CPU được sản xuất như thế nào?

Chúng ta sử dụng máy tính hàng ngày và một bộ phận không thể thiếu đó là CPU, tuy nhiên đã bao giờ bạn thắc mắc CPU được tạo ra như thế nào không. Bài viết này sẽ giới thiệu cho các bạn quy trình Intel làm ra một CPU cho máy tính.

CPU có nguồn gốc từ cát

Cát được tạo ra từ 25% Silic, chỉ đứng sau Oxy, nó là nguyên tố hóa học phong phú thứ hai trong lớp vỏ trái đất. Cát, đặc biệt là thạch anh, có tỷ lệ Silic cao ở dạng silicon dioxide (SiO2) và là thành phần cơ bản cho công nghiệp sản xuất chất bán dẫn.

Tinh chế và phát triển

Sau khi mua cát thô và tách Silic, vật liệu dư thừa sẽ được xử lý và Silic được tinh chế theo nhiều bước để cuối cùng đạt được chất lượng sản xuất chất bán dẫn, được gọi là Silic điện tử. Độ tinh khiết sau khi tinh chế tuyệt đến mức Silic ở cấp độ điện tử chỉ có một nguyên tử lạ cho mỗi một tỷ nguyên tử Silic. Sau quá trình tinh chế, Intel thực hiện nóng chảy Silic. Kết quả cho ra một khối tinh thể đơn (mono-crystal).

Khối tinh thể đơn

Khối tinh thể đơn được sản xuất từ Silic ở cấp độ điện tử. Khối này nặng sấp xỉ 100 kg (hoặc 220 pound) và có độ tinh khiết đạt đến 99,9999%.

Cắt khối tinh thể đơn

Sau đó, khối tinh thể đơn này sẽ được đem đi cắt mỏng thành các đĩa bán dẫn hoặc gọi là tấm bán dẫn Silic (wafer). Một số khối sẽ được cắt với độ dày trên 5 feet vì kích thước đường kính khối khác nhau phụ thuộc vào kích thước tấm wafer yêu cầu. Ngày nay, các CPU thường được tạo từ các tấm wafer có đường kính 300mm.

Đánh bóng tấm wafer

Sau giai đoạn cắt, các tấm wafer này sẽ được đánh bóng cho đến khi chúng có bề mặt trơn nhẵn, mịn màng. Intel không tự sản xuất khối tinh thể và tấm wafer, họ sẽ mua từ các công ty khác. Quá trình 45 nm High-K/Metal Gate tiên tiến của Intel sử dụng tấm wafer với đường kính 300mm (hoặc 12 inch). Khi Intel lần đầu tiên sản xuất chip, họ đã in các mạch trên các tấm 50 mm (2 inch). Ngày nay, Intel sử dụng tấm bán dẫn 300 mm, việc này đã làm giảm chi phí sản xuất cho mỗi con chip.

Sử dụng chất cản quang (Photoresist)

Chất lỏng màu xanh như hình dưới là chất cản quang giống như chất được sử dụng trong film của máy ảnh. Ở bước này, các tấm wafer sẽ được quay để chất cản quang có thể phủ đều, mượt và mỏng lên đó.

Phơi sáng bằng tia cực tím

Ở giai đoạn này, lớp hoàn thiện chống cản quang sẽ được phơi sáng bằng tia cực tím (UV). Phản ứng hóa học kích hoạt bởi tia cực tím tương tự như những gì xảy ra với vật liệu film trong một máy ảnh ngay khi bạn bấm nút chụp.

Các vùng có chất cản quang trên tấm wafer đã được tiếp xúc với ánh sáng UV sẽ trở nên hòa tan. Intel sẽ sử dụng mặt nạ như các khuôn mẫu cùng với ánh sáng cực tím để tạo ra các mẫu mạch khác nhau trên tấm wafer. Việc tạo một CPU chủ yếu lặp lại quá trình này liên tục cho đến khi nhiều lớp được xếp chồng lên nhau.

Một ống kính (giữa) làm giảm hình ảnh của mặt nạ tới một tiêu điểm nhỏ. Kết quả "in" trên tấm wafer thường nhỏ hơn 4 lần so với mẫu của mặt nạ.

Thực hiện phơi sáng nhiều hơn

Hình ảnh dưới đây cho thấy một bóng bán dẫn (transistor) trông như thế nào khi nhìn bằng mắt thường. Bóng bán dẫn được coi là công tắc điện tử, kiểm soát dòng điện trong một chip máy tính. Các nhà nghiên cứu của Intel đã phát triển các bóng bán dẫn nhỏ đến nỗi họ cho rằng 30 triệu bóng bán dẫn có thể vừa trong một đầu của pin.

Rửa sạch chất cản quang

Sau khi tiếp xúc với tia cực tím, các vùng có chất cản quang màu xanh đã được phơi sáng sẽ được tẩy rửa hoàn toàn bằng dung môi. Điều này sẽ làm lộ ra các mô hình chất cản quang được thực hiện bởi mặt nạ.

Khắc

Lớp cản quang sẽ bảo vệ vật liệu bán dẫn không được làm sạch. Các khu vực bị phơi sáng sẽ được khắc bằng hóa chất.

Loại bỏ chất cản quang

Sau khi khắc, chất cản quang sẽ bị loại bỏ và bạn có thể nhìn thấy hình dạng mong muốn.

