De la arena al producto final hay muchos pasos complejos involucrados. De hecho, es absolutamente increíble que los productos semiconductores funcionen en lo absoluto.
Paso 1: Arena
En alrededor del 25% (en masa), el silicio es el segundo producto químico más frecuente en la corteza terrestre (detrás del oxígeno). La arena tiene un alto porcentaje de dióxido de silicio (SiO2), que es el ingrediente base para la fabricación de semiconductores.
Paso 2: Silicio derretido
El silicio es purificado en varios pasos para alcanzar el silicio de grado electrónico utilizado en semiconductores. En última instancia, llega en forma de lingotes monocristalinos de cerca de 12" de diámetro (300 mm hoy, los lingotes eran menores, de 8" y 200 mm de diámetro - las primeras obleas en la década de 1970 fueron de 2" de diámetro, o 50 mm).
La pureza de este nivel de refinamiento es de aproximadamente una parte por billón, es decir, sólo un átomo de indeseable por mil millones de átomos de silicio. El lingote pesa alrededor de 220 libras, y es un 99,9999% de pureza en una estilizada columna vertical de material de aspecto cristalino.
Paso 3: Corte
El lingote se corta con una sierra muy fina en láminas de silicio individuales (llamadas waffers u obleas), cada una de los que luego se pule a un perfecto espejo de superficie lisa. Sobre esta superficie de la oblea totalmente lisa es donde los cables de cobre diminutos son depositados en los diversos pasos siguientes.
Paso 4: Foto-resistivo y exposición
Una líquido fotoresistente se vierte sobre la oblea, mientras que gira a alta velocidad (similar a los materiales utilizados en la fotografía convencional). Este giro deposita una capa delgada y homogénea sobre toda la superficie.
A partir de ahí, un láser ultravioleta se dispara a través de máscaras y una lente (que hacen que una imagen enfocada 4x más pequeña que la máscara), causando pequeñas líneas UV sobre la superficie iluminada. En todas partes donde estas líneas dan contra el resistente, una reacción química se lleva a cabo lo que hace esas partes solubles.
Paso 5: Lavado, grabado
El material foto-resistente soluble se disuelve por completo por un solvente químico. A partir de ahí, un químico se utiliza para disolver parcialmente (o grabar) una pequeña cantidad de material semiconductor pulido (el sustrato). Finalmente, el resto del material foto-resistente se extrae a través de un proceso de lavado similar, dejando al descubierto la superficie grabada de la oblea.
Paso 6: Construyendo las capas
Con el fin de crear los cables de cobre diminutos, que en última instancia, transmiten electricidad a / desde varios conectores del chip, se añade otra capa foto-resistente, se exponen y se lavan. A continuación, un proceso llamado implantación de iones se utiliza para dopar y proteger los lugares donde se depositan los iones de cobre de una solución de sulfato de cobre en un proceso llamado galvanización.
En las distintas etapas de estos procesos, materiales adicionales se agregan, exponen, lavan / graban y pulen. Este proceso se repite seis veces para los procesos de seis capas, que al parecer es lo que Intel utiliza para su proceso de compuertas de metal de 45nm high-k.
El producto final se parece a un juego de plaza, una serie de barras de cobre diminutos que transportan la electricidad. Algunos de estos están conectados, algunos estan exactamente una distancia determinada distancia de los demás. Y todos ellos se utilizan para un propósito: transmitir electrones, blandiendo sus efectos electromagnéticos de una manera particular para llevar a cabo lo que podríamos llamar "trabajo útil" (como la adición de dos números a tasas extremadamente altas de la velocidad, la esencia misma de informática de hoy en día).
Este proceso de múltiples capas se repite en cada punto en la superficie de la oblea donde los chips se pueden hacer. Esto incluye las que están parcialmente fuera del borde de la oblea. ¿Por qué perder ese espacio? Es debido a que los fabricantes de chips aprendieron temprano que si no se llenan en estas áreas con (obviamente) de material semiconductor perdido, los chips cercanos también tuvieron un mayor índice de fracaso.
Paso 7: Testeo
Una vez que todas las capas de metal se construyen, y los circuitos (transistores) todos son creados es el momento de las pruebas. Un dispositivo con un montón de dientes se posa en la parte superior del chip, conectando cables microscópicos de la superficie del chip. Cada contacto completa una conexión eléctrica dentro del chip, y simula cómo va a funcionar en forma definitiva una vez empaquetados en productos de consumo final.
