Hành trình từ hạt cát 'đổi đời' thành vi xử lý CPU

Xem chủ đề cũ hơn Xem chủ đề mới hơn Go down

Hành trình từ hạt cát 'đổi đời' thành vi xử lý CPU

Bài gửi  HuynhHuuTai(I22A) on 25/3/2013, 16:33

Hẳn nhiều bạn đã từng thắc mắc không biết bộ vi xử lý (CPU) máy tính hoạt động nhờ cơ chế gì, và được chế tạo ra sao để có khả năng hoạt động kì diệu đến như thế? Trong khuôn khổ bài viết này, VZone không thể đưa hết tất cả các lý thuyết liên quan đến quá trình phức tạp này, nhưng mong rằng sẽ giúp các bạn hiểu thêm về nguyên lý hoạt động và quá trình sản xuất ra 1 bộ vi xử lý hoàn chỉnh từ nguyên liệu ban đầu là những hạt cát.

Quá trình này bắt đầu từ những hạt cát thô, được tinh chế thành Silicon tinh khiết, sản xuất thành các tấm đế bán dẫn, sau đó trải qua hàng trăm công đoạn phức tạp với quy trình khắt khe trước khi đến khâu hoàn thiện sản phẩm. Có thể nói quá trình sản xuất CPU là quá trình sản xuất phức tạp nhất trong mọi ngành công nghiệp.

Đầu tiên, người ta dùng phương pháp nung điện quang những hạt cát để có được silicon tinh khiết. Quá trình này tạo ra các thỏi silicon có độ tinh khiết tới 99.9999% và có đầy đủ các tính chất cần thiết để chế tạo transistor. Đây là hình ảnh silicon ở dạng nóng chảy được làm nguội và đúc thành các thỏi silicon:

Các thỏi Silicon (Silicon Ingot) này có đường kính 300mm, sẽ được cắt mỏng ra thành các tấm silicon mà chúng ta thường biết tới với cái tên là wafer. Các tấm wafer sau khi cắt ra phải trải qua quá trình mài nhẵn và đánh bóng để đạt được độ phẳng tuyệt đối. Sau đó chúng được chuyển sang quá trình tiếp theo để bắt đầu sản xuất transistor.

Từ đây bắt đầu quá trình sản xuất transistor, tấm wafer được phủ một lớp dung dịch gọi là 'chất cản quang' (Photo Resist), tấm wafer sẽ được quay đều để chất này có thể phủ kín lên khắp bề mặt:

Sau đó wafer sẽ được phơi sáng (exposure) trước các tia tử ngoại (UV). Khi tiếp xúc với lớp chất cản quang, các tia này gây ra phản ứng hóa học làm hòa tan chất cản quang để in hình ảnh của transisor lên wafer (gọi là in litho). Từ một khuôn được đục sẵn trước nội dung, tia tử ngoại chiếu qua khuôn này xuống bề mặt wafer. Để thu nhỏ kích thước hình ảnh, người ta dùng một thấu kính hội tụ (len).

'Zoom' lại gần hơn, chúng ta có thể thấy hình ảnh của 1 transistor đang được hình thành, mỗi transistor này có kích thước chỉ vài đến vài chục nanomet (1nm bằng 1 phần tỷ mét):

Sau quá trình in litho, tấm wafer được ngâm trong dung môi và acid ăn mòn để tạo nên các rãnh in mong muốn. Và đây là thành quả:

Tiếp theo người ta sẽ tráng chất cản quang một lần nữa lên những vùng cần thiết và bước sang quá trình cấy Ion. Dòng Ion được gia tốc tới vận tốc ánh sáng (300.000 km/h) sẽ bắn phá lên bề mặt wafer:

Quá trình này tạo nên 2 nửa điện cực của transistor, về cơ bản 1 transistor đã hình thành:

Sau đó chúng được tẩy rửa một lần nữa, được tráng một lớp mỏng chất cách điện và đục 3 lỗ nhỏ trên lớp cách điện này:

