Diameter rambut manusia adalah 70,000 nanometer dan kelilingnya adalah 220,000 nanometer. Memproduksi chip menggunakan proses 5 nanometer seperti membangun 44,000 jalan di sepanjang sehelai rambut.

Penulis: Liu Zhirong Sumber: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

Pada 15 Mei 2020, Amerika Serikat mengeluarkan larangan terhadap chip Huawei. Sejak saat itu, chip tersebut menarik perhatian luas dari masyarakat Tiongkok. Larangan tersebut mulai berlaku pada 15 September. Produsen chip ternama dunia seperti TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix, dan Micron tidak lagi dapat memasok chip ke Huawei. Pada 16 September, Komisi Pusat untuk Inspeksi Disiplin menerbitkan sebuah artikel di situs web resminya yang menyatakan bahwa "Penghentian pasokan chip Huawei mungkin merupakan awal dari nirwana industri chip Tiongkok."

Kita membicarakan keripik setiap hari, tetapi tahukah Anda apa itu keripik?

1. Bagaimana penemuan chip telah mengubah kehidupan manusia?

Pada tanggal 23 Desember 1947, tiga ilmuwan dari Bell Labs di Amerika Serikat, John Baden, William Shockley, dan Walter Bratton, menemukan transistor kristal germanium, yang mengantarkan dunia elektronik ke era semikonduktor. Ketiga penemu transistor tersebut memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 1956.

Dekade 1950-an adalah zaman keemasan semikonduktor. Hampir semua material semikonduktor dan proses dasar dikembangkan selama periode ini.

Pada tanggal 18 Oktober 1954, Texas Instruments menemukan radio transistor. Radio dengan empat transistor ini berukuran cukup kecil untuk muat di saku Anda.

Pada tanggal 12 September 1958, insinyur elektronik Texas Instruments, Jack Kilby (1923-2005), menemukan sirkuit terpadu dan berhasil memproduksi sirkuit terpadu pertama di dunia, yaitu sebuah chip, pada tahun 1959. Sirkuit terpadu ini dibuat dengan mengukir transistor PNP (transistor), resistor, dan kapasitor pada chip germanium, dan menggunakan kabel eksternal untuk menghubungkannya membentuk sebuah sirkuit. Sirkuit terpadu sederhana ini memulai industri chip, mendorong ilmu pengetahuan dan teknologi manusia ke puncak baru, dan sepenuhnya mengubah cara hidup manusia.

Kemajuan teknologi manufaktur chip yang berkelanjutan telah sangat menurunkan harga satu transistor. Pada tahun 1959, terdapat 6 transistor pada sebuah chip, setara dengan $10 per transistor; pada tahun 1971, terdapat 2,000 transistor pada sebuah chip, setara dengan $0.3 per transistor; pada tahun 2004, terdapat puluhan miliar transistor pada sebuah chip, dan harga satu transistor turun menjadi sepersejuta dolar. Peningkatan kinerja biaya chip telah memungkinkan chip untuk masuk ke rumah-rumah masyarakat biasa.

Chip dapat dikatakan sebagai penemuan terbesar abad ke-20, dan banyak penemuan lain juga berbasis chip. Saat ini, kita hidup di dunia yang dikelilingi oleh chip, dan akan sulit untuk bergerak tanpa chip.

Kehidupan sehari-hari manusia tidak terlepas dari chip. Perangkat pintar seperti telepon seluler, komputer, dan jam tangan pintar memiliki chip. Peralatan jaringan seperti modem optik, router, flash drive USB, kartu memori, dan hard disk portabel memiliki chip. Chip terdapat di peralatan jaringan dan periferal komputer. Kartu identitas, paspor, kartu bank, kartu belanja, kartu konsumsi, dan kartu identitas pribadi lainnya memiliki chip. TV, speaker, proyektor, pengisi daya, lampu LED, timbangan elektronik, AC, lemari es, oven microwave, kompor induksi, pemanas air, dan peralatan rumah tangga lainnya juga memiliki chip. Kontrol akses, pemantauan, sel surya, dan lain-lain juga membutuhkan chip. Jika seseorang menemukan kode yang menonaktifkan semua chip di dunia, kehidupan manusia akan terhenti.