Una serie de señales de prueba son enviadas al chip, sin dependencia de los resultados este devolviendo. Este nivel de prueba incluye no sólo las habilidades tradicionales de cómputo, sino también el diagnóstico interno, junto con lecturas de voltaje, las secuencias en cascada (¿fluyen los datos como deberían?), etc. Y como sea que el chip haya respondido a esta prueba, eso es lo que se almacena en una base de datos asignada específicamente para ese chip.
Este proceso se repite para cada chip en la superficie de toda la oblea, mientras todos los chips están todavía en la superficie.
Paso 8: Separación
Una sierra pequeña con punta de diamante se utiliza para cortar la oblea de silicio en sus chips. La base de datos obtenidos en el paso 7 se utiliza para determinar qué chips de corte de la oblea se mantienen, y que se descartan. Los que producen "los resultados deseados" en la prueba de Step 7 se mantienen, y el resto se desechan.
Paso 9: Packaging
En este punto, todas chips funcionales se ponen en un paquete físico. Es importante señalar que aunque hayan tenido un testeo preliminar y funcionaran correctamente, esto no quiere decir que sean CPUs buenas.
El proceso de envasado físico consiste en colocar el chip de silicio sobre un material de sustrato verde, al que pequeñas hebras de oro se conectan a los pines del chip o la matriz de contactos, que ven en la parte inferior del paquete. En la parte superior se coloca un difusor de calor. Esto se ve como la superficie de metal en la parte superior de un chip. Cuando esta terminado, el CPU se ve como un procesador tradicional de los que los consumidores finales compran.
Nota: El disipador de calor de metal es un componente crucial en los modernos semiconductores de alta velocidad. En el pasado, se utilizaba una tapa de cerámica sin refrigeración activa. No fue sino hasta el periodo de los 80386 y posteriores, junto con algunos 8086 y 80286 de velocidad extremadamente alta(modelos de 100 MHz), que el enfriamiento activo se requierio. Antes de eso, los chips tenian tan pocos transistores (el original 8086 tenía 29.000, las CPUs de hoy tiene cientos de millones) que no generaban suficiente calor como para requerir refrigeración activa. Para separar los mismos, estos chips de cerámica recientes fueron sellados con la advertencia: "disipador de calor necesario".
Las CPU modernas generan suficiente calor como para derretirse a sí mismas en unos pocos segundos. Sólo por tener el difusor de calor en contacto con un disipador de gran tamaño (y el ventilador) es que pueden operar por períodos largos como lo hacen.
Paso 10: Categorización
En este momento la CPU se parece a la que usted o yo compra. Sin embargo, hay un paso más complicado. Este último test de viabilidad se llama "binning" (categorización).
En este proceso,se miden las características reales de la CPU. Elementos como voltaje, frecuencia, el rendimiento, la generación de calor, y otras características internas de funcionamiento de la caché, por ejemplo, son medidas.
Los mejores chips son generalmente agrupados como partes de más alta gama, que se venden no sólo con sus cachés completaente activadas, sino también como modelos de bajo voltaje y ultra-bajo voltaje. Nota: En base a la demanda del mercado, estos chips de gama más alta también se puede vender como piezas de menores prestaciones.
Los chips que no se desempeñan tan bien como los mejores se venden a menudo para los modelos de menor velocidad de clock, o como triple o dual-core (Phenom X3, Phenom X2) en lugar de su nativo de cuatro núcleos. Otros pueden tener la mitad de su caché deshabilitada (Celeron), etc.
Performance y rendimiento operacional
El proceso de categorización en última instancia determina el rendimiento final a una velocidad dada, las tensiones y las características térmicas. Por ejemplo, en una oblea estándar de sólo el 5% de los chips producidos podrían operar en la frecuencia de reloj de gama más alta de 3.2GHz. Sin embargo, el 50% puede funcionar a 2,8 GHz.
Aunque este rendimiento el rendimiento no se relaciona con el rendimiento operativo, es igual de importante para los fabricantes, ya que están constantemente en busca de determinar las razones por una CPU puede funcionar a 2,8 GHz sin problemas, pero no más rápido, mientras que otro funciona a 3.2GHz. Como la causa de esta discrepancia a veces se determina, el diseño del chip se puede actualizar para aumentar el rendimiento (y los rendimientos operativos).
