Cuando hablamos de los chips, aún existe mucho desconocimiento, ya que es una tecnología tan extrema y avanzada, que es un misterio para muchos. Por eso, en este artículo te mostramos cómo se fabrica un procesador paso a paso, para que esto deje de ser algo desconocido, y comprendas mejor a estos chips y a las especificaciones técnicas de las que te hablan los fabricantes de chips semiconductores…
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Lo primero que se hace es diseñar el chip por parte del IDM o de la fabless, como puede ser Intel o Samsung, en el caso del primer modelo, o Apple y AMD en el segundo. Sea como sea, los procesadores comienzan definiendo qué se espera del procesador y cómo debe ser su arquitectura, es decir, la ISA.
La ISA es el repertorio de instrucciones que podrá interpretar o reconocer el procesador, además de definir los formatos de datos soportados, la organización de la memoria, el número de registros disponibles, y los modos de direccionamiento. Esto puede variar en función de si es RISC, CISC, etc. No obstante, este paso suele hacerse solo una vez, y en las respectivas implementaciones, lo que se hace a lo sumo es introducir algunos sets de instrucciones extra o extensiones.
Por ejemplo, la ISA AMD64 ya estaba hecha por AMD, y ahora la usa Intel y AMD, entre otros, y las mejoras han tratado solo de ir agregando instrucciones extra a la base, como AVX, XOP, FMA4, etc. Es más, incluso AMD se encontró parte del camino hecho, ya que simplemente se basó en la ISA IA-32 de Intel, y agregó extensiones para 64-bit en lugar de los 32-bit anteriores. En otros casos pasa igual, ya que la mayoría de ISAs han sido desarrolladas hace décadas, excepto algunas nuevas como RISC-V, pero el resto se limitan solo a agregar instrucciones que pueden mejorar el rendimiento en la actualidad, adaptándose al nuevo software o cargas de trabajo. En el caso de otros, como Apple, también lo tienen fácil, ya que también tienen la ISA ya hecha, simplemente usan la ARMv8 para implementar tus chips…
Los diseñadores también establecerán objetivos, como el nivel de rendimiento, el consumo, etc., algo que puede variar en función de los objetivos o al sector al que vaya dirigido el chip. No es lo mismo un procesador para dispositivos móviles que uno para HPC, como es evidente.
Una vez se tiene esto, lo siguiente es diseñar la microarquitectura, es decir, la implementación física necesaria para poder ejecutar todas las instrucciones de la ISA y las extensiones de la forma más rápida y eficiente posible. En este paso se diseñan las unidades funcionales, el control de flujo de los datos, la memoria caché, etc.
Si se trata de un SoC, junto con el procesador o CPU irán también otras unidades que también habrá que diseñar por separado en estas etapas, pero que finalmente tienen que unirse y ser compatibles entre sí, como puede ser una iGPU, NPU, DSP, etc.
Ahora que ya está todo a nivel lógico y esquematizado, lo siguiente es empezar a diseñar esta microarquitectura a nivel electrónico, es decir, diseñar el circuito real como tal. Y para eso se emplean lenguajes de descripción de hardware o HDL, como puede ser Verilog y VHDL. El software empleado se denomina EDA (Electronic Design Automation), y en ellos se puede describir mediante lenguajes las puertas o unidades lógicas básicas como AND, OR, NOT, NAND, NOR, etc., así como ir construyendo bloques más grandes como celdas de memoria, sumadores, registros, etc., para finalmente unirlos para formar las unidades funcionales como la unidad de control, ALU, FPU, etc., y estas a su vez para fomar el procesador completo.
Al usar HDL, se permite a los ingenieros o arquitectos poder describir de forma más abstracta la microarquitectura o circuito, además de que estos programas pueden luego hacer simulaciones y verificación para ver que todo funciona de forma adecuada antes de fabricar el chip. Entre las pruebas realizadas se hacen simulaciones funcionales o lógicas, temporización para ver que se cumplen los tiempos y no hay retrasos, análisis de comportamiento, e incluso se pueden emular los procesadores y cargar instrucciones o programas para ejecutarlos y ver cómo se comportarían en un caso real.
