Первые процессоры представляли собой уникальные части для компьютерных систем, предназначенных для решения одной или нескольких узкоспециализированных задач. Технический прогресс сделал процессоры недорогими, миниатюрными, взаимозаменяемыми и в сотни раз более быстрыми. На сегодняшний день собственные процессоры имеют многие автомобили, мобильные телефоны, промышленное оборудование и даже детские игрушки.

Производство процессора начинается с изготовления подложки – основания, на котором будут находиться транзисторы. Подложка состоит из кремния, это природный полупроводник, один из наиболее распространённых элементов на нашей планете – его много в обычном песке, особенно кварцевом. В качестве заменителя кремния иногда применяется германий – его ближайший «родственник». Впрочем, уже сейчас ведутся работы по исследованию и использованию соединений других элементов.

Очистка кремния – процесс сложный и точный: в миллиарде атомов сырья для микросхем допускается присутствие единственного атома другого элемента. Полученный чистый кремний расплавляют в специальной печи, а затем опускают в него вращающийся стержень, который наматывает на себя горячую массу. В результате получается длинный кристалл кремния массой почти 100 кг. Он имеет круглое сечение, поскольку получить квадратную заготовку, не содержащую дефектов, крайне сложно и до сих пор никому не удалось. Этот процесс занимает не менее одного дня, поскольку очень важно правильное расположение атомов.

Полученную заготовку нарезают на диски, как колбасу, мощные режущие станки. Из каждого такого диска сделают несколько сотен процессоров. Теперь подложки тщательно шлифуют и полируют, удаляя неровности размером до 2-3 нм, и наносят тонкий слой фотополимеров. Жёсткое ультрафиолетовое излучение воздействует на этот слой, проходя сквозь множество трафаретов и нанося на кремниевую подложку трёхмерные рисунки слоёв микрочипа. Размеры полученного изображения в несколько раз меньше размеров трафаретов. Слои могут состоять из различных материалов, учитывается их соединение микроскопическими проволочками на следующих этапах производства.

Обработанные ультрафиолетом участки пластины вымываются, полученный таким образом рисунок закрепляют.

Чтобы добиться нужных свойств электрической проводимости, свободные от фотополимеров участки подложки ионизируют – бомбардируют ионами. Для изменения свойств целого кристалла используется также легирование через диффузию. Затем полимер удаляется, транзисторы практически готовы, начинается изготовление их контактов. Для этого в слоях изоляции пробиваются отверстия, с помощью химической реакции заполняемые атомами меди. Транзисторы соединяются между собой на разных уровнях подложки. При большом увеличении пластины видны металлические проводники, разделённые атомами кремния или его аналогов.

На этом этапе процессоры проходят первую функциональную проверку на установках зондового контроля, однако все их составляющие тестируются на каждом шаге производства. На каждый транзистор подаётся ток, контроль работы полупроводника осуществляет автоматизированная система. Программное обеспечение проверяет функции каждого ядра. Затем кремниевая пластина с кристаллами разрезается на части тонкими режущими кругами. Бракованные кристаллы отсеивают, а годные заключают между подложкой и теплораспределительной крышкой, скрепляют особым клеем и проводят соединения между контактами и кристаллом. Наступает время окончательного тестирования. После проверки всех параметров и сортировки в готовые процессоры прошивается специальный микрокод для определения CPU.

Наконец, сошедшие с конвейера процессоры упаковываются в пластик или керамику для защиты от повреждений и покидают завод.

 

Интересные факты производства процессоров:

— «Силиконовая долина», расположенная в штате Калифорния, США, названа так из-за кремния – основного строительного элемента микрочипов.

— Процессоры имеют форму квадрата, потому что именно так можно наиболее эффективно использовать площадь подложки.

— Наличие множества ножек и контактов у процессора обусловлено необходимостью стабильной подачи на него электричества. Контакты способны пропускать ток силой до 100 А при достаточно низком напряжении. Для большей надёжности система питания процессора дублируется, к тому же часть ножек отведена под сигнальные линии.

— Дефектные кремниевые пластины, их остатки и испорченные микрочипы прежде считались мусором. Современные научные разработки позволяют их использовать для изготовления солнечных батарей.

— Белый защитный костюм, который носят все рабочие на производстве процессоров, называется «костюмом кролика». Впервые он был применён в 1973 году для поддержания абсолютной чистоты и защиты от пыли, которая может испортить заготовку микрочипа. Те же функции он выполняет и по сей день, став общепринятым стандартом.

— Кристаллы кремния для производства подложек имеют диаметр 300 мм.

— Человеческий волос приблизительно в 1000 раз толще одного транзистора процессора.

— Воздух в помещениях фабрик по производству микрочипов в 1000 раз чище, чем в операционной хирурга.

— Толщина кристалла процессора менее одного миллиметра, несмотря на это, в нём содержится более 20 уровней сложных объединений транзисторов. Под микроскопом они напоминают многоуровневые хайвеи.