Ấn tượng CPU được làm từ cát đến từ Intel

16/03/2020

Khá lạ lẫm và cực kì ấn tượng khi Intel quyết định tạo ra bộ não cho PC bằng chất liệu không ai nghĩ tới. Một chiếc CPU được tạo ra từ cát cùng với những tính năng tuyệt vời có đủ thuyết phục anh em chưa?

Intel đã đức ra những giải thích trực quan về cách thức CPU được tạo ra như thế nào, và tiết lộ tất cả các bước chính trong một quy trình thường phải mất hàng trăm giai đoạn để hoàn thành. Khá kì công những lại cực kì thú vị đúng không nào? Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết ngay sau đây nhé!

CPU được làm từ cát

Cát có thành phần gồm 25% silicon. Bênh cạnh ôxi thì đây là nguyên tố hóa học có nhiều thứ nhì trên bề mặt Trái đất. Cát, nhất là thạch anh (quartz), có hàm lượng silicon nhiều và nó nằm dưới dạng SiO2. Đây cũng là nguyên liệu nền để sản xuất bóng bán dẫn.

Tinh lọc và phát triển

Sau khi lấy được cát thô và tách silicon ra, phần silicon này sẽ được tinh luyện qua nhiều bước để cuối cùng đạt được chất lượng cần thiết, gọi là “electronic grade silicon”. Kết quả của sự tinh luyện này “sạch” đến mức electronic grade silicon có thể chỉ chứa 1 nguyên tử tạp chất cho mỗi 1 tỷ nguyên tử silicon. Tinh luyện xong xuôi thì đến giai đoạn nấu chảy. Trong hình trên bạn có thể thấy cách mà một cục pha lê lớn được hình thành từ dòng silicon nóng chảy. Thành phẩm của quá trình này được gọi là “ingot”.

Một thỏi ingot lớn

Một thỏi mono-crystal ingot sẽ được sản xuất từ electronic grade silicon. Một ingot nặng khoảng 100kg và có độ tinh khiết silicon là 99,9999%.

Cắt lát ingot

Thỏi ingot này tiếp tục được chuyển sang giai đoạn cắt lát (slicing). Sẽ có một lưỡi cắt chia thỏi ingot này thành các tấm silicon mỏng, gọi là wafer. Một vài thỏi ingot có thể cao hơn 1,5m, và tùy vào mục đích sử dụng mà tấm wafer sẽ có đường kính khác nhau. Vào thời điểm 2009 thì CPU thường được làm từ tấm wafer 300mm.

Đánh bóng wafer

Một khi đã cắt xong thì các tấm wafer sẽ được đánh bóng cho đến khi bề mặt được nhẵn mịn. Intel không tự sản xuất ingot và wafer, thay vào đó là họ sẽ mua những tấm wafer được làm sẵn từ bên thứ 3. Khi Intel mới bắt đầu làm chip thì họ in mạch điện lên tấm wafer 50mm. Còn vào năm 2009 thì Intel sử dụng tấm wafer 300mm, giúp hạ giá thành của mỗi con chip.

Tiếp theo sẽ là công đoạn tráng lớp cản quang (Photo Resist Application)

Dung dịch màu xanh trong hình trên là lớp tráng cản quang tương tự như trong các cuộn phim máy ảnh. Tấm wafer sẽ xoay vòng để lớp tráng được dàn đều, mỏng, và mịn.

Tiếp xúc với tia UV

Trong giai đoạn này, lớp tráng kia sẽ đuọc phơi sáng bằng tia cực tím (UV), tạo ra một phản ứng hóa học tương tự như khi bạn bấm nút chụp ảnh trên máy phim. Phần được phơi sáng sẽ trở nên hoàn tan được (soluble). Quá trình phơi sáng sẽ diễn ra cùng với việc sử dụng các “mặt nạ” (mask) với chức năng như là một tờ giấy nến. Khi được dùng chung với tia UV thì những mặt nạ này sẽ tạo ra nhiều đường mạch điện (circuit pattern). Quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại cho đến khi có nhiều lớp được xếp chồng lên nhau. Một ống kính (phần giữa trong hình) sẽ thu nhỏ hình ảnh của mặt nạ lại, và thường thì “hình ảnh” được in trên tấm wafer sẽ nhỏ hơn 4 lần so với kích thước của phần “pattern” trên mặt nạ.

Tiếp tục cho tiếp xúc nhiều hơn

Trong hình trên là ảnh mô phỏng một bóng bán (transistor) dẫn nếu nhìn bằng mắt thường. Nó có công năng như là một công tắc, điều khiển dòng điện trong con chip máy tính. Các nhà nghiên cứu tại Intel đã phát triển ra các bóng bán dẫn nhỏ đến mức một mũi kim có thể chứa được 30 triệu bóng bán dẫn.

Rửa chất cản quang

Sau khi được chiếu tia UV thì phần lớp tráng được phơi sáng sẽ được hoàn tan bằng một dung dịch. Kết quả là một pattern sẽ hiện ra, và đây sẽ điểm khởi đầu cho các bóng bán dẫn, liên kết, và một số tiếp điểm khác.

Khắc (Etching)

Lớp cản quang sẽ bảo vệ phần wafer bên dưới, không cho nó bị khắc mất. Còn những phần còn lại sẽ bị khắc bằng hóa chất.

