Elettronica digitale - Come nasce una CPU

Cpu

nate dalla sabbia

Viaggio alla scoperta delle tecnologie produt-

tive che, partendo da uno dei materiali più

abbondanti in natura, permettono di realizza-

re un moderno microprocessore. Di Davide Piumetti

T utti gli appassionati di in- controller di ogni tipo sono infatti grande azienda. Il principio di fon-

formatica e di tecnologia in realizzati in maniera del tutto si- do è però lo stesso, con una tecno-

genere sanno ci certo cosa mile a quello delle Cpu, con gradi logia che raggiunge il proprio api-

è e a cosa serve un processore, il di complessità differenti e con pro- ce con la produzione dei micropro-

componente fondamentale di ogni cessi produttivi propri di ogni cessori più avanzati.

personal computer e dispositivo

elettronico. Questo dispositivo si

trova infatti all’interno della mag-

gior parte degli apparecchi di uso

quotidiano, dall’automobile alla

lavatrice, dal forno a microonde al

proprio smartphone.

Po c h i s s i m i p e r ò c o n o s c o n o i l m o d o

i n c u i è c o s t r u i t a u n a C p u o, am-

pliando il discorso, tutti i micro-

chip di silicio che rendono di fatto

il mondo di oggi quello che cono-

sciamo. I chip grafici, quelli di me-

moria Ram o flash, i chipset e i 76

PC Professionale - Dicembre 2009 Intel afferma a buon ragione che i

processori per personal computer

(includendo anche la concorrenza)

sono senza ombra di dubbio il ma-

nufatto tecnologicamente più

avanzato mai costruito nell’intera

storia dell’umanità.

Partendo infatti da un mucchio di

sabbia (materiale con cui, incredi-

bilmente, sono costruiti i processo-

ri) e utilizzando alcune delle cono-

scenze chimiche e fisiche più com-

plesse e avanzate è possibile otte-

nere, dopo centinaia di passaggi

chimici e meccanici, i chip che go-

vernano tutti i personal computer

moderni.

La creazione di un microchip non

è infatti un semplice procedimen-

to meccanico di assemblaggio, per

la progettazione e costruzione si

devono infatti tenere conto di al-

cune peculiarità della fisica su

scala nanometrica, e avere a che

fare con alcune proprietà esotiche

dei materiali che nel mondo “nor-

male” non sono certo evidenti.

In a l c u n i c a s i p e r l a c o s t r u z i o n e d i

C p u si ha a che fare con elementi

di dimensioni estremamente ridot-

te, con qualche elemento interno

che può raggiungere dimensioni

quasi inimmaginabili, pari in alcu-

ni casi a non più di 10 atomi di sili-

cio. Detto questo è possibile alme-

no intuire la difficoltà concettuale

e progettuale per questi compo-

nenti fondamentali.

Nel seguito, grazie a delle esausti-

ve immagini messe a disposizione

da Intel, vogliamo mostrarvi quali

Per la creazione di chip dalle fun- troppo complesse, mentre per la sono i passi principali per la crea-

zioni semplici e complessità essen- creazione di Cpu tecnologicamente zione di questi componenti, par-

ziale sono sufficienti fonderie (le allo stato dell’arte sono necessari tendo dalla sabbia fino ad arrivare

“fabbriche” di chip in silicio pren- impianti produttivi dal costo di al- alla confezione che trovate sugli

cuni miliardi di dollari.

dono questo particolare nome) non scaffali dei negozi. “

“

Alcuni elementi

dei transistor hanno

dimensioni pari

a non più di dieci

atomi di silicio

Immagini: Copyright Intel Corporation.

