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Dentro le fabbriche di Intel: dai micrometri ai nanometri

 

Ogni moderno microprocessore è costituito da milioni di componenti elettronici di base: i transistor. Nel tempo, i transistor sono diventati sempre più piccoli, consentendo alle aziende come Intel di inserirne un numero sempre maggiore all’interno dei moderni microprocessori.

Pensate che nel 1971 il primo processore Intel 4004 conteneva 2.300 transistor. 44 anni dopo, la CPU Intel Core Skylake di sesta generazione ne ha oltre 1,3 miliardi. È grazie a questo numero sempre crescente di transistor che disponiamo di una tecnologia di computer che entra letteralmente nelle nostre tasche.

Come si può facilmente immaginare, la realizzazione di queste CPU così avanzate è un procedimento complesso. In questo articolo diamo un’occhiata all’interno delle fabbriche Intel (le cosiddette “Fab”) per scoprire come funzionano.

Il processo di preparazione

Intel e altri produttori di chip acquistano i materiali di base da produttori specializzati, che li riforniscono con sabbia di quarzo e silicio. Il silicio, dopo l’ossigeno, è il secondo elemento più comunemente reperibile sulla Terra.

Questo materiale viene modellato in cilindri di silicio (lingotti di silicio monocristallino), del diametro di 300 mm, purificati in modo tale che al loro interno sia presente meno di un atomo estraneo per miliardo. Questo risultato si ottiene sciogliendo gradualmente il cilindro e spingendo le impurità in direzione verticale dal basso verso l’alto.

Immaginate una candela di cera avvolta in una spirale di calore, come un elemento in un riscaldatore a immersione. La spirale si sposta su e giù per tutta la lunghezza della candela dal basso verso l’alto e, sciogliendola gradualmente, le imperfezioni vengono per così dire lavate via, come togliere la schiuma dalla superficie di una zuppa.

Una volta solidificato, il lingotto viene tagliato in wafer di 300 mm. I wafer vengono poi testati meccanicamente in una scatola a vibrazioni per garantire che siano in grado di sostenere il trasporto (aereo o terrestre) verso la fase successiva del processo produttivo.

Il processo produttivo

Durante il processo produttivo, i wafer di silicio vengono dotati di maschere fotolitografiche applicate sui singoli strati. Questo passaggio è seguito dai processi di esposizione e incisione (quest’ultimo viene ripetuto diverse volte), fino al punto in cui processori con milioni e persino miliardi di transistor vengono incisi sui wafer di silicio.

Questi transistor compongono i singoli circuiti flip-flop, che a loro volta formano un circuito logico. Un altro livello è costituito dal processore programmabile con un grado elevato di intelligenza autonoma. Nel contesto della manifattura delle piastre di silicio, questo processore è ancora chiamato die (ovvero un processore senza core e senza aree di contatto).

I singoli processori derivati dai wafer vengono sottoposti a ulteriori test. La produzione del wafer di silicio è un processo talmente delicato che alcuni errori, specialmente nei processori separati, compariranno comunque.

Massima pulizia delle aree di fabbricazione

La produzione dei semiconduttori richiede una pulizia rigorosa. All’interno della Fab 24 di Intel, ad esempio, la purezza dell’aria è 10.000 volte superiore a quella di una sala operatoria. All’interno della Fab viene generato un livello di pressione tale da garantire l’impenetrabilità di impurità all’interno. Tutte le particelle indesiderate vengono risucchiate all’esterno attraverso piccole fessure, in particolare in prossimità delle porte.

Gli unici addetti a non dover indossare tute protettive sono quelli della Fab 10, che erano soliti prestare assistenza ad alcune operazioni di produzione.

Quando in questa fabbrica è stato riscontrato un tasso di errore superiore al consueto (a quel tempo la Fab impiegava ancora tecnologia submicrometrica), le analisi dimostrarono che dipendeva da granelli di polline penetrati nell’area di produzione durante la stagione primaverile.

Per sicurezza, Intel ha introdotto una nuova regola che richiede ai fumatori di sciacquarsi la bocca dopo la “pausa sigaretta”, dato che anche le particelle di fumo possono potenzialmente aumentare i tassi di errore.

Nella Fab 24 non ci sono proprio addetti. Tutto è completamente automatizzato. L’unica presenza umana è un addetto ai test dei dispositivi che si presenta occasionalmente con un notebook, avvolto in una tuta protettiva.

https://www.youtube.com/watch?v=QVQZWt7lNpI

La produzione dei semiconduttori richiede inoltre che la fabbrica sia suddivisa in due metà: una “senza rame” e una “con rame”. Il rame è considerato “velenoso” nella produzione del silicio, in quanto può danneggiare le giunzioni p-n (le interfacce tra diversi tipi di materiale semiconduttore) all’interno di un semiconduttore.

Confronto dimensionale

Un capello umano ha un diametro di 75-100 micrometri (100.000 nanometri). La più piccola particella visibile all’occhio umano è più grande di 50 micrometri. La fabbrica con tecnologia a 45 nm ha dovuto essere certificata per la precisione costruttiva a 0,5 micrometri. L’ampiezza della giunzione p-n dei semiconduttori con tecnologia a 45 nm è di 20 nm, inferiore alle dimensioni del virus dell’influenza (inclusa l’influenza suina).

Il percorso verso la produzione dei PC

Subito dopo il test dei singoli core, i wafer di silicio vengono di nuovo testati per la resistenza meccanica. Vengono imballati in un contenitore speciale e trasportate a Singapore per un altro processo di produzione. Qui vengono tagliati in processori separati, sottoposte a ulteriori test, di nuovo imballati e infine spediti ai produttori di PC.

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Nuove tecnologie a 10 nm e transistor 3D

Intel sta già utilizzando la tecnologia a 14 nm nella sua linea di processori Intel Core di sesta generazione del 2015, ma sono già all’orizzonte chip a 10 nm che integrano transistor 3D. Intel continuerà a migliorare i suoi processi produttivi, sia realizzando nuove fabbriche sia riconvertendo le strutture esistenti.

Intel ha Fab in tutto il mondo per garantire la produzione continua di chip in caso di disastri naturali localizzati. L’azienda non avvia la produzione in nuove fabbriche fino a quando non raggiunge obiettivi ottimali in merito a rendimento, performance, ecc.

Sarà molto interessante vedere fino a che punto sarà possibile spingere i limiti della produzione dei processori, come sarà la loro roadmap e quali passi successivi seguirà la strategia “Tick-Tock” di Intel.

 

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