Come vengono prodotti i processori?

Si sente molto sull'importanza dei processori nella maggior parte delle apparecchiature elettroniche che usiamo nella nostra vita quotidiana e, per quanto tutti abbiamo sentito il nome di questo pezzo, è comune che abbiamo poca conoscenza di come è sviluppato e installato sui dispositivi.

A pensarci bene, il showmetech ha preparato questo speciale che spiega come vengono prodotti i processori, spiegando dalle loro funzioni al processo di creazione e produzione. Guardare:

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Qual è la funzione del processore?

In una risposta obiettiva, o processore è il componente di un computer che esegue le istruzioni e le attività che fanno funzionare l'apparecchiatura. È responsabile dell'elaborazione dei dati e dell'esecuzione delle istruzioni del software, come il calcolo, l'archiviazione e il recupero delle informazioni.

In altre parole, il processore è l'equivalente del cervello umano nel computer, poiché svolgerà diverse funzioni fondamentali per il funzionamento e consentirà a più attività di svolgersi contemporaneamente. La parte si occupa di elaborare i dati ricevuti in formato binario 0 e 1, e li interpreta in base alle istruzioni memorizzate nella sua memoria interna.

In passato, i processori avevano un solo core. Oggi, tuttavia, possono disporre di più core per gestire in modo più efficiente più ingressi contemporaneamente. Ad esempio, ci sono processori Dual-Core (2 core), Quad-Core (4 core) e persino processori con 32 core come il AMD Ryzen Threadripper 3970X su computer ad alte prestazioni.

Pertanto, un computer può eseguire più attività contemporaneamente, consentendo, ad esempio, di modificare il testo in un programma, ascoltare musica in un altro e navigare in Internet. Il concetto si applica anche ai videogiochi moderni, che elaborano non solo il gioco stesso, ma anche le interfacce dei menu delle console, Streaming e altre risorse.

L'importanza del silicio

Ne hai sicuramente sentito parlare Silicon Valley e sai che il materiale è importante per diversi componenti nel mondo della tecnologia, ma ti sei fermato a pensare al perché? Il silicio è utilizzato come componente principale di siliconi, vetro, cemento, ceramica, e il motivo del suo abbondante utilizzo in diversi ambiti è proprio la sua elevata disponibilità, in quanto è considerato il secondo elemento più presente sulla superficie terrestre, dietro solo all'ossigeno.

Nell'industria tecnologica, il motivo per cui il silicio è così importante è legato ai transistor, un pezzo che ha la funzione di amplificare una corrente elettrica o di ostacolarne il passaggio, a seconda della sua configurazione nel circuito.

L'intera base della nostra tecnologia moderna nasce nel concetto di transistor creato da John Bardeen e Walter House Brittain nel 1947 nei laboratori di Campanello telefonico e, a sua volta, questo dispositivo è realizzato con silicio.

Oltre alle sue caratteristiche e disponibilità, il silicio è considerato un elemento facile da lavorare e gli scienziati hanno scoperto modi per farlo crescere in cristalli perfettamente ordinati, con la produzione di cristalli di silicio quasi perfetti, tagliati in piccole lamelle conosciute come wafer, fondamentale per la produzione di chip per computer.

La fabbricazione di processori

Come accennato in precedenza, il wafer il silicio è estremamente importante, essendo il componente base per la creazione di qualsiasi chip di processore. Inoltre, è estremamente importante che venga prodotto in un luogo completamente controllato, in quanto deve essere composto da silicio puro al 99,9999%, il che richiede un processo costoso e complicato da realizzare, con ogni wafer di 30 centimetri che costano più di US$ 20mila per aziende come Intel.

Successivamente, verrà rappresentato il processo di fabbricazione di un singolo transistor, poiché è impossibile rappresentare didatticamente la costruzione di tutte le procedure contemporaneamente. Tuttavia, la tecnica per costruire un processore 2 Core Duo comporta la costruzione di 291 milioni di questi transistor.

La prima parte del processo consiste nell'ossidare lo strato superiore del wafer (1), trasformandolo in biossido di silicio (2) e, da questo, questa superficie sarà la base per la costruzione del transistor che comporrà il processore. Successivamente, verrà applicato uno strato di materiale fotosensibile (3) e verrà eseguito il processo di litografia, che consiste nell'emettere una luce ultravioletta in alcune zone della superficie - questo modello è diverso per ogni processore a causa del design che deve essere ottenuto.

