Comment le sable devient-il du silicium? Fabrication de CPU expliquée

Le monde fonctionne sur l'information, l'humanité créant environ 2,5 millions de téraoctets de données par jour. Cependant, toutes ces données sont inutiles à moins que nous puissions les traiter, donc, sans doute, l'une des choses sans lesquelles le monde moderne ne peut pas vivre, ce sont les processeurs.

Mais comment est fabriqué un processeur? Pourquoi est-ce une merveille moderne? Comment un fabricant peut-il intégrer des milliards de transistors dans un si petit boîtier? Plongeons-nous dans la façon dont Intel, l'un des plus grands fabricants de puces au monde, crée un processeur à partir de sable.

Extraire le silicium du sable

L'ingrédient de base de tout processeur, le silicium, est extrait du sable du désert. Ce matériau se trouve en abondance dans la croûte terrestre et se compose d'environ 25% à 50% de dioxyde de silicium. Il est traité pour séparer le silicium de tous les autres matériaux du sable.

Le traitement se répète plusieurs fois jusqu'à ce que le fabricant crée un échantillon pur à 99,9999 %. Le silicium purifié est ensuite coulé pour former un lingot cylindrique de qualité électronique. Le diamètre du cylindre est de 300 mm et pèse environ 100 kg.

Le fabricant découpe ensuite le lingot en tranches de 925 micromètres d'épaisseur. Ensuite, il est poli pour obtenir une finition lisse comme un miroir, éliminant tous les défauts et imperfections sur sa surface. Ces tranches finies sont ensuite expédiées à l'usine de fabrication de semi-conducteurs d'Intel pour être transformées d'une plaque de silicium en un cerveau informatique de haute technologie.

L'autoroute FOUP

Les processeurs étant des pièces de haute précision, leur base en silicium pur ne doit pas être contaminée avant, pendant ou après la fabrication. C'est là qu'interviennent les pods unifiés à ouverture frontale (FOUP). Ces pods automatisés contiennent 25 wafers à la fois, les gardant en sécurité dans un espace à environnement contrôlé lors du transport des wafers entre les machines.

De plus, chaque plaquette peut parcourir les mêmes étapes des centaines de fois, allant parfois d'un bout à l'autre du bâtiment. L'ensemble du processus est intégré dans les machines afin que le FOUP sache où aller pour chaque étape.

De plus, les FOUP se déplacent sur des monorails suspendus au plafond, ce qui leur permet de transporter la pièce la plus rapide et la plus efficace d'une étape de fabrication à l'autre.

Photolithographie

Le processus de photolithographie utilise un photorésist pour imprimer des motifs sur la tranche de silicium. La résine photosensible est un matériau résistant et sensible à la lumière similaire à ce que vous trouvez sur le film. Une fois cela appliqué, la plaquette est exposée à la lumière ultraviolette avec un masque du motif du processeur.

Le masque garantit que seuls les endroits qu'ils souhaitent traiter sont exposés, laissant ainsi la résine photosensible dans cette zone soluble. Une fois que le motif est entièrement imprimé sur la plaquette de silicium, il passe dans un bain chimique pour éliminer tout la résine photosensible exposée, laissant un motif de silicium nu qui passera par les prochaines étapes de la traiter.

Implantation ionique

Également connu sous le nom de dopage, ce processus intègre des atomes de différents éléments pour améliorer la conductivité. Une fois terminée, la couche de résine photosensible initiale est retirée et une nouvelle est mise en place pour préparer la plaquette pour l'étape suivante.

Gravure

Après un autre cycle de photolithographie, la plaquette de silicium passe à la gravure, où les transistors du processeur commencent à se former. La résine photosensible est appliquée sur les zones où ils veulent que le silicium reste, tandis que les parties qui doivent être retirées sont gravées chimiquement.

Le matériau restant devient lentement les canaux des transistors, où les électrons circulent d'un point à un autre.

Dépôt de matière

Une fois les canaux créés, la plaquette de silicium retourne à la photolithographie pour ajouter ou supprimer des couches de résine photosensible selon les besoins. Il procède ensuite au dépôt de matière. Diverses couches de différents matériaux, comme le dioxyde de silicium, le silicium polycristallin, le diélectrique à k élevé, différents des alliages métalliques et du cuivre sont ajoutés et gravés pour créer, finaliser et connecter les millions de transistors sur le ébrécher.

Planarisation mécano-chimique

Chaque couche de processeur subit une planarisation mécano-chimique, également connue sous le nom de polissage, pour éliminer les matériaux en excès. Une fois la couche supérieure retirée, le motif de cuivre sous-jacent est révélé, permettant au fabricant de créer plus de couches de cuivre pour connecter les différents transistors selon les besoins.

Bien que les processeurs semblent incroyablement minces, ils comportent généralement plus de 30 couches de circuits complexes. Cela lui permet de fournir la puissance de traitement requise par les applications d'aujourd'hui.

Tester, trancher et trier

Une plaquette de silicium peut passer par tous les processus ci-dessus pour créer un processeur. Une fois que la plaquette de silicium a terminé ce voyage, elle commence alors les tests. Ce processus vérifie la fonctionnalité de chaque pièce créée sur la plaquette, qu'elle fonctionne ou non.

Une fois cela fait, la plaquette est ensuite découpée en morceaux appelés matrice. Il est ensuite trié, où les matrices qui fonctionnent passent à l'emballage et celles qui échouent sont jetées.

Transformer la puce en silicium en processeur

Ce processus, appelé emballage, transforme les matrices en processeurs. Un substrat, généralement une carte de circuit imprimé, et un dissipateur de chaleur sont placés sur la matrice pour former le processeur que vous achetez. Le substrat est l'endroit où la matrice se connecte physiquement à la carte mère tandis que le dissipateur de chaleur s'interface avec votre Ventilateur de refroidissement DC ou PWM du CPU.

Essais et contrôle de la qualité

Les processeurs terminés sont ensuite testés à nouveau, mais cette fois pour les performances, la puissance et les fonctionnalités. Ce test détermine quel genre de puce ce sera- qu'il soit bon d'être un Processeur i3, i5, i7 ou i9. Les processeurs sont ensuite regroupés en conséquence pour les emballages de vente au détail ou placés dans des plateaux pour la livraison aux fabricants d'ordinateurs.

Microscopiquement petit mais immensément compliqué

Alors que les processeurs semblent simples de l'extérieur, ils sont extrêmement compliqués. La fabrication des processeurs prend deux mois et demi à trois mois de processus 24h/24 et 7j/7. Et malgré l'ingénierie très précise derrière ces puces, il n'y a toujours aucune garantie qu'elles obtiendront une plaquette parfaite.

En fait, les fabricants de processeurs peuvent perdre entre 20 % et 70 % des puces sur une plaquette en raison d'imperfections, de contaminants, etc. Cette valeur est en outre impactée par des processus CPU de plus en plus petits, avec le les puces les plus récentes allant jusqu'à 4 nm.

Cependant, comme l'indique la loi de Moore, nous pouvons toujours nous attendre à ce que les performances du processeur doublent tous les deux ans jusqu'en 2025. Jusqu'à ce que les processeurs atteignent le plafond fondamental de la taille des atomes, tous ces processus de fabrication doivent faire face aux conceptions pour produire la puce que nous exigeons.

Qu'est-ce que la loi de Moore et est-elle toujours pertinente en 2022 ?

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