Una vez se ha probado y verificado todo, lo siguiente es la síntesis y colocación o emlazamiento. Es decir, convertir estas descripciones lógicas de HDL a nivel de puertas lógicas y circuitería, ubicando estas puertas lógicas o celdas elementales en la superficie de lo que será el chip y realizando el enrutamiento, es decir, cómo se conectarán estas celdas elementales para poder implementar el procesador.
Al terminar esta fase, el circuito del procesador está ya casi listo para enviarse a la foundry o fábrica de chips. Solo falta pasar el layout o plano obtenido tras este diseño a fotomáscaras. Las máscaras son patrones de cromo y cuarzo que se usarán más tarde para las etapas de fotolitografía. Estas máscaras pueden fabricarse a nivel interno por la propia compañía o encargarse a terceros. Sea como sea, un procesador actual puede estar compuesto de decenas de capas, ya que se necesitan repeticiones del proceso para poder obtener el circuito completo…
Cada máscara servirá para una capa del chip. Las partes de cromo no dejan pasar la luz, mientras que las de cuarzo dejan pasar la luz, esto es la base de la fotolitografía… Por ejemplo, para implementar la celda CMOS que vas visto en la foto del layout anterior, se necesitarían unas 5 o 6 máscaras, la primera para crear el pozo semiconductor N grabando el óxido, otra para los pozos P, para los pozos N por implantación iónica, otra para el óxido de puerta, y el polisilicio o contacto de puerta, y otro para las interconexiones metálicas que ves en azul.
Haciendo un paréntesis, ahora que ya sabemos cómo se diseña el procesador, lo siguiente es obtener el silicio, que se encuentra principalmente en la arena, el cuarzo y otras rocas de la corteza terrestre. La extracción del silicio se realiza a través de minería a cielo abierto o subterránea.
El mineral obtenido se muele para convertirlo en polvo y luego se realizan una serie de reacciones químicas para ir eliminando impurezas, consiguiendo un silicio más puro, sin otros minerales. El dióxido de silicio o SiO2 se reduce con carbono en un horno eléctrico y así se consigue el silicio metálico.
Ahora que tenemos Si, este metal se purifica aún más mediante procesos adicionales para conseguir lo que se conoce como MSG o Metallurgic Grade Silicon, es decir, silicio de grado metalúrgico, con una pureza próxima al 99%. Sin embargo, esto no es suficiente para la industria de los semiconductores. Se necesitaría transformarlo en EGS o Electronic Grade Silicon, para ello, se funde el MSG y se purifica mediante un proceso Siemens, usando cloruro de trimetilo o TMC que eliminará las impurezas que queden.
El silicio una vez purificado se funde y se forma polisilicio puro, que se enviará al siguiente paso de la producción, esta vez en la foundry…
El tipo de silicio necesario para fabricar procesadores tiene que ser de tipo monosilicio, por tanto, el EGS aún no se considera bueno para los chips. Sin embargo, producir cristales monocristalinos, con una sola orientación del cristal frente a las diversas orientaciones del polisilicio, es muy costoso y lento para hacerlo en el laboratorio. Solo se pueden conseguir pequeños cristales, pero suficientes para usarlos como cristal semilla en un proceso conocido como crecimiento del cristal.
En el crisol se agregan algunas impurezas o dopantes en pequeñas cantidades, de un átomo por cada millón de átomos de silicio, o incluso en cantidades inferiores. Esto cambia las propiedades del semiconductor, haciendo que se convierta en un sustrato N (si se agrega fósforo (P), arsénico (As), o antimonio (Sb)), o de tipo P (en caso de que se agreguen Boro (B) o Galio (Ga)). En el caso del N, los átomos de impurezas agregan un exceso de electrones libres a la estructura cristalina, mientras que en el caso del tipo P se agregan huecos, es decir, un déficit de electrones. Así es como se obtienen los portadores de carga bajo los que funcionan los semiconductores…
Utilizando el pequeño cristal monocristalino creado en el laboratorio, se conecta a una varilla y se introduce en un crisol con silicio EGS fundido. En el método conocido como Czochralski, al ir girando y subiendo esta varilla, así como controlando de forma minuciosa la temperatura, el silicio fundido se irá pegando al cristal semilla como el algodón de azúcar se pega al palo en los típicos puestos de feria, haciendo que crezca en diámetro, pero con una particularidad, el resultado será un cilindro o lingote de monocristal, en la misma dirección que el cristal semilla (111, 100,…).
