Zowat overal zit vandaag een processor in maar heb jij enig idee wat zo'n ding nu precies is en hoe het gemaakt wordt? We doorlopen het fabricageproces van een microprocessor van de zandbak tot in je computer.

De Wet van Moore, intussen geschiedenis, voorspelde een halve eeuw lang het verloop van de ontwikkeling van de computerchip. Moore voorspelde terecht een verdubbeling van het aantal transistors op een geïntegreerde schakeling (van eenzelfde formaat), en dat iedere twee jaar. Meer transistors op eenzelfde plaats betekent een verkleining van die transistors. Het binnenwerk van computerchips wordt dus steeds kleiner, maar het productieproces steeds moeilijker.

Waarom maakt het formaat van een transistor nu zoveel uit? Hoe zorgen die transistors er voor dat jouw computer Windows kan draaien? En hoe moeilijk is het om een hedendaagse computerchip te maken? We zochten het uit, van het zand tot de Core i7 in je laptop en alles daartussen.

Stap 1: De wafer

Zand: erg high-tech kan je het voornaamste element van de computerchip niet noemen. Zand, in de vorm van verfijnd silicium, vormt de basis van de computerchip. Dat silicium wordt gepurificeerd en vervolgens gesmolten. Door het silicium langzaam te laten stollen, ontstaat er een cilindervormig monokristal. Een dergelijk kristal heeft een uniforme structuur van silicium-atomen, waardoor het als basis van een computerchip kan dienen.  Silicium is een halfgeleider en heeft zo de essentiële eigenschappen voor het maken van transistors. Waarom dat belangrijk is, dat lees je verder.

Silicon Monochrystal
Computerchips worden gebakken op ronde platte schijven: wafers. Die wafers zijn afkomstig van een groot, rond monokristal, dat langzaam maar zeker gegroeid wordt door superheet silicium te stollen.

Uit het cilindervormige blok siliciumkristal, dat een slordige 100 kilo weegt, worden nu schijven gesneden van 300 millimeter diameter en 1 millimeter dik: de wafer. De wafer is de fundering van de microchip, of het nu gaat om een 14 nm Skylake-chip van Intel, of een ouderwetse rekenchip in je Ti83+ grafische rekenmachine van Texas Intruments.

De wafer wordt gemaakt door een toeleverancier en gaat vervolgens de bakkerij in. Dat kan bij het Leuvense imec zijn, waar onderzoek wordt gedaan op het scherpst van de snee om de computerchip van morgen te ontwikkelen. Of in een fabriek van een fabrikant zoals Intel of GlobalFoundries, waar de productie van de chips in je laptop begint. Er bestaan heel wat fabrieken waar men computerchips maakt, maar slechts weinig computerbouwers hebben zelf een dergelijke installatie. Intel en Samsung hebben de productie van hun eigen processors in handen, maar de meeste fabrikanten besteden het maken van een microchip uit aan derden, zoals bijvoorbeeld GlobalFoundries, waar AMD mee samenwerkt, TSMC, of Samsung dat ook z’n eigen fabrieken heeft.

Een chipfabriek of fab is een grote installatie, gevuld met tal van peperdure machines. Dit is Fab 1 van GlobalFoundries in Duitsland.
Een chipfabriek of fab is een grote installatie, gevuld met tal van peperdure machines. Dit is Fab 1 van GlobalFoundries in Duitsland.

In een chipfabriek, kortweg fab genoemd, ondergaat de wafer honderden fabricagestappen waarin de microchip als het ware laag op laag gegroeid wordt op de silicium-fundering. Dat proces begint met het maken van de transistors: het belangrijkste element van de chip.

De elementaire bouwsteen

Alle transistors in microchips zijn Mosfets. Mosfet, wat staat voor metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, is de basisbouwsteen van de hele digitale revolutie en maakt tot vandaag mogelijk dat een microchip überhaupt kan bestaan.

Een transistor is in essentie een schakelaar. De dingen bestaan uit een bron, een poort en een afvoer. Stroom loopt via de bron naar de afvoer, maar alleen wanneer de poort dat toestaat. Is de poort gesloten, dan vloeit er geen stroom door de transistor. Er bestaan twee soorten microtransistors: p-mos en n-mos-transistors. De p-mos-transistor laat enkel stroom door wanneer een negatieve spanning aan de poort wordt aangelegd. De n-mos-transistor werkt omgekeerd: de poort is open wanneer een positieve spanning wordt aangelegd.

Samen slim

Doordat de p-mos-transistor en de n-mos-transistor omgekeerd reageren op een elektrische spanning, kan je ze combineren tot slimme schakelingen. Een circuit dat p-mos- en n-mos-transistors combineert, noemen we een CMOS-circuit.

“Alle microchips ter wereld maken gebruik van CMOS”, verduidelijkt Guido Groeseneken, fellow bij imec en professor aan de KU Leuven. Hij helpt ons wegwijs te raken doorheen de binnenkant van de microchip. “Zonder CMOS kan een kleine chip niet bestaan.” Warmte wordt dan een onoverkoombaar probleem. Groeseneken: “Ook met één soort transistor (p-mos of n-mos) is het mogelijk om een slimme schakeling te bouwen, maar door een dergelijke schakeling loopt de helft van de tijd stroom naar de aarding.” Schakelingen met enkele  miljoenen of een miljard transistors samen zouden dan voor honderden ampères stroom zorgen. De hitte die dat met zich meebrengt, is onmogelijk te beheersen. “Door een CMOS-schakeling loopt nauwelijks stroom, of de output nu 1 of 0 is, althans in statische toestand. Zelfs met miljarden transistors op één chip gaat het dan slechts om enkele ampères.” De chip moet nog steeds gekoeld worden, maar dezer dagen kan dat zelfs passief, zoals de nieuwste laptops zonder ventilator aantonen.

mosfet

Een computerchip bestaat uit tientallen lagen, maar alle transistors bevinden zich op de onderste laag, op het silicium van de wafer. De miljarden transistors worden niet individueel geplaatst, een combinatie van chemische processen zorgt ervoor dat ze geleidelijk ontstaan. In een fab ondergaat een wafer een opeenvolging van vier basisstappen: het deponeren van materiaal, de lithografie, het etsen en de ionen-implantatie.

3 REACTIES

LAAT EEN REACTIE ACHTER

Please enter your comment!
Please enter your name here