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Elettronica digitale - Come nasce una CPU Appunti scolastici Premium

Testo relativo all'esame di Elettronica digitale del professor Vincenzo D'Alessandro, cdl in ingegneria informatica. L'articolo spiega passo dopo passo la produzione delle moderne CPU, daòòa sabbia e silicio alla fotolitografia all'incisione vera e propria

Esame di Elettronica Digitale docente Prof. V. D'Alessandro

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ESTRATTO DOCUMENTO

TECNOLOGIA

CPU

PASSO PER PASSO Attraverso una ma-

Sul wafer viene ste- schera opportuna-

so in maniera ra- mente forata e una

diale un sottile lente focalizzante,

strato di liquido viene impressa sul

particolare (chia- wafer una particolare

mato photoresist) forma che andrà a

con proprietà simili costituire i bordi dei

a quelli che erano singoli transistor.

utilizzati per la vec- Questa operazione

chia fotografia su sarà in seguito ripe-

pellicola, in grado tuta più e più volte,

di reagire diretta- disegnando i vari

mente ai raggi di strati dei transistor.

luce ultravioletti.

Stesura

6 7 (scala:

(scala: Esposizione A

photoresist wafer 300 mm)

wafer 300 mm) Il photoresist impres-

La luce ultravioletta sionato dalla luce ul-

che passa attraverso la travioletta viene ri-

maschera colpisce so- mosso con l’utilizzo di

lo determinate zone svariati solventi chi-

del wafer lasciandone mici come ad esempio

in ombra delle altre. Le la soda caustica, la-

zone esposte alla luce sciando scoperto il si-

saranno impressionate licio sottostante. Il

e diventeranno solubi- photoresist non im-

li, quelle in ombra pressionato protegge-

manterranno invece le Rimozione rà il resto del wafer.

loro proprietà. 9

8 Esposizione B (scala:

(scala: photoresist A transistor ~50 nm)

transistor ~50 nm) Dopo l’incisione è

Tramite un bagno possibile rimuovere il

dell’intero wafer nel photoresist rimasto

cloruro ferrico si ri- esponendolo comple-

muove parte del sili- tamente alla luce e la-

cio lasciato scoperto vandolo come in pre-

dal photoresist che, cedenza, lasciando

dove presente, pro- scoperta la nuova for-

tegge il wafer dal- ma del silicio. Per for-

l’attacco del compo- me complesse si ri-

sto chimico. pete l’operazione.

(scala: Rimozione

11

10 (scala:

transistor ~50 nm) photoresist B

Incisione transistor ~50 nm)

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TECNOLOGIA

CPU

Impianto

ionico

I l silicio puro utilizzato come base L’operazione avviene tramite una costruzione di transistor a partire

per i transistor deve a questo tecnica ormai collaudata chiamata da un unico blocco di materiale.

punto essere “drogato” per offrire impianto ionico, che utilizza un Nell’immagine si possono notare i

le caratteristiche fisiche richieste. campo elettrico estremamente po- vari colori che indicano diversi ma-

L’operazione di drogaggio consiste tente per accelerare le particelle teriali. La parte grigia esterna rap-

nell’impianto di impurità nel mate- droganti (atomi di fosforo o arseni- presenta il silicio originale, che ser-

riale in grado di modificarne leg- co per transistor di tipo n oppure ve da contenitore e struttura per

germente le proprietà fisiche ren- boro per transistor di tipo p) ad ol- tutto il wafer. La parte viola è inve-

dendo il silicio più o meno sensibile tre 300.000 km/h in modo che, im- ce un isolante, necessario per fare

ai campi elettrici esterni e più o pattando sul silicio, entrino di forza in modo che le correnti elettriche

meno conduttore. a far parte della sua struttura cri- non vengano disperse inutilmente

stallina. Dopo l’aggiunta dei dro- dalla parte verde, il silicio drogato

P e r f a r e c i ò , d o p o a v e r i n s e r i t o u n ganti, nell’ordine di svariati miliar- cuore del transistor vero e proprio.

is o l a n t e nella zona scavata in pre- di di atomi al centimetro cubo, le La striscia centrale è invece com-

cedenza (si ricopre l’intero wafer proprietà del silicio variano signifi- posta da due strati (in giallo e az-

con il materiale isolante e si elimi- cativamente, rendendo possibile la zurro) di materiale isolante e metal-

na in seguito tutto quello superfi- lico che compongono il gate. Pro-

ciale lasciando solamente quello prio su quest’ultimo rappresenta

nei solchi costruiti in precedenza) e l’interruttore del transistor: quando

uno strato ad elevata costante k ri- presente una tensione (impossibili-

coperto da uno metallico al centro tata a generare corrente grazie al-

Gli ioni droganti

(i famosi high-k e metal gate di In- l’isolante “giallo”), il campo elettri-

sono accelerati a oltre

tel), si ricopre il tutto con il photo- co prodotto aprirà o chiuderà la

resist e, tramite maschera, si lascia strada alla corrente nello strato ver-

300.000 km/h

scoperta la sola zona da drogare. de sottostante.

