Jak powstają chipy o wielkości kilku nanometrów?

Jeszcze kilkanaście lat temu procesory produkowane w technologii 90 czy 65 nanometrów wydawały się szczytem możliwości. Dzisiaj najwięksi producenci, tacy jak AMD, Apple, NVIDIA, Qualcomm czy Intel, wykorzystują układy wykonywane w procesach 5, 3, a w najbliższych latach nawet 2 nanometrów. Dla większości osób brzmi to niemal niewiarygodnie. Jak można stworzyć coś tak małego? I co właściwie oznacza liczba kilku nanometrów?

Czy 3 nanometry oznaczają, że tranzystor ma 3 nm?

To jedno z największych nieporozumień.

Dawniej nazwa procesu technologicznego rzeczywiście była zbliżona do fizycznych wymiarów elementów tranzystora. Obecnie jest to głównie nazwa marketingowa określająca generację technologii. Oznacza to, że układ wykonany w procesie 3 nm nie posiada tranzystorów mających dokładnie 3 nanometry.

Mimo to skala pozostaje wręcz niewyobrażalna. Jeden nanometr to jedna miliardowa metra. Dla porównania ludzki włos ma około 70 000-100 000 nanometrów grubości. Oznacza to, że na szerokości jednego włosa zmieściłyby się dziesiątki tysięcy elementów znajdujących się we współczesnych procesorach.

Wszystko zaczyna się od piasku

Choć może wydawać się to zaskakujące, większość procesorów zaczyna swoje życie od… zwykłego piasku.

Piasek zawiera krzemionkę, z której uzyskuje się niezwykle czysty krzem. Jego czystość jest tak wysoka, że obecność nawet pojedynczych zanieczyszczeń mogłaby wpłynąć na działanie gotowego układu.

Z oczyszczonego krzemu powstają ogromne cylindryczne kryształy zwane monokryształami. Następnie są one cięte na cienkie płytki krzemowe, czyli wafle (wafery), które stają się podstawą dla setek, a czasem nawet tysięcy przyszłych procesorów.

Fabryki czystsze niż sale operacyjne

Produkcja nowoczesnych chipów odbywa się w specjalnych pomieszczeniach nazywanych clean roomami.

Powietrze jest tam nieustannie filtrowane, a pracownicy noszą szczelne kombinezony zakrywające całe ciało. Nie chodzi o ochronę człowieka, lecz procesora.

Zwykły pyłek kurzu może być wielokrotnie większy od elementów znajdujących się na chipie. Gdyby dostał się na powierzchnię wafla podczas produkcji, mógłby zniszczyć cały układ.

Fotolitografia. Najważniejszy etap produkcji

Najbardziej niezwykłym elementem produkcji jest fotolitografia.

Na powierzchnię wafla nakładana jest światłoczuła warstwa chemiczna zwana fotorezystem. Następnie niezwykle precyzyjne maszyny oświetlają ją światłem przechodzącym przez specjalne maski zawierające projekt procesora.

Tam, gdzie pada światło, zachodzą reakcje chemiczne umożliwiające dalszą obróbkę materiału. Dzięki temu możliwe jest tworzenie mikroskopijnych ścieżek oraz struktur tranzystorów.

Cały proces przypomina wykonywanie zdjęcia fotograficznego, tylko że zamiast obrazu powstaje elektroniczny układ składający się z miliardów elementów.

Światło, którego nie widzimy

Przy produkcji najnowocześniejszych układów wykorzystuje się technologię EUV (Extreme Ultraviolet Lithography).

Jest to światło ultrafioletowe o wyjątkowo krótkiej długości fali wynoszącej około 13,5 nanometra. Dzięki temu możliwe jest odwzorowanie niezwykle drobnych struktur na powierzchni krzemu.

Maszyny wykonujące ten proces należą do najbardziej skomplikowanych urządzeń, jakie stworzył człowiek.

Jedno urządzenie może ważyć ponad 180 ton, składać się z ponad 100 tysięcy części, kosztować nawet kilkaset milionów dolarów i wymagać transportu przy użyciu wielu samolotów oraz ciężarówek.

Budowanie tranzystorów warstwa po warstwie

Procesor nie powstaje jednorazowo.

Na powierzchnię wafla wielokrotnie nakładane są kolejne warstwy materiałów przewodzących, izolujących oraz półprzewodnikowych. Po każdym etapie wykonywane są kolejne procesy naświetlania, trawienia chemicznego, osadzania nowych materiałów i polerowania.

Cykl ten powtarza się nawet kilkaset razy.

Dopiero po zakończeniu wszystkich etapów powstaje gotowa struktura zawierająca miliardy tranzystorów połączonych niezwykle skomplikowaną siecią ścieżek.

Testowanie każdego układu

Po zakończeniu produkcji każdy chip przechodzi serię testów.

Nie wszystkie egzemplarze są idealne. Nawet niewielkie błędy mogą spowodować, że część rdzeni lub pamięci podręcznej nie działa poprawnie.

Z tego powodu producenci często wykorzystują tę samą konstrukcję do stworzenia kilku różnych modeli procesorów. Egzemplarz z niewielką wadą może po prostu mieć wyłączoną część rdzeni i zostać sprzedany jako tańszy model.

To właśnie dlatego procesory należące do jednej rodziny często różnią się liczbą rdzeni lub osiągami.

Dlaczego produkcja jest tak droga?

Budowa nowoczesnej fabryki półprzewodników kosztuje dziesiątki miliardów dolarów.

Same maszyny do litografii należą do najdroższych urządzeń przemysłowych na świecie. Do tego dochodzą koszty badań, projektowania układów, ogromne zużycie energii elektrycznej oraz bardzo restrykcyjna kontrola jakości.

W praktyce tylko kilka firm na świecie posiada odpowiednie technologie oraz środki finansowe pozwalające produkować najbardziej zaawansowane układy scalone.

Czy da się produkować jeszcze mniejsze chipy?

Tak, ale z każdym kolejnym krokiem staje się to coraz trudniejsze.

Inżynierowie zbliżają się do granic fizyki. Przy bardzo małych rozmiarach zaczynają pojawiać się zjawiska kwantowe, które utrudniają kontrolowanie przepływu elektronów.

Dlatego przyszłość rozwoju procesorów nie będzie polegała wyłącznie na zmniejszaniu tranzystorów. Coraz większą rolę odgrywają nowe konstrukcje tranzystorów, układy trójwymiarowe (3D), zaawansowane metody pakowania chipów oraz wyspecjalizowane akceleratory sztucznej inteligencji.

Mały świat w twoim pc

Patrząc na procesor, widzimy jedynie niewielki kawałek metalu i krzemu. W rzeczywistości jest to efekt jednego z najbardziej skomplikowanych procesów produkcyjnych w historii ludzkości. Oczyszczanie krzemu, fotolitografia wykorzystująca ekstremalny ultrafiolet, setki etapów obróbki oraz rygorystyczna kontrola jakości sprawiają, że współczesne chipy są prawdziwym cudem współczesnej inżynierii.

---

Źródło: wrzuc.info