Od peska do procesorja

Sodoben procesor je, verjeti ali ne, eden izmed najkompleksnejših izdelkov na svetu. Verjetno se sprašujete, kaj je tako kompleksnega v tem kosu kovine. To bomo spoznali v nadaljevanju članka, saj si bomo ogledali celoten postopek izdelave procesorja.

Tovarna procesorjev

Ko proizvajalec procesorjev postavi novo tovarno, ki temelji na najnovejši tehnologiji, ima štiri leta časa, da si povrne investicijo (več kot preračunanih 3,8 milijarde evrov) in prične ustvarjati dobiček. Če naredimo enostaven izračun, mora taka tovarna na uro proizvesti vsaj 100 procesorjev.

V grobem se celoten proces izdelave procesorjev prične s pripravo silicijevega valja iz kremenovega oziroma kvarčnega peska. Nato sledi hlajenje valja in rezanje rezin. Vsaka rezina se z izjemno natančnostjo spolira, šele nato se na njej z uporabo fotolitografije in jedkanja izdela mikrovezje. Po ponovnem čiščenju rezine zaposleni v tovarni z uporabo mikroskopa preverijo kakovost izdelave končnih sredic. Te se nato vgradijo v končen izdelek oziroma procesor.

V nadaljevanju si podrobneje poglejmo vsak korak, ki je potreben za izdelavo procesorjev.

Silicijev valj

Osnova vsakega procesorja je silicijeva rezina, ki jo izrežejo iz silicijevega valja. Za izdelavo valja se uporablja kremenov oziroma kvarčni pesek, saj vsebuje visok odstotek silicija. Pred izdelavo silicijevega valja morajo najprej pridobiti silicij s kar 99.9999-odstotno čistostjo. To pomeni, da je lahko na milijardo atomov silicija prisoten zgolj en atom tujega elementa.

Izjemno čist silicij nato stopijo in oblikujejo valj, ki se bo v nadaljevanju procesa uporabljal kot osnova za izdelavo procesorskih sredic. Valj za sodobne procesorje se ponaša s premerom 300 milimetrov in težo dobrih 100 kilogramov. S tem imajo proizvajalci procesorjev nižje stroške.

Rezanje in poliranje

Silicijev valj nato razrežejo na zelo tanke rezine. Vsako rezino natančno spolirajo, in sicer na način, da pridobijo brezhibno ravno površino, ki spominja na ogledalo. Kot zanimivost naj tu dodamo, da podjetje Intel silicijevih rezin ne proizvaja samo, ampak jih kupuje.

Celoten nadaljnji postopek izdelave procesorjev obsega več kot 300 različnih korakov, pri čemer je več kot 20 slojev sestavljenih iz kompleksnih tridimenzionalnih struktur. Mi bomo zato v nadaljevanju predstavili le tiste korake, ki so najpomembnejši pri izdelavi procesorja.

Nanos, jedkanje in fotolitografija

Na silicijevo rezino, ki se vrti z izjemno visoko hitrostjo, nanesejo zelo tanko plast fotoobčutljive snovi. Ta mora biti enakomerno razporejena čez celotno površino rezine. Nato nad silicijevo rezino postavijo model oziroma šablono z vzorcem prvega nivoja procesorja in skoznjo spustijo ultravijolične žarke. Na tiste dele, kamor svetloba posveti, postane fotoobčutljiv material topen. Tega razgradijo z uporabo namenskega topila. Okoliški material pa odstranijo z jedkanjem s kemikalijami. Po jedkanju odstranijo tudi fotoobčutljiv material in različne oblike tiskanine postanejo vidne.

Priprava tranzistorjev in povezav

Graviranje prve plasti se začne z vzorcem, ki ga vtisnejo s fotolitografijo, nato pa nanose dodajajo ali jedkajo po celotni površini rezine, kar pomeni, da čip dobesedno raste v višino. Najpomembnejša komponenta procesorja je seveda tranzistor. Material zanj dodajajo s postopkom imenovanim spuščanje ionov. Pri tem koraku se ionski delci nanašajo na silicijevo plast in ji ob tem spreminjajo kemično lastnost. Na ta način nastane osnova za tranzistor. Postopek zaključijo tako, da nad tranzistorjem izjedkajo tri luknje. Te tri luknje nato napolnijo z bakrom ali drugimi materiali, ki opravljajo funkcijo povezovanja. Rezine v tej fazi namočijo še v raztopino bakrenega sulfata. Bakreni ioni se odlagajo na tranzistor v procesu imenovanem elektrodepozicij. Tu ti potujejo od pozitivne anode (nanašalnik) do negativne katode, ki je rezina. Na površju rezine na ta način bakreni ioni ustvarijo plast bakra.

Ko so tranzistorji pripravljeni, se prične njihovo povezovanje s tankimi žičkami. Razporeditev teh žičk narekuje arhitektura procesorja. Te »žičke« gredo pri procesorju Intel Core i7 tudi do 20 nivojev v višino. Če bi procesorsko sredico opazovali pod mikroskopom, bi dejansko videli mrežo povezav in tranzistorjev, ki izgledajo kot futurističen in večplasten avtocestni križ.

Preizkušanje

Ko so procesorske sredice izdelane, nastopi čas preizkušanja. Za to se uporablja namenska naprava z velikim številom tankih nožic. Te se dotaknejo površine procesorske sredice in izvede se električno preizkušanje jedra na način, kot da bi ga uporabljal končni kupec. Test se dejansko izvede z merjenjem električne napetosti na vnaprej določenih delih jedra z vnaprej izdelanim testnim vzorcem. Preizkus se opravi za vsako sredico posebej. Po končanem preizkušanju namensko rezilo rezino razreže na posamezne procesorske sredice in seveda izloči tiste, ki testa niso prestale.

Pakiranje

Da bi lahko računalničarji koristili računsko moč sredic, jih mora proizvajalec »zapakirati« v ohišje. Končni procesor je tako sestavljen iz zelenega substrata ali osnove, ki predstavlja električni in mehanski vmesnik za procesorsko sredico in omogoča povezavo z drugimi deli računalnika. Spodnja plast (nožice) je z namenom zagotavljanja boljše prevodnosti prevlečena z zlatom, medtem ko je gornja plast kovinska. Ta deluje kot razpršilnik toplote in omogoča, da nanjo namestimo hladilno telo. Medtem ko so nekateri procesorji izdelani iz ene procesorske sredice, so drugi (npr. Intel Core i5) sestavljeni iz dveh ali več.

Zadnji preizkus in dostava trgovinam

Preden se procesor znajde na prodajnih policah trgovin, ga proizvajalec preizkusi še v posebni napravi, ki preizkuša glavne karakteristike procesorja, kot so poraba električne energije, najvišja frekvenca delovanja, zmogljivost in podobno. Na podlagi teh rezultatov se proizvajalec odloči, pod katerim modelom se bo procesor prodajal. Tisti procesorji, ki se izkažejo najbolje, se kakopak tržijo kot najdražji modeli, slabše delujočim pa znižajo frekvenco in jih prodajo po nižji ceni. Procesorje nato skupaj s hladilnimi telesi vstavijo v lične škatle in jih pošljejo na prodajne police trgovin.

Ali ste še vedno mnenja, da so cene procesorjev previsoke?