Por tanto, ahora ya tenemos un gran lingote barato para poder fabricar chips en masa, y una vez se enfría y solidifica, el resultado puede someterse a procesos adicionales como el recocido para aliviar tensiones internas y mejorando la calidad del cristal, además de un proceso de porte, loncheando el lingote en obleas o wafers.
Una vez se consiguen las obleas, con diámetros de unos 300 mm (esto depende del crisol usado, generando un lingote de más o menos grosor) y grosores de unos 800 micrómetros o menos, usando sierras de alambre o diamante, el resultado será una oblea con imperfecciones superficiales debido al corte. Se necesita una superficie macular, como un espejo, para poder producir chips y reducir al máximo los fallos. Por eso, se someten las obleas a un proceso de pulido muy fino, y finalmente se limpian para eliminar residuos y se pueden realizar pasos adicionales como tratamientos de los bordes, chaflanes para determinar la orientación cristalina, inspección, etc.
Uno de los primeros procesos al llegar la oblea a la foundry es el de la oxidación del silicio, un proceso químico en el que el silicio (Si) de la superficie de una oblea de silicio reacciona con el oxígeno (O2) de un horno para formar dióxido de silicio (SiO2). Existen varias formas de obtener esta oxidación, como:
Generalmente se emplea el primero, y una vez creada la capa de óxido, éste puede usarse tanto como aislante entre capas metálicas, dieléctrico de puerta, como máscara o como pasivación, para proteger la oblea. En este caso, se quiere generar una capa que actuará como máscara para el siguiente paso…
Una vez tenemos la oblea lista, se pueden realizar pasos adicionales como la limpieza, para eliminar cualquier contaminante que pueda afectar al proceso. Luego se deposita la fotoresina, una capa líquida de material que tiene propiedades que cambian si se expone a la luz. Mediante un spinner, la oblea se gira a altas revoluciones y el líquido se reparte uniformemente. Luego se realiza un precodido en un horno a baja temperatura para eliminar los solventes de esta capa y hacer que se solidifique.
Ahora que la oblea está ya lista, se introduce en la máquina de fotolitografía, se alinea correctamente con la fotomáscara primera, para obtener el patrón deseado, y se expone mediante un sistema de lentes a una luz, como puede ser la EUV o Extrem UltraViolet. Así, la luz atravesará las zonas de cuarzo de la fotomáscara y se bloqueará en las zonas de cromo.
El resultado es que la fotoresistencia de la oblea quedará expuesta solo en aquellas zonas que no han sido bloqueadas por la fotomáscara, y que al estar expuestas a la luz cambiarán sus propiedades. Es posible que se necesite un nuevo horneado para el curado. Según sea una fotoresina positiva o negativa, las partes expuestas se endurecen o se ablandan, por decirlo de algún modo, de tal forma que cuando se introduce la oblea en un baño químico de un ácido, las zonas expuestas se eliminarán de la superficie si es positiva, o se eliminarán las zonas no expuesta si es negativa.
Esto hará que zonas del óxido superficial de la oblea queden expuestas, sin que la fotoresina las proteja. Y, tras un baño o enjuague en agua para eliminar químicos, continuará en el siguiente paso…
Una vez tenemos expuesto la parte de dióxido de silicio que queremos, se procede al grabado o ataque químico de éste, para ello se emplean agentes como el ácido fluorhídrico (HF) o plasma de flúor (F2), para eliminar el SiO2 de las áreas no protegidas por la fotoresistencia endurecida. Se controla cuidadosamente la velocidad y la profundidad del grabado para garantizar la precisión del patrón.