Bỏ lớp cản quang

Sau khi khắc xong thì lớp cản quang cũng sẽ bị loại bỏ, để lại phần hình dạng như mong muốn.

Tráng thêm lớp cản quang

Giai đoạn tiếp theo sẽ cán thêm lớp cản quang (màu xanh) và tiếp tục phơi sáng bằng tia UV. Sau đó thì phần cản quang được phơi sáng sẽ được rửa trôi, đi tiếp đến bước “ion doping” (tạm dịch: pha tạp ion). Đây là bước các hạt ion sẽ “gặp” wafer, cho phép silicon biến đổi tính chất hóa học, giúp CPU điều chỉnh được dòng điện.

Ion Doping

Thông qua công đoạn “ion implantation” (tạm dịch: cấy ion) thì phần được phơi ra của tấm silicon wafer sẽ được “dội bom” bằng các hạt ion. Ion sẽ được cấy vào trong tấm wafer để thay đổi thuộc tính của vùng silicon này, cho phép nó dẫn điện. Các hạt ion này bay với vận tốc hơn 300.000km/h và đập vào mặt của tấm wafer.

Bỏ lớp cản quang lần nữa

Sau công đoạn cấy ion thì lớp cản quang sẽ được loại bỏ và phần màu xanh lá cây sẽ chứa các hạt ion.

Bóng bán dẫn

Bóng bán dẫn sắp được hoàn thành. Sẽ có 3 lỗ được khắc trên lớp cách điện (màu đỏ magenta) nằm phía trên bóng bán dẫn. Cả 3 lỗ này sẽ được lấp đầy bằng đồng, dùng để kết nối với các bóng bán dẫn khác.

Mạ điện (electroplating) cho tấm wafer

Các tấm wafer sẽ được nhúng vào dung dịch đồng sunfat (CuSO4). Các ion đồng sẽ được mạ lên bóng bán dẫn. Chúng sẽ chạy từ cực dương (anode) sang cực âm (cathode) – tức là tấm wafer.

Ion Settling

Các ion đồng sẽ lắng xuống, tạo thành một lớp mỏng trên bề mặt tấm wafer.

Loại phần đồng dư

Phần đồng bị dư thừa sẽ bị loại bỏ, để lại một lớp đồng cực kì mỏng.

Xếp lớp

Nhiều lớp kim loại được tạo ra để kết nối (giống như dây điện) các bóng bán dẫn lại với nhau. Cách thức những lớp này tạo ra kết nối sẽ tùy thuộc vào kiến trúc và đội ngũ thiết kế phát triển nên con CPU tương ứng. Mặc dù con chip máy tính nhìn rất bằng phẳng, chúng có thể có tới hơn 20 lớp xếp chồng lên nhau, tạo thành một mạch điện phức tạp. Nếu bạn phóng to con chip lên thì sẽ thấy một mạng lưới đường điện và bóng bán dẫn cực kì chằng chịt.

Bài kiểm tra phân loại wafer

Tấm wafer sau đó sẽ đi qua phần kiểm tra đầu tiên. Các pattern của bài kiểm tra sẽ được truyền vào mỗi con chip, và phản hồi từ những con chip này sẽ được theo dõi, đối chiếu với kết quả đúng.

Cắt lát wafer

Nếu tấm wafer vượt qua được bài kiểm tra thì nó sẽ được cắt thành nhiều miếng nhỏ, gọi là die.

Phân loại die

Những die nào trả về kết quả đúng trong bài test sẽ được đi tiếp vào “vòng sau” (đóng gói). Những die còn lại sẽ bị loại bỏ. Nhiều năm trước, Intel đã dùng những die bị hư này để làm móc khóa.

Die riêng biệt

Đây là một cái die riêng biệt, được cắt ra từ tấm wafer trong giai đoạn trước. Hình trên là die của vi xử lý Intel Core i7.

Đóng gói CPU

Phần đế (substrate), die, và nắp tản nhiệt (heatspreader) được gắn lại với nhau để tạo thành một con CPU hoàn chỉnh. Phần substrate màu xanh lam sẽ tạo ra kết nối điện và kết nối cơ để cho vi xử lý có thể tương tác với các phần còn lại của PC. Phần nắp tản nhiệt màu bạc sẽ được trét một lớp tản nhiệt, giúp CPU hoạt động mát mẻ hơn.

CPU hoàn chỉnh

Vi xử lý là thứ phức tạp nhất từng được sản xuất trên Trái đất. Thục ra nó tốn cả trăm công đoạn, chỉ có những công đoạn thực sự quan trọng là được minh họa trong bài viết này thôi.

Kiểm tra CPU

Trong bài kiểm tra cuối cùng, CPU sẽ được test các chức năng chính như mức thất thoát điện năng và xung nhịp tối đa.

Chọn lọc CPU (CPU binning)

Dựa trên kết quả bài kiểm tra, những con CPU nào có kết quả giống nhau sẽ được xếp chung một khay. Quá trình này gọi là binning. Binning sẽ quyết định xung nhịp tối đa của một vi xử lý, và các lô hàng sẽ được chia ra và bán theo các thông số khác nhau.