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Dalla sabbia al silicio: ecco come nasce un processore Intel
Lunedì 20 Luglio 2009 08:00
La CPU è uno dei più complessi circuiti ad alta scala d'integrazione. Basti pensare che per la sua creazione sono necessarie centinaia di step. In questo articolo cercheremo di delineare, a grandissime linee ed in maniera esemplificata, il processo di creazione di una CPU Intel.
Il seguente articolo è una traduzione rielaborata personalmente (e con l'aggiunta di qualche ulteriore commento esplicativo) a partire dalla slide pubblicata da Intel sul suo sito e segnalata dall'utente Vt64 del forum di InformaticaEasy. In realtà la procedura è praticamente la medesima per qualunque moderna CPU prodotta da altre aziende, AMD inclusa.
Tutto ha inizio dalla comune sabbia, che contiene Silicio, il secondo elemento chimico più frequente presente al mondo (dopo l'ossigeno). Il Silicio è presente all'interno della sabbia nella forma del diossido di silicio (SIO2) ed è l'elemento di base per la costruzione di un semiconduttore, CPU incluse.
Il Silicio viene estratto dalla sabbia e purificato mediante una procedura che richiede diversi passaggi, fino a raggiungere la qualità ottimale per la realizzazione di un semiconduttore. Tale stadio del silicio è indicato con il nome Electronic Grade Silicon ed è talmente puro che contiene un atomo di impurità ogni milione di atomi di silicio. Nell'immagine riportata è possibile osservare un cristallo, denominato Lingotto, formato dalla fusione del silicio purificato. Un lingotto, composto da silicio "Electronic Grade Silicon", pesa circa 100 chili ed è formato da silicio puro al 99,9999%.
Il Lingotto è tagliato tramite appositi macchinari in sottili dischi in silicio che prendono il nome di Wafer. I "biscotti" vengono sottoposti ad un certosino processo di levigazione al termine del quale assumono una finitura lucida a specchio.
Intel acquista i wafer da terzi, dunque la vera e propria modellazione delle CPU a partire dai dischi di silicio avviene a partire dal prossimo step. Il processo produttivo a 45 nm di Intel "High-k Metal Gate" utilizza wafer aventi diametro pari a 300 millimetri. Inizialmente le prime CPU erano invece realizzate con circuiti stampati su wafer da 50mm. Un incremento del diametro dei dischi in silicio si traduce in una drastica diminuzione dei costi di produzione per ogni chip prodotto.
Inizia quindi il processo di litografia sul wafer. Si procede cospargendo su di esso una particolare sostanza simile al film fotoresistivo (in gergo Photo Resist). Il wafer viene fatto ruotare durante questa fase per far sì che su di esso venga steso un velo sottile ed uniforme di tale sostanza.
Il wafer così ricoperto viene esposto a raggi ultravioletti (UV). La reazione chimica che avviene è simile al processo che si innesca in una fotocamera appena si preme il pulsante dell'otturatore. L'esposizione agli UV avviene interponendo tra la sorgente luminosa ed il wafer una "maschera" che funziona da stampino, poichè crea i vari schemi di circuiti a seconda delle zone di luce ed ombra. Una lente interposta nel mezzo riduce l'immagine proiettata dalla maschera in modo da imprimere sul wafer un'immagine del circuito più piccola fino a quattro volte rispetto a quella presente sulla maschera.
Sebbene solitamente su un singolo wafer sono "costruite" centinaia di CPU, a partire da adesso focalizzeremo l'attenzione sul componente di base di ogni circuito integrato: il transistor. Questo componente funziona come uno switch, poichè controlla il flusso di corrente elettrica in un chip elettronico. I ricercatori Intel hanno sviluppato transistor così piccoli che 30 milioni di essi possono essere contenuti nella punta di uno spillo.
