CPU được sản xuất như thế nào? 14 công đoạn từ cát đến vi xử lý

Một con chip trong CPU là kết quả của hàng nghìn bước sản xuất. Bài viết tóm tắt quy trình theo thứ tự trong tài liệu From Sand to Silicon của Intel, nêu đúng các con số mà hãng công bố, để bạn hiểu vì sao CPU có nhiều mức hiệu năng khác nhau dù cùng một dây chuyền.

Từ cát đến tấm wafer

1. Tinh chế silicon: silicon là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái Đất và phải được tinh chế đến mức dưới một nguyên tử lạ trên một tỷ nguyên tử.
2. Kéo thỏi (ingot): silicon nóng chảy được kéo thành khối trụ đơn tinh thể đường kính khoảng 300 mm, nặng khoảng 100 kg.
3. Cắt và đánh bóng: thỏi được cắt thành các tấm wafer rộng khoảng 300 mm, dày khoảng 1 mm rồi đánh bóng. Intel nêu wafer từng chỉ 50 mm khi hãng bắt đầu sản xuất chip.

Tạo các transistor trên wafer

1. Quang khắc: phủ chất cảm quang, chiếu tia cực tím qua mặt nạ, rồi hiện hình để lại mẫu; hình ảnh mặt nạ được thu nhỏ bằng thấu kính và lặp lại trên toàn wafer.
2. Cấy ion: bắn ion vào phần silicon lộ ra để thay đổi tính dẫn điện, tạo các giếng (wells) nơi sẽ xây transistor.
3. Khắc: dùng mặt nạ cứng định hình các vây silicon (fin) chứa kênh dẫn của transistor, phần silicon thừa bị ăn mòn hóa học.
4. Tạo cổng: tạo cổng tạm bằng silicon dioxide và polysilicon rồi cách điện; Intel dùng hướng gate-last để tránh ảnh hưởng của các bước nhiệt độ cao về sau.
5. Cổng high-k/kim loại: gỡ cổng tạm, phủ lớp high-k bằng lắng đọng lớp nguyên tử rồi phủ cổng kim loại, cho hiệu năng tốt hơn và rò rỉ thấp hơn so với silicon dioxide/polysilicon.

Nối dây, thử nghiệm và đóng gói

1. Lắng đọng đồng: mạ điện trong dung dịch đồng sulfat để lấp các lỗ khắc trong lớp cách điện.
2. Đánh bóng và nhiều lớp kim loại: chip có thể có hơn 30 lớp kim loại nối các transistor; sau đó thêm các hạt hàn làm điểm kết nối điện với bên ngoài.
3. Kiểm tra trên wafer: mỗi chip được thử điện với các mẫu kiểm tra.
4. Cắt die: wafer được cắt thành từng die, kích thước khoảng 10 mm; chỉ die đạt mới được đóng gói.
5. Đóng gói: ghép đế, die và tấm tản nhiệt (heat spreader) thành bộ xử lý kích thước khoảng 20 mm.
6. Thử cuối và phân loại bin: bộ xử lý được thử về chức năng, hiệu năng và điện năng; các chip cùng khả năng được xếp chung một bin trước khi giao cho nhà sản xuất máy hoặc bán lẻ.

Nhờ phân loại bin, các chip cùng quy trình có thể thành các mã sản phẩm có xung nhịp, số nhân hoặc mức điện năng khác nhau; xem thêm các dòng CPU Intel và CPU AMD. Lưu ý bài tài liệu của Intel mô tả công nghệ 22 nm và hãng đã nêu kế hoạch chuyển sang wafer lớn hơn, nên chi tiết cụ thể có thể khác ở các thế hệ chip mới.

Điều này ảnh hưởng gì khi bạn mua CPU?

Hiệu năng thực tế phụ thuộc vào thiết kế và bin của từng mã sản phẩm, vì vậy hãy xem thông số công bố (số nhân, xung, công suất) thay vì chỉ nhìn tên dòng. Cần tư vấn chọn CPU cho bộ máy, xem danh mục CPU, PC Gaming, PC Workstation hoặc Build PC theo yêu cầu. Với chơi game, card đồ họa như RTX 3050 hoặc dòng RTX 5000 cũng quan trọng không kém CPU.

Từ silicon tinh khiết đến bộ xử lý hoàn chỉnh là chuỗi công đoạn chính xác cao; kết quả cuối cùng được thử và phân loại theo khả năng thực tế của từng chip.

Câu hỏi thường gặp

CPU làm từ vật liệu gì?

Chủ yếu là silicon được tinh chế đến độ tinh khiết rất cao, theo Intel.

Silicon được tinh chế đến mức nào?

Dưới một nguyên tử lạ trên một tỷ nguyên tử.

Thỏi silicon (ingot) có kích thước ra sao?

Đường kính khoảng 300 mm, nặng khoảng 100 kg.

Wafer dày bao nhiêu?

Khoảng 1 mm, rộng khoảng 300 mm.

Quang khắc là gì?

Phủ chất cảm quang rồi chiếu tia cực tím qua mặt nạ để tạo mẫu trên wafer.

Chip có bao nhiêu lớp kim loại?

Có thể hơn 30 lớp theo Intel.

Vì sao dùng đồng để nối?

Tài liệu Intel nêu đồng được lắng đọng bằng mạ điện để lấp các lỗ khắc trong lớp cách điện.

Die là gì?

Là từng con chip được cắt ra từ wafer, kích thước khoảng 10 mm.

Bộ xử lý hoàn chỉnh có kích thước bao nhiêu?

Khoảng 20 mm sau khi đóng gói.

Binning là gì?

Phân loại các chip có cùng khả năng vào cùng nhóm sau khi thử nghiệm.

Chip hỏng có bị đóng gói không?

Không. Chỉ die đạt thử nghiệm mới được đóng gói.

Quy trình hiện nay có giống tài liệu này không?

Tài liệu mô tả công nghệ 22 nm; các thế hệ mới có thể khác chi tiết.