Công nghệ in CPU là một trong những tiến bộ quan trọng nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn. Đây là quá trình sản xuất vi xử lý, trái tim của mọi thiết bị điện tử hiện đại, từ máy tính cá nhân, điện thoại thông minh đến máy chủ và thiết bị IoT. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng khám phá công nghệ in CPU, từ lịch sử phát triển, các bước sản xuất trong công nghệ in CPU.
1. Lịch sử cơ bản và sự phát triển của CPU
1.1 CPU là gì?
1.2 Lịch sử phát triển?
Một trong những máy tính điện tử đầu tiên, sử dụng ống chân không để thực hiện các phép tính. ENIAC không có CPU như chúng ta hiểu ngày nay, nhưng nó đã đặt nền tảng cho khái niệm về máy tính có khả năng thực hiện các lệnh.
Tiếp theo là tới thời đại máy tính transistor với máy tính IBM 7030 Stretch (1961): Là máy tính transistor hóa đầu tiên của IBM, Stretch đã tăng tốc độ xử lý so với các máy tính sử dụng ống chân không. Transistor nhỏ hơn và hiệu quả hơn, mở đường cho việc phát triển CPU mạnh mẽ hơn.
Vào năm 1971, con chip thương mai đầu tiên trên thế giới, Intel 4004, chứa 2.300 bóng bán dẫn và được coi là thành tựu công nghệ. Ngày nay, có hàng tỷ bóng bán dẫn trên một con chip.
Và theo định luật Moore con số này cứ 2 năm lại tăng gấp đôi. Bóng bán dẫn là thành phần quan trọng nhất trên một con chip xử lý. Bạn không nhìn thấy chúng, bởi vì có hàng triệu, thậm chí hàng tỉ bóng bán dẫn trên một con chip có kích thước bằng móng tay của bạn.
2. Quá trình sản xuất chip CPU
2.1 Vật liệu tạo nên CPU
Nguyên liệu chính để có thể tạo nên những bộ vi xử lý tinh vi, có thể bạn sẽ bất ngờ những nó được lấy từ những hạt cát. Hay nói đúng hơn là tinh luyện từ cát nó chính là Silic.
Khi có một dòng điện nhỏ tác động vào bóng bán dẫn, nó sẽ bật và tắc để tạo các tín hiệu gồm 0 và 1. Khi có hàng tỉ tín hiệu như vậy thì sẽ thành các hoạt động xảy ra trong máy tính. Và các hoạt động đó chính là hình ảnh, mạng hay âm thanh bạn đang xử dụng trên thiết bị của mình.
2.2 Làm cách nào để sản xuất CPU từ Silic
Nhưng làm thế nào người ta có thể chế tạo hàng tỉ bóng bán dẫn trên một con chip bé như cái kẹo vậy được nhỉ? Giống như xây nhà thì phải có móng, bóng bán dẫn cũng cần được gắn lên một loại nền móng. Nền móng của vi chip được làm từ cát thạch anh và được gọi là tấm silic.
Vấn đề là, vì các bóng bán dẫn quá nhỏ, nhỏ hơn cả một con vi khuẩn, hàng chục lần. Nghĩa là đế silic để đặt chúng phải cực phẩm, à nhầm, cực phẳng, phẳng như một tấm gương và không chứa bất kỳ một hạt bụi hay một con vi khuẩn nào. Để tạo ra nó một khối tinh thể silic có độ tinh khiết 99,9%, nặng khoảng 2 tạ và đường kính 20 cm, sẽ được cắt thành các tấm silic dày khoảng 2/3 milimet bằng các dây cáp siêu mỏng di chuyển cực nhanh.
2.3 Tích hợp hàng tỉ bóng bán dẫn vào 1 con chip
Tới phần khó nhất trong quá trình sản xuất CPU, đó là các nhà kĩ sư làm cách nào để đặt hàng tỉ bóng bán dẫn mỗi cái nhỏ hơn 200 lần tế bào hồng cầu lên một tấm Silic.
Và câu trả lời ở đây, họ không đặt chúng lên mà thay vào đó sẽ in chúng lên các tấm Silic. Công việc này được đảm nhiệm bởi 1 trong những thiết bị tối tân, tinh vi và đắt đỏ nhất trên toàn thế giới. Đó là những cỗ máy quang khắc PHOTOLITHOGRAPHY MACHINE. Và mỗi máy giá trị dao động từ 300-400 triệu USD.
Để dùng được máy này trước khi in các CPU, các kỹ sư sẽ phủ một lớp chất lỏng gọi là chất quang dẫn (Photoresist), chất này rất nhạy sáng giống các phim trong máy ảnh vậy. Cho nên các phòng thí nghiệm luôn để ánh sáng vàng nếu không để ánh sáng bình thường sẽ làm hỏng các tấm silic.
Sau khi phủ xong chất quang dẫn thì máy quang khắc sẽ làm việc của chúng. Về cơ bản máy quang khắc như các máy chiếu phim. Nhưng khác là chúng không chiếu phim, mà thay vào đó chúng sẽ chiếu các cấu trúc mạch điện lên các tấm Silic. Một chùm laze sẽ chiếu vào bảng mạch và khắc chúng lên các tấm silic.
Giống như ánh sáng đi qua phim máy ảnh, chùm laze sẽ để lại hình ảnh bóng bán dẫn trên các tấm silic. Bằng cách này mỗi giờ một máy quang khắc có thể in hàng tỉ bóng bán dẫn.
Sau đó đồng (Cu) sẽ được đổ vào rãnh ở giữa các bóng bán dẫn để tạo nên các dây điện siêu siêu mỏng, kết nối hàng tỉ các bóng bán dẫn lại với nhau thành các mạch kết hợp. Rồi các bóng bán dẫn chỉ vài nanomets nhưng tổng chiều dài các mạch điện trên một tấm silic có thể lên tới vài kilomets.
Sau khi xong, mỗi tấm silic thành phẩm chứa hàng trăm vi xử lý và hàng nghỉn tỉ linh kiện mạch điện hiển vi sẽ được cắt và đóng gói thành các con CPU riêng lẻ để có thể tích hợp vào các thiết bị như điện thoại, máy tính,..
Lời Kết
Sản xuất CPU hay chip là một quy trình phức tạp và đòi hỏi công nghệ tiên tiến, đòi hỏi cơ sở hạ tầng, nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Hiện tại, chỉ một số ít quốc gia có khả năng tự sản xuất chip từ đầu đến cuối, bao gồm thiết kế, chế tạo và kiểm tra. Và bài viết trên là cách mà con người tạo nên CPU một trong những thành tựu khoa học tiên tiến nhất thế giới.