Tiếp theo tấm wafer được chuyển qua bước mạ điện phân, trong quá trình điện phân các nguyên tử đồng bám lên bề mặt wafer và 3 điện cực:

Sau đó đánh bóng lớp đồng vừa điện phân để có được 3 điện cực làm bằng đồng nguyên chất. Đến bước này chúng ta có một transistor hoàn chỉnh như sau:

Một câu hỏi được đặt ra là các transistor liên kết và phối hợp hoạt động như thế nào? Câu trả lời đơn giản là chúng sẽ được kết nối với nhau bằng một kiến trúc nhất định do các 'kiến trúc sư' của Intel đảm nhiệm. Đây là quá trình khó khăn và phức tạp nhất trong quy trình sản xuất. Bề mặt phẳng lỳ của CPU thật ra có tới vài chục tầng liên kết các transistor như một đô thị hiện đại, mỗi transistor là một ngôi nhà, các lớp kim loại siêu mỏng sẽ là con đường nối gắn kết các transistor lại với nhau. Mỗi đô thị như thế gọi là 1 tấm đế:

Hình ảnh mô phỏng kết nối phức tạp trong phạm vi 6 transistor

Sau quá trình này, con chip đã gần được hoàn thành và sẵn sàng đi vào công đoạn cuối cùng: Đóng gói thành phẩm. Máy cắt sẽ cắt nhỏ tấm wafer chứa đầy các đế ra thành từng phần riêng biệt:

Một thiết bị sẽ kiểm tra và phân loại các đế vừa cắt ra, loại bỏ các đế không có giá trị sử dụng:

Đây là một chiếc đế hoàn chỉnh, có kích thước chỉ bằng nhỉnh hơn 1 centimet nhưng chứa tới hàng triệu triệu transistor:

Chúng được đặt lên giữa tấm nền (tấm giao tiếp với mainboard) và tấm tản nhiệt ở phía trên (tấm có logo Intel):

Và cuối cùng là sản phẩm hoàn chỉnh:

Tuy nhiên, Intel sẽ không thể bán ngay những CPU này ra thị trường. Chúng còn phải trải qua một quá trình kiểm tra nghiêm khắc nữa. Các bạn đã theo dõi quá trình sản xuất CPU từ đầu cho đến giờ, hẳn bạn sẽ đặt ra câu hỏi các vì sao các CPU có xung nhịp và khả năng hoạt động khác nhau?!

Thật ra quá trình sản xuất đế có chung công nghệ là như nhau, mỗi CPU có cấu tạo nhân đế và số lượng transistor như nhau. Nhưng ra không chiếc đế nào cũng có khả năng hoạt động như nhau. Quá trình kiểm tra thực tế sẽ tìm ra khả năng hoạt động tốt nhất của các CPU, loại bỏ những CPU lỗi – hỏng và quyết định xem CPU đó có thể hoạt động tốt nhất ở điện áp – xung nhịp nào, từ đó được phân loại thành các sản phẩm khác nhau. Những CPU có khả năng hoạt động tốt nhất dĩ nhiên sẽ được phân loại trở thành sản phẩm mạnh và nhanh nhất, như chiếc CPU Intel Core I7 975 mạnh nhất thế giới hiện nay.

Trên đây chỉ là một số bước quan trọng trong quá trình sản xuất 1 CPU, còn rất nhiều các công đoạn nhỏ khác được thực hiện một cách tỉ mỉ ở trình độ công nghệ rất cao, trong một môi trường sạch tuyệt đối. Chính vì thế, từ những hạt cát vô giá trị ban đầu, các nhà sản xuất đã tạo ra những con chip CPU có giá từ vài chục USD cho tới hàng nghìn USD.

HuynhHuuTai(I22A)

Tổng số bài gửi : 31
Join date : 12/03/2013

Xem lý lịch thành viên

Về Đầu Trang Go down

Xem chủ đề cũ hơn Xem chủ đề mới hơn Về Đầu Trang


 
Permissions in this forum:
Bạn không có quyền trả lời bài viết