Всем привет! В сегодняшнем посте я расскажу подробно, как изготавливают процессоры для компьютеров и прочих «умных» гаджетов, из чего их производят, особенностях и тонкостях этой технологии. О том, Что такое частота шины процессора и как она влияет на работу, можно почитать вот тут.
Технический и электронный кремний
Не слукавлю, если буду утверждать, что современный микропроцессор — одна из наиболее сложных конструкций, созданных человеком. Только представьте: на слитке кремния размером со спичечный коробок путем сложных манипуляций удается напечатать миллиарды транзисторов, которые соединены в сложные цепи!
Но начнем по порядку. Вероятно, из школьного курса химии вы помните, что в чистом виде кремний в природе почти не встречается. Однако это вещество по объему присутствия на Земле занимает второе место — его доля в земной коре достигает 30%.
Может показаться странным, но исходный материал для изготовления ЦП — кварцевый песок, он же диоксид кремния.
Производство начинается с плавки песка в дуговых печах при температуре 1800 градусов и его восстановления коксом. Получается так называемый технический кремний, чистота которого может достигать 99%. Этого мало. Нужен электронный, с содержанием не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния.
Путем многократного хлорирования с использованием сложных химических реакций, формулы которых я с вашего позволения приводить здесь не буду, и производят фактически идеально чистый кремний. Однако он пока пребывает в жидком состоянии.
Как выращивают и режут кристалл
В эту «бурду» опускается специальная затравка, которая образует точку роста, медленно вытягиваемая из тигля. В итоге получается так называемая «буля» — огромный монокристалл чистого электронного кремния в рост взрослого человека, который весит более 100 кг. На производство одной були уходят почти сутки.
Ее разрезают алмазной пилой на тонкие слои, которые называют «вафли» (от английского wafer). Их толщина около 1/3 мм и диаметр достигает 30 мм. К слову, ни AMD, ни Intel не занимаются производством «вафель», а закупают их у специализированных компаний.
Поверхность вафли полируется, чтобы довести ее до зеркального блеска. На эту пластину нужно перенести структуру будущего ЦП для ПК.
Как делают микросхемы процессора
У Интела и АМД технологии похожи — используется фотолитография. Как именно делают сложную структуру процессора, компании держат в секрете, так как это является коммерческой тайной. Широкой публике известны только общие принципы процесса.
Отполированная поверхность затравливается с использованием специального фотошаблона. На подложку из кремния наносится слой материала, на котором будет создан рисунок будущей микросхемы. Под действием света он меняет свои физико-химические свойства. Определенный участок освещается в течение строго означенного интервала, для чего используется шаблон с готовой микросхемой.
Отработанный слой и все лишнее удаляется. Поверх наносится новый слой, на котором также создается электрическая схема. Таким образом получаются полупроводниковые структуры, которые и составляют базу будущего CPU. 
Всего слоев может быть очень много.
Процедура очень тонкая и деликатная. На момент написания статьи передовым считается техпроцесс 14 нм (нанометров), то есть это размер одного транзистора, из которых состоят микросхемы. Только представьте, какое огромное их количество образуется на кристалле!
Рассматриваемый полуфабрикат помещают в сульфат меди, благодаря чему появляются проводящие области. С их помощью можно соединить логические части будущего ЦП в единое целое. Сложность в том, что такие структуры почти всегда многоэтажные, а один элемент может занимать до 30 слоев.
Как именно они соединяются между собой и где размещаются, называется архитектурой процессора. Над ее проектированием работают сотни инженеров. У каждой новой модели процессоров архитектура более совершенна, чем у предыдущих. При этом каждый нужно спроектировать и создать фотошаблоны для их производства.
Финальный этап
Полуфабрикаты передаются в испытательный цех, где они тестируются на работоспособность. Несмотря на то, что процесс создания кристалла и микросхем на нем автоматизированный и очень точный, а проводится в стерильных условиях, на выходе все равно получается определенный процент брака.
Те же заготовки, которые прошли испытания и соответствуют техническим условиям, вырезаются из подложки. Остается только закрыть сверху это дело стальной пластиной, которая используется для отвода тепла, а снизу припаять ножки, которые будут контактировать с процессорным сокетом на материнской плате.
Однако и это не все. Готовый процессор проходит финальные тесты, чтобы исключить любую возможность брака. После этого они пакуются и отправляются на оптовые склады, откуда уже расходятся по точкам продаж.
Также для вас полезным будет почитать «Поведение системы и что от нее ждать при мощной видеокарте на слабом процессоре?» и «Что такое степпинг процессора и как его узнать?». Буду признателен всем, кто расшарит эту публикацию в социальных сетях. До скорой встречи!
С уважением, автор блога Андрей Андреев.