77

PC Professionale - Dicembre 2009

TECNOLOGIA

CPU

Dalla sabbia a un lingotto stalli di silicio detto policristallino,

estremamente puro ma inadatto al-

l’utilizzo nell’elettronica, che ri-

chiede l’ausilio di un unico grande

cristallo. Per ottenerlo si utilizza il

processo Czochralski che, immer-

gendo un piccolo cristallo monocri-

stallino di silicio in rotazione in un

bagno fuso di silicio, permette al

materiale fuso di aggrapparsi al cri-

stallo seguendone l’orientamento,

crescendo fino a diventare un uni-

co grande reticolo cristallino per-

fettamente ordinato. L’immagine

che è ritratta in queste pagine rap-

presenta il silicio fuso alla base e la

L a materia prima necessaria per colonna monocristallina che viene

mite una serie di purificazioni fisi-

la produzione dei moderni pro- sollevata dal centro. Il processori di

che e chimiche (processo Siemens)

cessori e chip grafici è il silicio, il creazione del lingotto prevede più

successive fino a raggiungere uno

secondo elemento più diffuso sulla di un passaggio di questo tipo, ne-

stadio in cui, all’interno di una pol-

Terra dopo l’ossigeno. Il silicio co- cessari per l’accrescimento fino al-

vere cristallina o di alcuni blocchi

stituisce infatti circa il 28% della le dimensioni volute. Il silicio in

abbastanza puri, è presente al mas-

massa totale del nostro pianeta, tro- questo stato si presenta come un

simo un atomo estraneo ogni mi-

vandosi di fatto nella stragrande reticolo quadrato (i singoli atomi si

liardo di atomi di silicio.

maggioranza delle rocce e dei com- dispongono come sulle facce di un

An c h e s e l a p u l i z i a o t t e n u t a p u ò

posti naturali. La reperibilità prati- cubo) con distanza tra loro di circa

s e m b r a r e q u a s i e c c e s s i v a

ca di questo materiale di fondamen- 0,5 nanometri (nm). Un lingotto di

bisogna

tale importanza è di conseguenza “Electronic Grade Silicon” così for-

tenere conto che per la costruzione

piuttosto semplice, dato che è pre- mato ha la forma di un cilindro di

di chip elettronici la presenza di

sente in grandi quantità, sottoforma 300 mm di diametro, 60 cm di altez-

atomi estranei può modificare pe-

di diossido di silicio (SiO2), nella za e 100 kg di peso. La purezza di

santemente il risultato finale.

sabbia e nel quarzo. L’estrazione questo cristallo di silicio è fissata a

In questo stato il materiale è costi-

del silicio dalla sabbia avviene tra- un minimo del 99,9999%.

tuito da innumerevoli distinti cri-

Dal lingotto al wafer mensione dei wafer di silicio a 450

mm di diametro, con un raddoppio

della superficie disponibile per la co-

struzione dei chip. Le stime indicano

I l lingotto di silicio purissimo mo- no un diametro di 50 mm, e su ognu- l’introduzione dei wafer da 450 mm

nocristallino è affettato orizzontal- no di essi potevano essere costruiti nel corso del 2014.

mente da lame al diamante nel sen- solamente pochi distinti elementi. Al Data l’anisotropia del silicio mono-

so della crescita del cristallo otte- giorno d’oggi su una fetta di silicio cristallino (le proprietà del materiale

nendo, aiutandosi con le proprietà di da 300 mm di diametro possono es- dipendono dall’orientamento) sui

sfaldatura naturale del silicio, delle sere stipati circa 245 processori top wafer sono spesso segnate delle tac-

fette di materiale purissimo da 300 di gamma Core i7, mentre per Cpu che per riconoscere la posizione ori-

mm di diametro e spessore di circa più piccole come gli attuali Core 2 ginale. L’ultimo passo prima dell’ini-

0,775 mm. Questi elementi sono alla Duo il numero di unità per wafer sa- zio della produzione dei circuiti inte-

base del processo produttivo vero e le a 660. I produttori grati è la lucidatura a specchio della

proprio e, nell’industria elettronica stanno avviando superficie con un altissimo

“

mondiale, sono tradizionalmente una progressiva grado di precisione, in modo

chiamati wafer. Quando Intel iniziò evoluzione che che la superficie dell’intero

a produrre processori i wafer aveva- porterà la di- wafer sia nella pratica un uni-

“ co piano cristallino di silicio.

I wafer da 300 mm

di diametro cresceranno

in futuro fino a 450 mm 78

PC Professionale - Dicembre 2009

TECNOLOGIA

CPU

PASSO PER PASSO Tramite un processo

Silicio

2 di accrescimento del

fuso silicio fuso viene

c re a t o u n l i n g o t t o

purissimo attorno a

un singolo cristallo

iniziale. Il risultato è

un blocco monocri-

stallino do