Información adicional
El punto de equilibrio operativo en los rendimientos de los productos de la mayoría de los semiconductores se sitúa entre el 33% y 50%, es decir, si por lo menos 1/3 a 1/2 de las matrices de todas las obleas funcionan, la empresa ni gana ni pierde. Cualquier cosa más allá de este porcentaje es ganancia. Nota: Esto no es siempre el caso, pero es una buena guía.
Un proceso maduro no siempre se relacionan con el tiempo transcurrido desde el comienzo de la fabricación chips, sino que se lo considera generalmente cuando alcanza más de un 80% del rendimiento operativo, con un rendimiento relativamente alto en performance.
Se rumorea que Intel tiene alrededor del 95% de rendimiento operativo en los procesos maduros, lo que en los procesos de 45nm en obleas de 300 mm tienen una tremenda ventaja en la producción de muchos de sus fábricas. Un rendimiento del 95% de funcionamiento significa que si 500 chips eran posibles a partir de una sola oblea, 475 de ellos podrían ser utilizados, y sólo el 25 sería descartado. Mas chips por la oblea, más dinero hace la empresa.
Las CPUs pasan por varias iteraciones, llamados stepping (pasos), durante su diseño. El primero se llama A-0, después A-1, A-2 y así sucesivamente. Una vez que un importante rediseño se lleva a cabo, por ejemplo, agregar un caché más grande, una nueva capacidad matemática o algo grande, se mueven a B-0, B-1, B-2 y así sucesivamente. Letras secuenciales no son necesarias, y muchos de CPUs de Intel están en la etapa R-0.
Durante los días del Pentium Pro hasta el Pentium III, cada revisión del diseño era sólo eso: una revisión. La diferencia entre el Pentium II y Pentium III, por ejemplo, fue la inclusión de instrucciones SIMD y su extensión original de SSE ISA. Sin embargo, este diseño recibio ajustes continuos, lo que le permitió pasar de la velocidad original reloj de 450MHz hasta su final de1.4GHz en varias encarnaciones, la última de las cuales, Tualatin, operaba más rápido que los primeros Pentium 4, debido a su pipeline más corto.
Conclusión
Espero que hayas encontrado este artículo informativo. Es realmente sorprendente que cualquier CPU funcione, y mucho mas de la forma en que los fabrican, en tanta cantidad y tan rápido. Y lo que viene es aún más impresionante.
La diferencia entre x86, ARM, DRAM, SoC, ASIC y otras variantes de semiconductores, por ejemplo, a menudo sólo se encuentra en el interconexionado. Los mismos pasos y procesos de fabricación se utilizan para producir los diferentes productos (a veces con un número diferente de capas, diferente láser, a veces diferentes productos químicos, etc.) Pero, en general, esta todo "programado", por así decirlo, en ese zoológico de cables de cobre de las líneas de base que, en base a su disposición, manejan las fuerzas místicas del electromagnetismo convirtiendolo en el trabajo humano utilizable.
Todo un logro ¿no te parece?.
Dato extra del posteador: Se menciona en la nota que los waffers u obleas que se usan actualmente son de 300mm de diametro contra 200mm que se usaban hace pocos años. Lei que Intel esta trabajando para producir waffers de 450mm. Se busca incrementar el tamaños de los waffers porque cuanto mas grandes tienden a tener menor tasa de chips desperdiciados.
Paso 1: Arena
En alrededor del 25% (en masa), el silicio es el segundo producto químico más frecuente en la corteza terrestre (detrás del oxígeno). La arena tiene un alto porcentaje de dióxido de silicio (SiO2), que es el ingrediente base para la fabricación de semiconductores.
Paso 2: Silicio derretido
El silicio es purificado en varios pasos para alcanzar el silicio de grado electrónico utilizado en semiconductores. En última instancia, llega en forma de lingotes monocristalinos de cerca de 12" de diámetro (300 mm hoy, los lingotes eran menores, de 8" y 200 mm de diámetro - las primeras obleas en la década de 1970 fueron de 2" de diámetro, o 50 mm).
La pureza de este nivel de refinamiento es de aproximadamente una parte por billón, es decir, sólo un átomo de indeseable por mil millones de átomos de silicio. El lingote pesa alrededor de 220 libras, y es un 99,9999% de pureza en una estilizada columna vertical de material de aspecto cristalino.