Deposito permette di ricoprire uniformemen-

tostante, modificato dalla condizio- te una superficie come quella inte-

ne elettrica del gate, il terzo con- ressata con rame elettrolitico puro.

tatto posto leggermente a distanza

di metallo Il procedimento viene effettuato

per non interferire meccanicamen- tramite una corrente elettrica che

te con i due appena descritti. In scorre tra il wafer (polo negativo o

questa immagine le distanze pos- catodo) e una soluzione di solfato

sono anche sembrare notevoli, ma

I

l transistor è a questo punto quasi di rame nel quale viene immerso

nello spessore di un solo capello

completo, ma per l’utilizzo pratico (polo positivo o anodo). Il risultato è

sarebbe possibile inserire diverse

e il collegamento con altri elementi un deposito uniforme di rame su

migliaia di questi piccolissi-

sono ovviamente necessari i tre con- tutta la superficie del wafer e il

mi fori.

source,

tatti elettrici fondamentali: collegamento di tutti i contatti

drain gate. I l c o n t a t t o e l e t t r i c o

e Per la loro costruzione presenti. In seguito verrà ri-

il transistor viene ricoperto da uno mossa la parte superiore,

con l’esterno viene

strato isolante nel quale, in seguito, lasciando scoperti i soli

garantito attraverso

vengono scavati tre buchi in posizio- tre contatti.

un processo chia-

elettroim-

ni predefinite che andranno a co- mato

pianto, che

mandarne il funziomento.

I d u e p i ù r a v v i c i n a t i , a contatto di-

retto con il materiale drogato

(verde), sono rispettivamen-

te source e drain, i due poli

attraverso i quali scorrerà o

meno corrente a seconda

dello stato del materiale sot- 82

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CPU

PASSO PER PASSO Il drogaggio del sili-

Per effettuare un cio avviene tramite il

drogaggio del silicio bombardamento del-

tramite impianto io- la zona lasciata sco-

nico si copre nuova- perta dal photoresist

mente con il photo- con ioni estranei ac-

resist l’intero wafer celerati a oltre

e si rimuove tramite 300.000 km/h . La

maschera e lavaggio forza dell’impatto

la parte che copre la permette agli ioni di

zona da drogare (in entrare a far parte

verde).

Nuova stesura

12 del reticolo cristalli-

(scala:

photoresist no del silicio e di mo-

transistor ~50 nm) dificarne le proprietà

Impianto fisiche.

13 ionico (scala:

Rimosso il photore- transistor ~50 nm)

sist si notano i diversi

elementi del transi-

stor, con la zona ver- Il transistor, quasi

de appena drogata a ultimato, viene rico-

fare da source/drain, p e r t o d a u n ’ a l t ro

quella azzurra da ga- strato isolante la-

te metallico e quella

Rimozione

14 sciando scoperte al-

viola da isolante.

photoresist cune parti che di-

(scala: venteranno in se-

transistor ~50 nm). guito i tre contatti

fondamentali del

L’intero wafer vien- t ra n s i s t o r : s o rc e ,

de dunque immerso drain e gate.

in una soluzione di Transistor

15 (scala:

solfato di rame e quasi ultimato transistor ~50 nm)

collegato al p olo

negativo di un ge-

neratore. Il polo po- Il wafer appare infine

sitivo immerso nel- ricoperto uniforme-

la soluzione per- mente da uno strato

mette al rame di- di rame che, pene-

sciolto nel liquido trando negli spazi

di depositarsi in su- aperti in precedenza

perficie legandosi nel materiale isolan-

al wafer, formando te, funzionerà da

uno strato condutti- contatto per i tre poli

vo uniforme. del transistor.

(scala: Dopo

16 17 (scala:

Elettroimpianto transistor ~50 nm) l’elettroimpianto transistor ~50 nm)

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TECNOLOGIA

CPU

Connessioni

su vari livelli

I l transistor è a questo punto com- al di sopra

pleto, ma inutile. Un singolo ele- dei tre contatti

mento non è infatti in grado di ese- source, drain e

guire alcun calcolo complesso, fi- gate e in seguito

guriamoci avviare un sistema ope- costruita l’impalcatu- com-

rativo o gestire l’intelligenza artifi- ra delle interconnessioni. pongono

ciale dei personaggi di un video- Il procedimento avviene per una rete di in-

gioco. Per tutte queste operazioni gradi, uno strato alla volta, seguen- tercomunicazione

serve un processore completo, com- do la stessa tecnica di deposito di estremamente complessa. La strut-

posto da milioni e milioni di transi- uno strato isolante, incisione in tura tridimensionale deve essere

stor interconnessi tra di loro, in gra- punti precisi e deposito di rame at- attentamente progettata in quanto

do di rispondere in maniera ben traverso elettroimpianto. la corrente che attraversa questi

definita a degli stimoli esterni. microfili di rame non deve interfe-

N e i m o d e r n i m i c r o p r o c e s s o r i

Queste interconnessioni possono come rire in alcun caso con i segnali che

essere anche più numerose dei i modelli Intel Core i7 si possono passano nelle immediate vicinanze.