Una vez se ha llegado al silicio base, el sustrato de la oblea queda expuesto, y entonces se llevará a cabo el siguiente paso…
Un pequeño apunte, nosotros buscamos crear un transistor, por ejemplo, un MOSFET, y hay que pasar de un substrato P, por ejemplo, a esto otro:
Para conseguir lo dicho anteriormente, es decir, crear los pozos N (o P), en el sustrato P (o N), se necesita un proceso denominado implantación iónica, y que consiste en disparar iones de impurezas o dopantes de tipo N o P a las partes expuestas del silicio, haciendo que estos átomos penetren en la red cristalina del silicio y de ese modo se formen estos pozos.
Las partes que están protegidas por el dióxido de silicio no serán alteradas, ya que esta capa actúa como una barrera protectora. Eso es lo que se buscaba con la fotolitografía… Por tanto, solo se ha conseguido crear miles de millones de estos pozos en toda la superficie de la oblea, que luego servirán para crear la fuente y drenador del transistor MOSFET que se quiere obtener.
Ahora ya están los pozos creados, ya tenemos zonas N y P para nuestros transistores. Lo siguiente será el proceso conocido como difusión, que se realiza tras la implantación iónica, y es que la oblea se somete a un proceso de recocido a alta temperatura para permitir que los iones dopantes se difundan por la estructura cristalina de una mejor forma, además también se activan los dopantes, haciendo que formen parte de la estructura cristalina del cristal de silicio y, lo que es también importante, la estructura cristalina que ha podido quedar rota por los proyectiles lanzados contra ella (iones), será reparada.
Ahora, una vez ya ha servido la capa de óxido de silicio, la oblea se vuelve a bañar en ácido y se introduce en un aclarado con agua pura para eliminar el ácido y parar el ataque. Ya no nos sirve la capa de óxido, ha cumplido su función. No obstante, es posible que se tenga que crecer una capa de dióxido de silicio o de otros dieléctricos en capas muy delgadas bajo la puerta del transistor, repitiendo los procesos anteriores… Es decir, de este modo se crea el conocido como óxido de puerta, bajo el electrodo de la puerta del MOSFET.
Ahora se volverán a repetir los procesos anteriores tantas veces como sea necesario, en ocasiones decenas de veces, hasta que se usen todas las fotomáscaras necesarias para crear el circuito que se busca. Sin embargo, una vez el transistor (todos los transistores de los chips de la oblea) han sido terminados, las siguientes capas metálicas para generar las conexiones de los transistores y las interconexiones metálicas, se suelen depositar mediante procesos físicos como los que veremos posteriormente.
Es decir, una vez que ya está creado el MOSFET, en este caso, lo siguiente es crear la primera capa de metal, la M1, que aparece en amarillo, y que puede ser de diferentes metales, como el tungsteno. Luego vendrá la M2, M3, etc., que suelen ser de cobre (en el pasado de aluminio hasta que IBM y AMD consiguieron grandes avances en la tecnología Cu que ahora es el estándar). Las primeras capas servirán para conexiones locales, es decir, conectar distintas puertas, drenadores y fuentes de distintos transistores para formar puertas lógicas, las siguientes capas unirán puertas lógicas para crear unidades funcionales, y las capas globales unirán éstas para crear el procesador todo interconectado como se aprecia en las imágenes anteriores. En microprocesadores avanzados puede haber hasta 20 o 30 capas metálicas, por lo que los procesos de fotolitografía, grabado, y deposición se tienen que repetir muchas veces hasta completar el chip…
Para depositar materiales metálicos (W, Al, Cu,…) en las siguientes capas del chip para el procesador, se emplean varios métodos:
La elección entre CVD y PVD depende de los requisitos específicos de la aplicación, como el tipo de metal, la calidad de la película deseada, la velocidad de deposición y el coste, etc. En general, la CVD se utiliza para la deposición de películas de alta calidad y uniformidad, mientras que la PVD se utiliza para la deposición de una amplia gama de materiales a alta velocidad, por ejemplo, CVD para capas metálicas inferiores y PVD para capas metálicas superiores…
Ir creando estas capas metálicas de las que te hablé implicará también procesos adicionales, como el grabado, una vez se deposita una capa completa de metal para solo dejar las partes deseadas, y el pulido, que se lleva a cabo para mejorar la calidad, rugosidad y tamaño de estas pistas conductoras que llevarán las señales eléctricas a todo el chip.
