Come costruire un processore

Introduzione: Tutti sappiamo, almeno a grandi linee, che cos'è una CPU. Pochi, però, saprebbero spiegare a un amico come si fa a far stare milioni di transistor in un oggetto piccolissimo.

Dalla sabbia al cristallo: La sabbia, composta da un 25% di silicio, è presente praticamente ovunque, in tutto il mondo. La sabbia di quarzo, in particolare, ha quantitativi molto alti di diossido di silicio (SiO2), vale a dire l'ingrediente base per l'industria dei semiconduttori. La prima cosa da fare è separare il silicio dalla sabbia, che poi diventa uno scarto. Il silicio deve essere purificato tramite diversi passaggi, per raggiungere la qualità e la purezza necessarie per la costruzione di componenti elettronici. Il livello di purezza richiesto è altissimo: il margine di tolleranza ammette un atomo su un milione. Dopo il processo di purificazione il silicio passa alla fusione. Nell'immagine potete vedere un cristallo di silicio puro, ottenuto dopo la fusione, chiamato ingot.

100 Kg di purezza Il cristallo è composto di silicio elettronico, pesa circa 100 chili, e ha un livello di purezza del 99.9999%. L'ingot successivamente viene "affettato" per ottenere i sottili dischi di silicio chiamati wafer. Alcuni ingot possono essere alti fino a un metro e mezzo, e ne esistono di diverso diametro. Le CPU moderne, generalmente, sono ottenute da wafer con un diametro di 300 mm.

Non usatelo come un frisbee Una volta tagliati i wafer vengono ripuliti fino a che non sono del tutto privi di difetti, e la loro superficie è liscia come quella di uno specchio. Intel non produce direttamente i cristalli, ma compra i wafer da produttori specializzati. Il processo a 45 nm Higk-K/Metal Gate, sviluppato da Intel, usa wafer da 300 mm. Quando Intel cominciò a produrre chip i wafer erano invece da 50 mm, e questo è uno degli elementi, forse il principale, che ha permesso di ridurre i costi di produzione, e quindi i prezzi finali. Il liquido blu è fotoresistente, e viene distribuito sul wafer in rotazione, per assicurarsi che la distribuzione sia uniforme e sottile.

Giochi di luce A questo punto il wafer è pronto per l'esposizione ai raggi ultra violetti (UV). La reazione chimica generata dalle lampade è simile a quella che accade alla pellicola quando si scatta  una fotografia. Le aree del wafer che sono state esposte ai raggi UV diventano solubili. L'esposizione viene fatta usando una sorta di mascherina, grazie alla quale è possibile dare al silicio forme precise. Non è molto diverso dal modo con cui si producono i circuiti in rame, per chi lo conosce. Per costruire una CPU, sostanzialmente, questo processo viene ripetuto più e più volte, su diversi strati poggiati uno sull'altro. Una lente (al centro) serve a ridurre le dimensioni dell'immagine della mascherina, e a concentrarla su un solo punto. La "stampa" ottenuta, sul wafer, è generalmente quattro volte più piccola del disegno originale. Un transistor, sostanzialmente, funziona come un interruttore, capace di controllare la corrente elettrica al suo interno. I ricercatori Intel hanno sviluppato transistor così piccoli che possono farne stare 30 milioni sulla capocchia di uno spillo. Notevole, se si pensa che, quando sono nati, i transistor era grandi diversi centimetri.

Un nanometro, cioè un milionesimo di millimetro Dopo l'esposizione ai raggi UV, quindi, le aree esposte vengono sciolte ed eliminate usando un solvente specifico. La pellicola fotoresistente è rappresentata in blu. Questa operazione permette di far emergere il design del progetto, ottenuto grazie alla maschera. È il primo passo verso la nascita di transistor, connessioni, e tutto quello che fa parte di una CPU. Il materiale fotoresistente protegge le parti del wafer che devono essere preservate, mentre quelle esposte vengono eliminate e ripulite con un processo chimico.

