Elettronica digitale - Come nasce una CPU

CPU nate dalla sabbia

Viaggio alla scoperta delle tecnologie produttive che, partendo da uno dei materiali più abbondanti in natura, permettono di realizzare un moderno microprocessore. Di Davide Piumetti

Tutti gli appassionati di informatica e di tecnologia in genere sanno di certo cosa è e a cosa serve un processore, il componente fondamentale di ogni personal computer e dispositivo elettronico. Questo dispositivo si trova infatti all’interno della maggior parte degli apparecchi di uso quotidiano, dall’automobile alla lavatrice, dal forno a microonde al proprio smartphone.

Pochissimi però conoscono il modo in cui è costruita una CPU o, ampliando il discorso, tutti i microchip di silicio che rendono di fatto il mondo di oggi quello che conosciamo. I chip grafici, quelli di memoria Ram o flash, i chipset e i controller di ogni tipo sono infatti realizzati in maniera del tutto simile a quello delle CPU, con gradi di complessità differenti e con processi produttivi propri di ogni grande azienda. Il principio di fondo è però lo stesso, con una tecnologia che raggiunge il proprio apice con la produzione dei microprocessori più avanzati.

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Intel afferma a buon ragione che i processori per personal computer, includendo anche la concorrenza, sono senza ombra di dubbio il manufatto tecnologicamente più avanzato mai costruito nell’intera storia dell’umanità.

Partendo infatti da un mucchio di sabbia, materiale con cui, incredibilmente, sono costruiti i processori, e utilizzando alcune delle conoscenze chimiche e fisiche più complesse e avanzate è possibile ottenere, dopo centinaia di passaggi chimici e meccanici, i chip che governano tutti i personal computer moderni.

La creazione di un microchip non è infatti un semplice procedimento meccanico di assemblaggio, per la progettazione e costruzione si devono infatti tenere conto di alcune peculiarità della fisica su scala nanometrica, e avere a che fare con alcune proprietà esotiche dei materiali che nel mondo “normale” non sono certo evidenti.

In alcuni casi per la costruzione di CPU si ha a che fare con elementi di dimensioni estremamente ridotte, con qualche elemento interno che può raggiungere dimensioni quasi inimmaginabili, pari in alcuni casi a non più di 10 atomi di silicio. Detto questo è possibile almeno intuire la difficoltà concettuale e progettuale per questi componenti fondamentali.

Nel seguito, grazie a delle esaustive immagini messe a disposizione da Intel, vogliamo mostrarvi quali sono i passi principali per la creazione di questi componenti, partendo dalla sabbia fino ad arrivare alla confezione che trovate sugli scaffali dei negozi.

Per la creazione di chip dalle funzioni semplici e complessità essenziale sono sufficienti fonderie, le “fabbriche” di chip in silicio prendono questo particolare nome, non troppo complesse, mentre per la creazione di CPU tecnologicamente allo stato dell’arte sono necessari impianti produttivi dal costo di alcuni miliardi di dollari.

“Alcuni elementi dei transistor hanno dimensioni pari a non più di dieci atomi di silicio”

Immagini: Copyright Intel Corporation.

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Dalla sabbia a un lingotto

La materia prima necessaria per la produzione dei moderni processori e chip grafici è il silicio, il secondo elemento più diffuso sulla Terra dopo l’ossigeno. Il silicio costituisce infatti circa il 28% della massa totale del nostro pianeta, trovandosi di fatto nella stragrande maggioranza delle rocce e dei composti naturali. La reperibilità pratica di questo materiale di fondamentale importanza è di conseguenza piuttosto semplice, dato che è presente in grandi quantità, sottoforma di diossido di silicio (SiO2), nella sabbia e nel quarzo.

L’estrazione del silicio dalla sabbia avviene tramite una serie di purificazioni fisiche e chimiche (processo Siemens) successive fino a raggiungere uno stadio in cui, all’interno di una polvere cristallina o di alcuni blocchi abbastanza puri, è presente al massimo un atomo estraneo ogni miliardo di atomi di silicio.

Anche se la pulizia ottenuta può sembrare quasi eccessiva bisogna tenere conto che per la costruzione di chip elettronici la presenza di atomi estranei può modificare pesantemente il risultato finale.

In questo stato il materiale è costituito da innumerevoli distinti cristalli di silicio detto policristallino, estremamente puro ma inadatto all’utilizzo nell’elettronica, che richiede l’ausilio di un unico grande cristallo. Per ottenerlo si utilizza il processo Czochralski che, immergendo un piccolo cristallo monocristallino di silicio in rotazione in un bagno fuso di silicio, permette al materiale fuso di aggrapparsi al cristallo seguendone l’orientamento, crescendo fino a diventare un unico grande reticolo cristallino perfettamente ordinato.

L’immagine che è ritratta in queste pagine rappresenta il silicio fuso alla base e la colonna monocristallina che viene sollevata dal centro. Il processo di creazione del lingotto prevede più di un passaggio di questo tipo, necessari per l’accrescimento fino alle dimensioni volute.

Il silicio in questo stato si presenta come un reticolo quadrato, i singoli atomi si dispongono come sulle facce di un cubo, con distanza tra loro di circa 0,5 nanometri (nm). Un lingotto di “Electronic Grade Silicon” così formato ha la forma di un cilindro di 300 mm di diametro, 60 cm di altezza e 100 kg di peso. La purezza di questo cristallo di silicio è fissata a un minimo del 99,9999%.

Dal lingotto al wafer

Il lingotto di silicio purissimo monocristallino è affettato orizzontalmente da lame al diamante nel senso della crescita del cristallo ottenendo, aiutandosi con le proprietà di sfaldatura naturale del silicio, delle fette di materiale purissimo da 300 mm di diametro e spessore di circa 0,775 mm. Questi elementi sono alla base del processo produttivo vero e proprio e, nell’industria elettronica mondiale, sono tradizionalmente chiamati wafer.

Quando Intel iniziò a produrre processori i wafer avevano un diametro di 50 mm, e su ognuno di essi potevano essere costruiti solamente pochi distinti elementi. Al giorno d’oggi su una fetta di silicio da 300 mm di diametro possono essere stipati circa 245 processori top di gamma Core i7, mentre per CPU più piccole come gli attuali Core 2 Duo il numero di unità per wafer sale a 660.

I produttori stanno avviando una progressiva evoluzione che porterà la dimensione dei wafer di silicio a 450 mm di diametro, con un raddoppio della superficie disponibile per la costruzione dei chip. Le stime indicano l’introduzione dei wafer da 450 mm nel corso del 2014.

Data l’anisotropia del silicio monocristallino, le proprietà del materiale dipendono dall’orientamento, sui wafer sono spesso segnate delle tacche per riconoscere la posizione originale. L’ultimo passo prima dell’inizio della produzione dei circuiti integrati è la lucidatura a specchio della superficie con un altissimo grado di precisione, in modo che la superficie dell’intero wafer sia nella pratica un unico piano cristallino di silicio.

“I wafer da 300 mm di diametro cresceranno in futuro fino a 450 mm”

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Passo per passo

Silicio fuso

2 Tramite un processo di accrescimento del silicio fuso viene creato un lingotto purissimo attorno a un singolo cristallo iniziale. Il risultato è un blocco monocristallino do