transistor stessi e talmente com- avere fino a 20 diversi strati che I collegamenti devono inoltre esse-

plesse da richiedere il posiziona- re i più brevi possibili, in modo da

mento su più piani diversi in un inviare segnali elettrici tra i transi-

gioco a incastri tridimensionale che stor nel minor tempo possibile; po-

è ormai diventato uno dei punti cri- trà sembrare fantascientifico, ma la

Le connessioni interne

tici nella progettazione di un pro- riduzione della lunghezza delle

cessore. connessioni di qualche nm può per-

sono più numerose mettere ai produttori di innalzare la

N e l l e i m m a g i n i p o t e t e v e d e r e co- frequenza di funzionamento del-

dei transistor

me in un primo momento venga eli- l’intero processore anche di centi-

stessi

minato lo strato di rame in eccesso naia di MHz.

Test, taglio e scarto

N onostante tutte le tecnologie

impiegate e l’utilizzo di mate-

riali e sistemi di primissimo livello,

non tutti i processori prodotti risul-

tano pienamente funzionanti. Visto

l’utilizzo di nanotecnologie estre-

mamente avanzate, che portano ad passare oltre un macchinario prele-

esempio alcune parti del transistor robotizzato dotato di numerosi con- va e scarta i chip non funzionanti e,

a risultare spesse solo una decina tatti elettrici appuntiti, si appoggia in alcuni casi, mette da parte quelli

di atomi, può capitare che, per al processore nudo e invia determi- che potranno essere venduti come

qualche motivo imprecisato, non nati segnali elettrici (corrisponden- prodotti di fascia inferiore grazie a

tutti i processori funzionino perfet- ti ad alcune istruzioni macchina) in “guasti” non problematici.

tamente. punti ben precisi e registra le ri-

sposte di ogni singolo die, decre- Q u e s t a o p e r a z i o n e

L a p e r c e n t u a l e d i d i e viene fatta

non funzio- tandone il perfetto funzionamento spesso quando si trovano processo-

nanti, quando un processo produt- o il tipo di guasto presente. In se- ri con cache L3 non funzionante,

tivo è ormai ben collaudato, è al di guito attraverso procedimenti auto- venduti come modelli “privi” della

sotto del 5%. Per valutare quali matici, i wafer vengono finalmente cache, oppure quando uno dei core

processori funzionano correttamen- tagliati in tanti piccoli spicchi con- è fallato e una Cpu quad core vie-

te si utilizza un procedimento mec- tenenti un singolo die, che viene ne rimarchiata come triple core.

canico che, tramite uno strumento inoltre lisciato e levigato. Prima di

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TECNOLOGIA

CPU

PASSO PER PASSO Attraverso un pro-

cesso di fresatura

viene levigato il wa-

fer fino a eliminare

tutto il rame deposi-

tato in eccesso, la-

sciando isolati i tre

contatti di source,

drain e gate, che sa-

ranno in seguito

connessi con altri 19

18 transistor. (scala:

Levigatura Connessioni

transistor ~50 nm) I singoli contatti dei transistor vengono collegati tra di loro

attraverso connessioni su diversi livelli, ottenendo un circui-

Un tester elettroni- to composto da oltre 700 milioni di elementi interconnessi: il

co con decine di processore. (scala: combinazione di transistor ~400 nm)

contatti appuntiti si

appoggia su ogni

processore invian- Il wafer viene ta-

do alcuni segnali Taglio gliato in corrispon-

21 del wafer

elettrici standard. denza dei singoli

In base alle rispo- die che, nel caso di

ste di ogni singolo processori Intel Co-

d i e i l p ro c e s s o re re i7 misurano circa

viene accettato o 1,6 cm di lato . Su

s c a r t a t o . ( s c al a : un wafer da 300

Test di

20 die ~1-2 cm) mm di diametro ne

funzionamento vengono costruiti

245. (scala:

wafer 300 mm)

Un braccio meccani-

co separa i die per-

fettamente funzio-

nanti da quelli difet-

tosi. Connessioni al microscopio

Questi ultimi posso-

no essere gettati via dielettrico

o riutilizzati come elettrico) transistor

processori di fascia

più bassa con carat- Materiale (isolante

teristiche inferiori tra

ai modelli top di contatti

gamma.

Scarto dei die (scala:

22 di

Contatti

non funzionanti wafer 300 mm) Serie

diretti Transistor

La foto della sezione di una Cpu, nella quale si può

notare la complessa rete dei contatti tra i transistor.

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PAGINE

12

PESO

2.21 MB

AUTORE

Menzo

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria informatica
SSD:
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Menzo di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Elettronica Digitale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Napoli Federico II - Unina o del prof D'Alessandro Vincenzo.

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