Sử dụng nhiều chất cản quang hơn

Ở giai đoạn này, Intel lại sử dụng nhiều chất cản quang hơn (màu xanh dương) và sau đó lại đem phơi sáng với tia cực tím. Sau đó chất cản quang được phơi sáng sẽ được rửa sạch trước khi chuyển sang bước tiếp theo. Đây là bước mà các hạt ion được tiếp xúc với nước, làm thay đổi tính chất hóa học của Silic để CPU kiểm soát dòng điện.

Ion Doping (Hóa khắc ion)

Thông qua một quá trình được gọi là cấy ion (một dạng của quá trình doping) các vùng phơi sáng của tấm Silic wafer được khắc với ion. Các ion được cấy vào tấm wafer sẽ làm thay đổi cách Silic trong những khu vực này dẫn điện. Ion được đẩy lên mặt bề mặt của wafer với vận tốc rất cao, một trường điện gia tốc các ion với tốc độ trên 300.000 km/giờ (khoảng 185.000 mph).

Rửa sạch chất cản quang

Sau khi cấy ion, chất cản quang sẽ được loại bỏ và vật liệu cần được khắc (xanh lá cây) bây giờ có các nguyên tử lạ được cấy vào.

Bóng bán dẫn

Bóng bán dẫn gần như sắp hoàn thành. Ba lỗ đã được khắc vào lớp cách điện (màu hồng sẫm) phía trên bóng bán dẫn. Ba lỗ này sẽ được đổ đầy bằng đồng, tạo thành các kết nối với bóng bán dẫn khác.

Kỹ thuật mạ điện wafer

Các tấm wafer được đưa vào dung dịch đồng sunfat ở giai đoạn này. Các ion đồng được lắng đọng vào bóng bán dẫn qua một quá trình gọi là mạ điện. Các ion đồng đi từ cực dương (anode) đến cực âm (cực âm).

Sắp xếp ion

Các ion đồng sẽ được sắp xếp thành một lớp mỏng trên bề mặt wafer.

Đánh bóng chất dư thừa

Các chất thừa được đánh bóng để lại một lớp đồng mỏng.

Tạo lớp

Nhiều lớp kim loại được tạo ra để kết nối giữa các bóng bán dẫn khác nhau. Nhóm thiết kế và xây dựng cấu trúc Intel xác định cách các kết nối này được nối với nhau theo chức năng của bộ vi xử lý tương ứng (ví dụ, bộ xử lý Core i7 của Intel). Mặc dù các chip máy tính trông cực kỳ phẳng nhưng chúng có thể chứa đến hơn 20 lớp để hình thành các mạch phức tạp. Nếu phòng to một chip, bạn sẽ thấy một mạng lưới phức tạp dây mạch và bóng bán dẫn trông giống như một hệ thống đường cao tốc đa tầng.

Kiểm tra tấm wafer

Một phần nhỏ này của tấm wafer hoàn thiện sẽ được đưa vào kiểm tra chức năng đầu tiên. Trong giai đoạn này, mẫu kiểm tra sẽ được đưa vào mỗi chip đơn và theo dõi, so sánh phản ứng từ mỗi chip.

Cắt wafer thành die

Sau khi kiểm tra xác định rằng wafer có hiệu suất tốt trong các thiết bị xử lý, nó sẽ được cắt thành từng mảng được gọi là die.

Kiểm tra các die

Các die phản ứng đúng với các mẫu khiển tra sẽ được chuyển sang bước tiếp theo (đóng gói), các die xấu sẽ bị loại bỏ.

Die

Đây là một die riêng biệt đã được cắt từ bước trước (cắt wafer). Die trong hình này thuộc một bộ vi xử lý Intel Core i7.

Đóng gói CPU

Các chất nền, die và bộ trao đổi nhiệt được kết hợp với nhau để tạo thành một bộ xử lý hoàn chỉnh. Các chất nền màu xanh lá cây tạo giao diện điện và cơ học cho bộ xử lý để tương tác với phần còn lại của hệ thống máy tính. Bộ trao đổi nhiệt màu bạc là một giao diện nhiệt, được sử dụng cho các giải pháp làm mát. Điều này sẽ làm cho bộ xử lý mát mẻ trong suốt quá trình hoạt động.

• 5 cách hạ nhiệt, làm mát, tản nhiệt laptop đơn giản, hiệu quả

Một CPU hoàn thiện

Bộ vi xử lý là sản phẩm được sản xuất phức tạp nhất. Trên thực tế, phải mất hàng trăm bước và ở đây chỉ đưa ra các bước quan trọng nhất.

Thử nghiệm CPU

Trong thử nghiệm cuối cùng này, bộ vi xử lý sẽ được kiểm tra các đặc điểm chính (trong số các đặc tính được kiểm tra là mức tiêu tán công suất và tần số tối đa).

Phân loại CPU

Dựa trên kết quả kiểm tra phân loại, các bộ xử lý có cùng khả năng sẽ được đưa vào cùng một khay vận chuyển. Quá trình này được gọi là binning (phân loại), chắc hẳn đã quá quen thuộc với độc giả phần cứng của Tom. Binning xác định công suất hoạt động tối đa của một bộ xử lý, được chia theo lô và bán theo các thông số kỹ thuật ổn định.

Phân phối CPU

Các bộ xử lý được sản xuất và thử nghiệm hoặc đi đến các nhà sản xuất hệ thống hoặc vào các cửa hàng bán lẻ.

Bạn có thể xem video này để hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất CPU.

Xem thêm:

• Tìm hiểu về cách làm việc của CPU
• Cách lựa chọn CPU laptop phù hợp nhu cầu (phần 1)
• CPU nào nhanh hơn: cũ nhưng “chất” hay “bình dân” nhưng mới?