Paso 3: Corte
El lingote se corta con una sierra muy fina en láminas de silicio individuales (llamadas waffers u obleas), cada una de los que luego se pule a un perfecto espejo de superficie lisa. Sobre esta superficie de la oblea totalmente lisa es donde los cables de cobre diminutos son depositados en los diversos pasos siguientes.
Paso 4: Foto-resistivo y exposición
Una líquido fotoresistente se vierte sobre la oblea, mientras que gira a alta velocidad (similar a los materiales utilizados en la fotografía convencional). Este giro deposita una capa delgada y homogénea sobre toda la superficie.
Paso 5: Lavado, grabado
El material foto-resistente soluble se disuelve por completo por un solvente químico. A partir de ahí, un químico se utiliza para disolver parcialmente (o grabar) una pequeña cantidad de material semiconductor pulido (el sustrato). Finalmente, el resto del material foto-resistente se extrae a través de un proceso de lavado similar, dejando al descubierto la superficie grabada de la oblea.
Paso 6: Construyendo las capas
Con el fin de crear los cables de cobre diminutos, que en última instancia, transmiten electricidad a / desde varios conectores del chip, se añade otra capa foto-resistente, se exponen y se lavan. A continuación, un proceso llamado implantación de iones se utiliza para dopar y proteger los lugares donde se depositan los iones de cobre de una solución de sulfato de cobre en un proceso llamado galvanización.
El producto final se parece a un juego de plaza, una serie de barras de cobre diminutos que transportan la electricidad. Algunos de estos están conectados, algunos estan exactamente una distancia determinada distancia de los demás. Y todos ellos se utilizan para un propósito: transmitir electrones, blandiendo sus efectos electromagnéticos de una manera particular para llevar a cabo lo que podríamos llamar "trabajo útil" (como la adición de dos números a tasas extremadamente altas de la velocidad, la esencia misma de informática de hoy en día).
Paso 7: Testeo
Una vez que todas las capas de metal se construyen, y los circuitos (transistores) todos son creados es el momento de las pruebas. Un dispositivo con un montón de dientes se posa en la parte superior del chip, conectando cables microscópicos de la superficie del chip. Cada contacto completa una conexión eléctrica dentro del chip, y simula cómo va a funcionar en forma definitiva una vez empaquetados en productos de consumo final.
Este proceso se repite para cada chip en la superficie de toda la oblea, mientras todos los chips están todavía en la superficie.
Paso 8: Separación
Una sierra pequeña con punta de diamante se utiliza para cortar la oblea de silicio en sus chips. La base de datos obtenidos en el paso 7 se utiliza para determinar qué chips de corte de la oblea se mantienen, y que se descartan. Los que producen "los resultados deseados" en la prueba de Step 7 se mantienen, y el resto se desechan.
Paso 9: Packaging
En este punto, todas chips funcionales se ponen en un paquete físico. Es importante señalar que aunque hayan tenido un testeo preliminar y funcionaran correctamente, esto no quiere decir que sean CPUs buenas.
Nota: El disipador de calor de metal es un componente crucial en los modernos semiconductores de alta velocidad. En el pasado, se utilizaba una tapa de cerámica sin refrigeración activa. No fue sino hasta el periodo de los 80386 y posteriores, junto con algunos 8086 y 80286 de velocidad extremadamente alta(modelos de 100 MHz), que el enfriamiento activo se requierio. Antes de eso, los chips tenian tan pocos transistores (el original 8086 tenía 29.000, las CPUs de hoy tiene cientos de millones) que no generaban suficiente calor como para requerir refrigeración activa. Para separar los mismos, estos chips de cerámica recientes fueron sellados con la advertencia: "disipador de calor necesario".
Las CPU modernas generan suficiente calor como para derretirse a sí mismas en unos pocos segundos. Sólo por tener el difusor de calor en contacto con un disipador de gran tamaño (y el ventilador) es que pueden operar por períodos largos como lo hacen.
Paso 10: Categorización
En este momento la CPU se parece a la que usted o yo compra. Sin embargo, hay un paso más complicado. Este último test de viabilidad se llama "binning" (categorización).
En este proceso,se miden las características reales de la CPU. Elementos como voltaje, frecuencia, el rendimiento, la generación de calor, y otras características internas de funcionamiento de la caché, por ejemplo, son medidas.