Dopo l'esposizione alla luce nella litografia, le parti si trasformeranno in una sostanza gelatinosa che verrà rimossa da un bagno chimico, rimanendo gli strati delle aree esposte di biossido di silicio e gli altri che rimangono coperti dal restante strato fotosensibile (4). Il passaggio successivo è un nuovo bagno chimico di diversi composti per rimuovere le parti non protette di biossido di silicio, lasciando solo ciò che ha sopra lo strato che ha attraversato la litografia (5) e, infine, viene rimossa la restante parte fotosensibile, rimanendo solo il strato di biossido di silicio necessario nella progettazione della struttura.

Nel processo finora, è stato realizzato uno strato di transistor. Tuttavia, normalmente un transistor ha più strati a seconda della sua complessità, quindi inizia la costruzione del suo secondo strato (7), che viene ricoperto nuovamente da biossido di silicio e mantiene sotto il disegno precedentemente realizzato. Il processo precedente viene ripetuto per i processi di immagini nel testo in 8, 9, 10 e 11 con l'applicazione dello strato fotosensibile e la rimozione per bagno chimico, rimanendo con il biossido di silicio necessario.

Nel mezzo di questo processo, c'è una fase di introduzione di impurità (12), che sono ioni. Questo sarà necessario per il wafer di silicio diventa un materiale conduttivo e questi ioni aderiranno solo nello strato esposto nel processo precedente agli strati di biossido di silicio. Il passaggio successivo è l'applicazione di un terzo strato utilizzando gli stessi concetti precedenti nelle immagini 13, 14, 15 e 16.

Infine, il processo è quasi finito dopo il tuo terzo strato con una struttura elaborata. Quindi, viene applicato un sottile strato di metallo con una tecnica avanzata che ha uno spessore di soli 3 atomi (17) e, per concludere, viene eseguito nuovamente il processo di litografia per rimuovere le parti indesiderate alla fine del processo (18).

Tutto questo complesso processo viene eseguito contemporaneamente per migliaia di transistor che andranno a comporre la struttura interna del nostro processore, e nella produzione reale vengono utilizzate maschere contenenti tutti i componenti del processore con la costruzione dei loro layer e, al termine del compito, il processore sarà completo con tutta la sua complessità.

miniaturizzazione

L'industria tecnologica è riuscita ad aumentare la capacità dei processori senza aumentarne le dimensioni fisiche, grazie alla nanotecnologia. La nanotecnologia è una branca della scienza che si concentra su oggetti di dimensioni nanometriche. Un nanometro equivale a un milionesimo di millimetro, mentre a micron equivale a un millesimo di millimetro.

Con l'aiuto della nanotecnologia, i transistor su chip possono essere resi sempre più piccoli. Ad esempio, il processore Intel 486 aveva circa 1 milione di transistor di circa 1 micron di dimensione. Gli ultimi processori, come il Intel Core Duo 2, hanno circa 291 milioni di transistor con tecnologia di produzione da 0,045 micron (45 nanometri).

L'industria tecnologica si troverà di fronte a un limite fisico, dove sarà impossibile ridurre ulteriormente i transistor, che saranno già formati da pochi atomi. Tuttavia, sono già in corso ricerche per trovare una soluzione a questo problema. Uno di questi è il calcolo quantistico, che non solo supera i limiti fisici dei processori classici, ma può anche rivoluzionare il calcolo nel suo complesso.

Incapsulamento e definizione di modelli

Una volta completato il processo di litografia e la costruzione del processore, ciascuna delle parti verrà testata utilizzando sonde elettriche, consentendo di energizzare ciascun nucleo. O wafer poi sarà tagliato in un processo noto come "il taglio a dadi” a verificarsi l'incapsulamento di ogni processore con etichetta e diversi modelli e famiglie.

Una curiosità è che in generale ai produttori piace AMD e Intel mantenere una linea di produzione per ogni trasformatore e le loro differenze tra loro come a Core duo 2.4 GHz e a Core duo 2.96 GHz è dovuto a variazioni che possono verificarsi sulla linea di produzione. Quindi, viene eseguito un processo di identificazione di queste differenze per adattare ciascun processore a un'identificazione con le proprie specifiche.

E con ciò, il processore è finalmente finito. Hai trovato il processo interessante? Diteci nei commenti!

Testo corretto da: Dacio Castelo Branco

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Fonte: Hardware, Semiconduttori: fondamenti, tecniche e applicazioni e Organizzazione e progettazione del computer: l'interfaccia hardware/software.