Výroba procesorů: Od písku k nanometru

Výroba integrovaných obvodů (CPU, GPU) probíhá v extrémně čistých prostorách, tzv. Cleanrooms, kde je vzduch až 1000x čistší než na operačním sále. Celý proces trvá přibližně 3 až 4 měsíce.

Základní surovinou je křemičitý písek (oxid křemičitý).

• Purifikace: Písek se taví a čistí, až vznikne elektronický křemík s čistotou 99,9999999 % (tzv. „devět devítek“).
• Tažení ingotu: Pomocí Czochralského metody se z taveniny vytáhne velký válcový krystal (ingot) o hmotnosti až 100 kg.
• Řezání (Slicing): Ingot se rozřeže pomocí diamantových pil na tenké disky zvané wafery (tloušťka cca 1 mm, průměr 300 mm).

—

Toto je nejdůležitější a nejopakovanější fáze výroby.

• Nanášení fotorezistu: Na wafer se nanese vrstva citlivá na světlo.
• Osvit (EUV): Přes masku (šablonu obvodu) se na wafer promítá extrémně ultrafialové záření (EUV). Tím se do fotorezistu „vykreslí“ schéma miliard tranzistorů.
• Leptání (Etching): Neosvětlený fotorezist se odstraní a odhalený křemík se odleptá pomocí chemikálií nebo plazmatu, čímž vzniká fyzická struktura čipu.

—

Samotný křemík je po vyleptání stále nevodivý.

• Iontová implantace: Do křemíku se pod vysokým napětím „střílejí“ ionty jiných prvků (bor, fosfor), čímž vznikají oblasti typu P a N, které tvoří P-N přechod.
• Vytváření propojení (Interconnects): Po vytvoření tranzistorů se na čip nanáší desítky vrstev měděných nebo hliníkových cest, které tranzistory vzájemně propojují. Tyto cesty jsou mnohem tenčí než lidský vlas.

—

Jakmile je wafer hotov, obsahuje stovky až tisíce jednotlivých procesorů.

• Sorting: Speciální jehly testují každý čip na waferu. Vadné čipy se označí.
• Řezání (Dicing): Wafer se rozřeže na jednotlivé kousky – tzv. dies.
• Pouzdření: Křemíkový čip (die) je příliš křehký. Proto se vloží do pouzdra s kontakty, které vidíme jako finální procesor do patice základní desky. Přidává se také Heat Spreader (kovový kryt pro odvod tepla).

—

Ne všechny čipy z jednoho waferu jsou identické. Kvůli mikroskopickým nečistotám mají některé čipy vyšší úniky proudu nebo nezvládají vysoké frekvence.

• Špičkové kusy se prodávají jako Core i9 / Ryzen 9.
• Kusy s drobnou vadou v jádrech jsou softwarově uzamčeny a prodávány jako nižší řady (i5 / Ryzen 5).
• Tímto procesem výrobci maximalizují výtěžnost (yield) z každého waferu.

Související články:

• Polovodiče a P-N přechod
• Tranzistor jako spínač
• Architektura CPU

Tagy: hw manufacturing silicon lithography cpu chip technology