Los mejores chips son generalmente agrupados como partes de más alta gama, que se venden no sólo con sus cachés completaente activadas, sino también como modelos de bajo voltaje y ultra-bajo voltaje. Nota: En base a la demanda del mercado, estos chips de gama más alta también se puede vender como piezas de menores prestaciones.
Los chips que no se desempeñan tan bien como los mejores se venden a menudo para los modelos de menor velocidad de clock, o como triple o dual-core (Phenom X3, Phenom X2) en lugar de su nativo de cuatro núcleos. Otros pueden tener la mitad de su caché deshabilitada (Celeron), etc.
Performance y rendimiento operacional
El proceso de categorización en última instancia determina el rendimiento final a una velocidad dada, las tensiones y las características térmicas. Por ejemplo, en una oblea estándar de sólo el 5% de los chips producidos podrían operar en la frecuencia de reloj de gama más alta de 3.2GHz. Sin embargo, el 50% puede funcionar a 2,8 GHz.
Información adicional
El punto de equilibrio operativo en los rendimientos de los productos de la mayoría de los semiconductores se sitúa entre el 33% y 50%, es decir, si por lo menos 1/3 a 1/2 de las matrices de todas las obleas funcionan, la empresa ni gana ni pierde. Cualquier cosa más allá de este porcentaje es ganancia. Nota: Esto no es siempre el caso, pero es una buena guía.
Un proceso maduro no siempre se relacionan con el tiempo transcurrido desde el comienzo de la fabricación chips, sino que se lo considera generalmente cuando alcanza más de un 80% del rendimiento operativo, con un rendimiento relativamente alto en performance.
Se rumorea que Intel tiene alrededor del 95% de rendimiento operativo en los procesos maduros, lo que en los procesos de 45nm en obleas de 300 mm tienen una tremenda ventaja en la producción de muchos de sus fábricas. Un rendimiento del 95% de funcionamiento significa que si 500 chips eran posibles a partir de una sola oblea, 475 de ellos podrían ser utilizados, y sólo el 25 sería descartado. Mas chips por la oblea, más dinero hace la empresa.
Las CPUs pasan por varias iteraciones, llamados stepping (pasos), durante su diseño. El primero se llama A-0, después A-1, A-2 y así sucesivamente. Una vez que un importante rediseño se lleva a cabo, por ejemplo, agregar un caché más grande, una nueva capacidad matemática o algo grande, se mueven a B-0, B-1, B-2 y así sucesivamente. Letras secuenciales no son necesarias, y muchos de CPUs de Intel están en la etapa R-0.
Durante los días del Pentium Pro hasta el Pentium III, cada revisión del diseño era sólo eso: una revisión. La diferencia entre el Pentium II y Pentium III, por ejemplo, fue la inclusión de instrucciones SIMD y su extensión original de SSE ISA. Sin embargo, este diseño recibio ajustes continuos, lo que le permitió pasar de la velocidad original reloj de 450MHz hasta su final de1.4GHz en varias encarnaciones, la última de las cuales, Tualatin, operaba más rápido que los primeros Pentium 4, debido a su pipeline más corto.
Conclusión
Espero que hayas encontrado este artículo informativo. Es realmente sorprendente que cualquier CPU funcione, y mucho mas de la forma en que los fabrican, en tanta cantidad y tan rápido. Y lo que viene es aún más impresionante.
La diferencia entre x86, ARM, DRAM, SoC, ASIC y otras variantes de semiconductores, por ejemplo, a menudo sólo se encuentra en el interconexionado. Los mismos pasos y procesos de fabricación se utilizan para producir los diferentes productos (a veces con un número diferente de capas, diferente láser, a veces diferentes productos químicos, etc.) Pero, en general, esta todo "programado", por así decirlo, en ese zoológico de cables de cobre de las líneas de base que, en base a su disposición, manejan las fuerzas místicas del electromagnetismo convirtiendolo en el trabajo humano utilizable.
Todo un logro ¿no te parece?.
Dato extra del posteador: Se menciona en la nota que los waffers u obleas que se usan actualmente son de 300mm de diametro contra 200mm que se usaban hace pocos años. Lei que Intel esta trabajando para producir waffers de 450mm. Se busca incrementar el tamaños de los waffers porque cuanto mas grandes tienden a tener menor tasa de chips desperdiciados.