتعرض الرقاقة للضوء فوق البنفسجي بقناع نمط المعالج.

يضمن القناع تعرض الأماكن التي يريدون معالجتها فقط ، وبالتالي يترك مقاوم الضوء في تلك المنطقة قابل للذوبان. بمجرد طباعة النموذج بالكامل على رقاقة السيليكون ، فإنه يمر في حمام كيميائي لإزالة الكل مقاوم الضوء المكشوف ، تاركًا نمطًا من السيليكون العاري يمر عبر الخطوات التالية في معالجة.

زرع الأيونات

تُعرف هذه العملية أيضًا باسم المنشطات ، وهي تدمج الذرات من عناصر مختلفة لتحسين التوصيل. بمجرد الانتهاء ، تتم إزالة الطبقة المقاومة للضوء الأولية ، ويتم وضع طبقة جديدة في مكانها لتحضير الرقاقة للخطوة التالية.

النقش

بعد جولة أخرى من الليثوغرافيا الضوئية ، تتجه رقاقة السيليكون إلى النقش ، حيث تبدأ ترانزستورات المعالج في التكون. يتم تطبيق مقاوم الضوء على المناطق التي يريدون بقاء السيليكون فيها ، بينما يتم حفر الأجزاء التي يجب إزالتها كيميائيًا.

تتحول المادة المتبقية ببطء إلى قنوات الترانزستورات ، حيث تتدفق الإلكترونات من نقطة إلى أخرى.

ترسيب المواد

بمجرد إنشاء القنوات ، تعود رقاقة السيليكون إلى الليثوغرافيا الضوئية لإضافة أو إزالة طبقات مقاومة للضوء حسب الحاجة. ثم ينتقل إلى الترسيب المادي. طبقات مختلفة من مواد مختلفة ، مثل ثاني أكسيد السيليكون ، متعدد الكريستالات السيليكون ، عازل عالي k ، مختلف تتم إضافة السبائك المعدنية والنحاس وحفرها لإنشاء وإنهاء وربط ملايين الترانزستورات على رقاقة.

التخطيط الميكانيكي الكيميائي

تخضع كل طبقة معالج لتسوية ميكانيكية كيميائية ، تُعرف أيضًا باسم التلميع ، لقص المواد الزائدة. بمجرد إزالة الطبقة العليا ، يتم الكشف عن النمط النحاسي الأساسي ، مما يسمح للشركة المصنعة بإنشاء المزيد من الطبقات النحاسية لتوصيل الترانزستورات المختلفة حسب الحاجة.

على الرغم من أن المعالجات تبدو نحيفة بشكل مستحيل ، إلا أنها تحتوي عادةً على أكثر من 30 طبقة من الدوائر المعقدة. وهذا يسمح لها بتقديم قوة المعالجة التي تتطلبها تطبيقات اليوم.

الاختبار والتقطيع والفرز

يمكن أن تمر رقاقة السيليكون بجميع العمليات المذكورة أعلاه لإنشاء معالج. بمجرد أن تكمل رقاقة السيليكون تلك الرحلة ، تبدأ بعد ذلك في الاختبار. تتحقق هذه العملية من كل قطعة تم إنشاؤها على الرقاقة من أجل الوظيفة - سواء كانت تعمل أم لا.

بمجرد الانتهاء من ذلك ، يتم تقطيع الرقاقة إلى قطع تسمى يموت. ثم يتم فرزها ، حيث تنتقل قوالب العمل للأمام إلى التعبئة والتغليف ، ويتم التخلص من تلك التي تفشل.

تحويل قالب السيليكون إلى معالج

هذه العملية ، التي تسمى التعبئة والتغليف ، تحول القوالب إلى معالجات. يتم وضع الركيزة ، عادةً لوحة الدوائر المطبوعة ، وموزع الحرارة على القالب لتشكيل وحدة المعالجة المركزية التي تشتريها. الركيزة هي المكان الذي يتصل فيه القالب فعليًا باللوحة الأم بينما يتفاعل موزع الحرارة مع جهاز مروحة تبريد وحدة المعالجة المركزية DC أو PWM.

الاختبار ومراقبة الجودة

يتم بعد ذلك اختبار المعالجات المكتملة مرة أخرى ، ولكن هذه المرة للأداء والطاقة والوظائف. هذا الاختبار يحدد أي نوع من الرقاقة سيكون- سواء كان من الجيد أن تكون معالج i3 أو i5 أو i7 أو i9. ثم يتم تجميع المعالجات وفقًا لذلك لتعبئة التجزئة أو وضعها في صواني لتسليمها إلى الشركات المصنعة لأجهزة الكمبيوتر.

صغير مجهريًا ولكنه شديد التعقيد

بينما تبدو المعالجات بسيطة من الخارج ، إلا أنها معقدة للغاية. يستغرق تصنيع المعالجات من شهرين ونصف إلى ثلاثة أشهر من العمليات على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. وعلى الرغم من الهندسة عالية الدقة وراء هذه الرقائق ، فلا يوجد ضمان بأنها ستحصل على رقاقة مثالية.

في الواقع ، يمكن لصانعي المعالجات أن يخسروا ما بين 20٪ و 70٪ من يموتون على رقاقة بسبب العيوب والملوثات وغير ذلك. تتأثر هذه القيمة بشكل أكبر بعمليات وحدة المعالجة المركزية الصغيرة بشكل متزايد ، مع أحدث رقائق صغيرة تصل إلى 4 نانومتر.

ومع ذلك ، كما ينص قانون مور ، لا يزال بإمكاننا توقع أن يتضاعف أداء المعالج كل عامين حتى عام 2025. حتى تصل المعالجات إلى السقف الأساسي لحجم الذرة ، يجب أن تتوافق جميع عمليات التصنيع هذه مع التصميمات لإنتاج الشريحة التي نطلبها.

ما هو قانون مور وهل لا يزال ساريًا في عام 2022؟

اقرأ التالي