Segue una procedura di pulizia dello strato fotoresistivo, che viene rimosso con del solvente: a pulizia ultimata permangono sul wafer soltanto le tracce impresse dalla maschera tramite raggi UV.
Ciò che resta di tale materiale precedentemente "spalmato" serve a proteggere le parti del wafer che non devono essere incise. Il resto, ovvero le superfici del wafer "a nudo", verranno invece incise con sostanze chimiche (processo di Etching).
Dopo l'incisione, il materiale fotoresistivo è rimosso: a questo punto la forma desiderata del circuito diviene visibile.
A questo punto si procede applicando un nuovo strato di materiale fotoresistivo che serve a proteggere le aree del chip che non dovranno essere contaminate dagli ioni. Mediante un processo che prende il nome di Impiantazione Ionica (comunemente chiamata drogaggio, o doping), infatti, le aree esposte del wafer in silicio sono bombardate ad alta velocità con impurità chimiche chiamate ioni (accelerati da un campo elettrico a 300000 Km/h). La loro presenza all'interno del silicio serve ad alterale la conduttività elettrica di determinate aree.
Si rimuove quindi nuuovamente il materiale fotoresistivo. Nella foto seguente il materiale drogato è evidenziato in colore verde.
Il transistor è prossimo al suo completamento. A questo punto vengono praticati tre fori su un layer isolante (identificato in color magenta) sovrapposto al chip. Questi tre fori verranno riempiti con del rame (mediante galvanostegia) e ognuna di esse rappresenterà uno dei tre terminali del transistor (base, collettore, emettitore).
Il wafer è inserito in una soluzione in solfato di rame; gli ioni di rame sono depositati sul transistor mediante un processo denominato galvanostegia. Gli ioni viaggiano dal terminale positivo (anodo) a quello negativo (catodo) che è rappresentato dal wafer. Alla fine di tale processo, sulla superficie del wafer si deposita un sottile strato di rame.
Il materiale in eccesso viene ripulito: ecco i tre terminali del transistor ben in evidenza, isolati elettricamente dal materiale isolante precedentemente applicato.
Si realizza dunque l'interconnessione dei vari transistor mediante diversi "fili" (interconnessioni metalliche). La combinazione e disposizione delle diverse interconnessioni dipende in funzione dell'architettura della CPU progettata dagli sviluppatori a priori, a seconda delle funzionalità di cui si vuol dotare la CPU (ad esempio i modelli appartenenti alla famiglia Core i7).
Nonostante i chip per PC sembrino estremamente sottili, in realtà hanno almeno 20 livelli che formano una circuiteria decisamente complessa: osservando il chip con una lente di ingrandimento, è possibile notare una intricata rete di linee di circuiti e transistor che assomigliano a futuristiche autostrade multilivello.
La CPU è oramai pronta. O meglio, dovremmo parlare al plurale visto che ogni wafer ne contiene decine e decine. Il wafer è sottoposto ad un test preliminare che verifica la funzionalità dei vari chip, che dovranno fornire l'output atteso a partire da un input inviatogli.
A questo punto il wafer è ritagliato in piccole porzioni, chiamate die, ognuna delle quali coincide con il chip racchiuso nel package di ogni CPU. Il packaging, lo step successivo, interessa soltanto le CPU che hanno risposto correttamente al test precedentemente effettuato. Ecco il die di una CPU Intel Core i7, precedentemente ritagliato da un wafer cui apparteneva.
L'"impacchettamento" della CPU consiste nell'inserire il die tra un PCB inferiore (un sottostrato) ed un dissipatore di calore (lamina in alluminio superiore). Il PCB integra l'interfaccia elettrica e meccanica tra CPU e il resto del sistema (motherboard). La lamina in alluminio è invece denominata IHS (Integrated Heat Spreader) e su di essa viene installato il dissipatore per la CPU.