Es importante destacar que el pulido de las capas metálicas de cobre es un proceso complejo y requiere un alto nivel de precisión y control para garantizar la calidad y el rendimiento del chip. De hecho, anteriormente se usaba tecnología de aluminio precisamente porque el cobre necesita de este paso adicional de pulido, lo que se consideraba extremadamente sucio para una sala limpia en la que se fabrican los chips. Sin embargo, el avance de la tecnología y la maquinaria, permitió que el Cu pudiera sustituir al Al, permitiendo aumentar la frecuencia de reloj y rompiendo por primera vez la barrera de 1Ghz en el mítico Athlon (K7 Thunderbird)…
Las salas blancas, también conocidas como salas limpias, son entornos controlados con niveles extremadamente bajos de partículas en suspensión, humedad y temperatura. Estas condiciones meticulosas son esenciales para evitar la contaminación y los defectos que podrían arruinar los delicados componentes electrónicos de un chip, que se fabrican en tamaños que solo miden unos nanómetros. Estas salas pueden tener entre 0.01 partícula por metro cúbico de aire hasta 1 como máximo, mientras que un quirófano puede tener cientos o miles más para hacerte una idea…
La última capa metálica es importante, ya que se crean los llamados pads, es decir, superficies cuadradas de cobre que servirán para luego conectar los pines o patillas exteriores del procesador con el interior del circuito. Estos pads son terminaciones de metal en la última capa de cobre, donde se soldarán los hilos en los empaquetados wire-bond o a las bolas para los tipo flip-chip.
Además, para finalizar, se crece también otra capa de dieléctrico, como el dióxido de silicio para pasivación, es decir, como protección del chip.
El siguiente paso es someter al wafer u oblea, donde ya se han fabricado vientos de procesadores, en torno a 200 en las obleas de 300 mm actuales, a pruebas. Cada test comprobará factores determinantes del semiconductor, además de hacer contacto con distintos puntos o pads del chip para introducir señales y ver la respuesta del chip. Existen bancos de pruebas que permiten aplicar todas las señales completas de alimentación, datos y frecuencia de reloj para realizar el mapa de la oblea para el llamado binning.
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Una vez realizado el mapeado de la oblea y el proceso de binning, lo siguiente es cortar la oblea en dados o chips inviduales, cada uno destinado a un procesador. Si se trata de un 3D packaging o un chiplet, se necesitarán varios de estos chips o dados para completar el procesador.
El proceso de corte es simple, se coloca la oblea terminada y se procede a cortar mediante una sierra a través de unas líneas o surcos que se dejan entre chip y chip, y que no están ocupadas por ningún circuito.
Una vez tenemos los chips individuales, se realizará el proceso de empaquetado, que puede realizarse en la misma foundry o en una factoría de empaquetado diferente. Por eso algunos chips ponen Diffused in Taiwan (dónde se fabricó el chip), y Enssambled in Malayisia (donde se encapsula). Con el encapsulado y empaquetado no solo se protege el chip del exterior, también se crear la interfaz LGA, BGA, PGA, etc., para que el chip pueda comunicarse con el exterior, y el exterior con el chip, además de ser alimentado con señales de voltaje, tierra, y frecuencia de reloj.
Para simplificar, voy a describir el proceso que más se usa para los procesadores, es decir, el Flip-Chip que se puede ver en el vídeo anterior, que ha sustituido al anterior wire bonding:
Como sabes, actualmente también existe el empaquetado 3D y los chiplets o MCM.
Ahora el proceso ha llegado a su fin, desde un simple diseño por ordenador y el mineral del silicio, hemos obtenido un complejo procesador. Estas unidades terminadas se empaquetan y envían para su venta en caja, OEM, Retail, o en grandes cantidades para los ODM que los ensamblarán en sus equipos…
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En este vídeo se puede apreciar el proceso de creación del circuito partiendo de pequeñas piezas 3D de plástico que el autor va encajando y entrelazando para así formar el chip que se necesita… Una forma muy visual tanto para menores como también para que los principiantes puedan comprenderlo mejor.
Deja tus comentarios con las dudas que tengas, serán contestados… Espero que te haya gustado y te ayude a comprender mejor la fabricación de chips.
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