Transitor dal 1947 Successivamente la pellicola fotoresistente è rimossa, e il risultato è visibile. A questo punto si applica un nuovo strato di pellicola fotoresistente (in blu), e si procede ad una nuova esposizione ai raggi UV, per poi passare ad un nuovo lavaggio. Il passaggio seguente è chiamato "ion doping", e consiste nell'esposizione a particelle ionizzate, che provocano modifiche nelle proprietà chimiche del silicio, e crea le proprietà necessarie ad una CPU.

Ecco il cannone a loni Il processo chiamato "ion implantation" consiste nel bombardare di ioni le parti esposte del wafer. In questo modo gli ioni sono impiantati nel silicio, alterandone le proprietà elettriche. Gli ioni sono "sparati" a velocità elevatissime, più di 300.000 Km/h, grazie alla spinta di un campo elettrico. Dopo il bombardamento di ioni si rimuove il materiale fotoresistente, e il materiale esposto (verde) ora contiene dei nuovi atomi.

Uno strato sopra l’altro Il transistor a questo punto è quasi finito. Si praticano tra fori sullo strato isolante (magenta) sopra al transistor, che saranno ricoperti rame. Il metallo servirà a collegare ogni transistor con i suoi simili. I wafer vengono messi in una soluzione di solfato di rame, grazie alla quale gli ioni di rame si depositano sui transistor, con un processo chiamato elettroplating, molto simile alla placcatura dei gioielli. Gli ioni di rame si spostano dal terminale positivo (anodo) a quello negativo (catodo), vale a dire il wafer.

Il caro vecchio rame Gli ioni di rame formano un sottile strato sulla superficie del wafer. Il materiale in eccesso viene poi rimosso, e resta un sottile strato di rame, solo dove serve.

Una rete stradale in miniatura Si creano diversi strati di metallo per dare vita ai collegamenti (think wires) tra i transistor. Il modo in cui si creano questi collegamenti dipende dall'architettura e dal progetto della CPU (per esempio i Core i7 di Intel). I chip per computer possono sembrare molto sottili, ma hanno più di 20 strati di circuiteria. Se si guarda l'immagine ingrandita di un chip, si vede l'intricata rete circuiti e transistor, che evoca una futuristica rete autostradale. Questa porzione di wafer deve ora superare il test di qualità. Tutti i circuiti e le piste vengono controllate, e le risposte del chip confrontate con quelle standard, per vedere se tutto funziona come dovrebbe.

Una volta era sabbia Una volta che le prove hanno stabilito la buona qualità dei processori, il wafer viene tagliato i I die che hanno superato il test di risposta passeranno alla fase successiva, il confezionamento. Quelli difettosi, invece, vengono gettati. Anni fa Intel ci faceva dei gadget in singole unità, chiamate die.

È nata una CPU Questo è un singolo die, risultato delle fasi precedenti. È un processore Core i7. A questo punto il die, lo strato di silicio e rame, deve essere inserito nel suo alloggio finale e unito al dissipatore. Il substrato fornisce l'interfaccia elettrica e quella meccanica, necessarie per l'interazione tra il processore e il resto del computer. Il dissipatore argentato fa, invece, da interfaccia con i sistemi di raffreddamento, usati per mantenere la CPU fresca quando è in funzione.

Controlli maniacali Un microprocessore è probabilmente l'oggetto più complesso che si produca al mondo. Ci vogliono centinaia di passaggi per ottenerlo, e in questo articolo vi abbiamo mostrato solo quelli più importanti. Negli ultimi test vengono messe alla prova alcune caratteristiche fondamentali, come la dissipazione di calore e la frequenza massima).

In scatola e pronto a partire In base ai risultati del test successivo, i processori vengono organizzati e divisi sui nastri trasportatori. Questo processo,che si chiama "binning", suonerà familiare a molti di voi: consiste nel determinare la massima frequenza ottenibile da un processore, per poi organizzare le CPU e preparale alla vendita sul mercato.