Ecco la CPU ultimata (nellla foto precedentemente inserita, una CPU Intel Core i7). Un microprocessore è il prodotto del processo di fabbricazione più complesso al mondo. Infatti, tale processo si compone di centinaia di fasi (in questo articolo sono state menzionate soltanto le più importanti) ed è necessario che lo sviluppo avvenga in un ambiente a temperatura, umidità e concentrazione molecolare dell'aria controllate (una fabbrica di CPU), nella quale gli "omini coniglio" governano le preziose macchine di precisione che consentono la realizzazione di ogni CPU.
Seguono dei test finali durante i quali la CPU viene testata relativamente alle sue caratteristiche chiave (dissipazione del calore e frequenza massima). A seconda dei differenti risultati di test, le CPU con le stesse capacità sono inserite in uno stesso tray di trasporto. Ecco che si inizia a parlare di batch (quello più fortunato in overclock, quello che scalda di più, ecc...).
La CPU viene infine inserita in una confezione di vendita (se destinata all'utente finale) oppure in confezioni meno "eleganti" se destinate agli assemblatori di computer (OEM) o, perchè no, ai fortunati recensori di prodotti Intel...
Commenti (9)
Ottimo articolo e ottima anche la traduzione,
penso che ci sia un errore qui: "(accelerati da un campo elettrico a 300000 Km/h)"
non dovrebbero essere 300000Km/s ?
Ciao
penso che ci sia un errore qui: "(accelerati da un campo elettrico a 300000 Km/h)"
non dovrebbero essere 300000Km/s ?
Ciao
1
luglio 20, 2009
No, sono chilometri all'ora. Se fossero chilometri al secondo credo supereresti anche la velocità della luce 
Secondo il PDF di Intel:
Paolo
Secondo il PDF di Intel:
Paolo
2
luglio 20, 2009
bello l'articolo grande, ma a intel quanto li costa produrre i processori? quanto sovraprezzo danno all'utente finale che lo compra impachettato?
Monk
Monk
3
luglio 20, 2009
Domanda interessante... a saperlo! Secondo me ogni chip Core i7 non supera i 30/50$ di costo per Intel. Ma anche molto meno...
4
luglio 20, 2009
e noi paghiamo 200€ per un cpu i7 
questo topic è il più bello.. senza parole!
questo topic è il più bello.. senza parole!
5
luglio 20, 2009
non posso che quotare florin, potremmo pagare le cpu sicuramente meno ma alla fine ci devono sempre guadagnare fior di soldi sopra 
Monk
Monk
6
luglio 29, 2009
penso ke quando guadagnino sulle cpu è sempre onesto ...leggendo quello ke fanno...l' uomo è grande!!!risparmiamo di più sulle caxxate e viva il progresso!!
topic stupendo!!
topic stupendo!!
7
luglio 30, 2009
"formano una circuiteria decisamente complessa: osservando il chip con una lente di ingrandimento [.....]"
Dubito seriamente che con una lente si riesca a vedere la circuiteria sia perche´ l`ingrandimento raggiungibile non e´sufficiente ma sopratutto perche` le piste sottostanti l'ultimo livello sono nasconte sotto strati di ossido e non "volanti" in aria come disegnato. Infatti i 20 e piu`livelli di metallizzazione si notano solo analizzando sezioni trasversali del chip.
comunque bell`articolo.
Dubito seriamente che con una lente si riesca a vedere la circuiteria sia perche´ l`ingrandimento raggiungibile non e´sufficiente ma sopratutto perche` le piste sottostanti l'ultimo livello sono nasconte sotto strati di ossido e non "volanti" in aria come disegnato. Infatti i 20 e piu`livelli di metallizzazione si notano solo analizzando sezioni trasversali del chip.
comunque bell`articolo.
8
luglio 21, 2010
Spesso si usa l'espressione "osservare con lente di ingrandimento" per intendere un'osservazione molto ravvicinata del fenomeno. Non solo prettamente "fotografico", come in questo caso. Scrivi commento
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