Jack Kilby memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 2000 karena penemuan chip. Ia juga merupakan penemu kalkulator genggam dan printer termal. Ketika Kilby disebut sebagai seorang ilmuwan, ia dengan rendah hati berkata: "Seorang ilmuwan adalah orang yang menjelaskan berbagai hal dan harus memiliki ide-ide hebat; dan saya adalah pemecah masalah, seorang insinyur. Tugas saya adalah menciptakan proses baru, memproduksi produk baru, dan menghasilkan uang dari penemuan dan kreasi."

2. Untuk memahami chip tersebut, Anda harus terlebih dahulu memahami "sambungan PN".

Seperti yang terlihat di atas, komponen elektronik seperti dioda, transistor, resistor, dan kapasitor dibuat dari bahan semikonduktor, kemudian dihubungkan dengan kabel. Ini adalah sirkuit terpadu, yang juga disebut chip. Untuk memahami chip, Anda harus terlebih dahulu memahami "persimpangan PN", yang merupakan inti dari teknologi semikonduktor.

Ketika suatu material semikonduktor didoping dengan unsur pentavalen, konsentrasi elektron meningkat, membentuk semikonduktor tipe N; ketika suatu material semikonduktor didoping dengan unsur trivalen, konsentrasi lubang meningkat, membentuk semikonduktor tipe P. "Lubang" mengacu pada kekosongan yang tertinggal pada ikatan kovalen setelah elektron pada ikatan kovalen memperoleh energi dan terlepas dari ikatan kovalen untuk menjadi elektron bebas.

Setelah semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N bersentuhan erat, elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif berdifusi saling mendekat; difusi elektron dan lubang menyebabkan medan listrik internal terbentuk pada permukaan kontak, dan medan listrik internal mencegah difusi ini, memungkinkan elektron dan lubang untuk kembali bergerak. Ketika kecepatan difusi dan kecepatan pergerakan elektron dan lubang mencapai keseimbangan dinamis, "sambungan PN" terbentuk pada permukaan kontak antara semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N.

Kinerja utama dari "sambungan PN" adalah "konduktivitas tunggal". Jika ujung semikonduktor tipe P digunakan sebagai elektroda positif dan ujung semikonduktor tipe N digunakan sebagai elektroda negatif, arus dapat melewati sambungan PN; jika ujung semikonduktor tipe N digunakan sebagai elektroda positif dan ujung semikonduktor tipe P digunakan sebagai elektroda negatif, arus tidak dapat melewati sambungan PN. Penggunaan bit biner dalam komputer ditentukan oleh kinerja "sambungan PN". Arus yang melewati "sambungan PN" mewakili "1", dan arus yang tidak melewati "sambungan PN" mewakili "0".

"Persimpangan PN" adalah dioda. Jika dua semikonduktor tipe P mengapit semikonduktor tipe N, maka terbentuk trioda, yaitu trioda tipe PNP yang disebutkan di atas. Tentu saja, jika ada semikonduktor tipe P yang diapit di antara dua semikonduktor tipe N, maka akan menjadi transistor tipe NPN.

Orang awam tidak dapat melihat "tubuh sebenarnya" dari chip tersebut. Chip itu sekecil ketombe manusia dan sebesar kuku manusia. Karena terlalu tipis, chip harus dikemas dalam cangkang tertutup sebelum dapat dihubungkan ke sirkuit eksternal. Saat Anda membuka komputer, TV, atau peralatan listrik lainnya, Anda dapat melihat papan sirkuit yang besar. Ada banyak komponen elektronik di papan sirkuit tersebut. Komponen elektronik dengan banyak pin tersebut adalah chip. Pin-pin ini terhubung ke terminal input dan output chip. Beberapa berada di kedua sisi kemasan chip, beberapa di keempat sisi, dan beberapa disusun dalam matriks di bagian bawah, dikemas rapat dengan lebih dari 1,000 pin.

3. Membuat keripik itu seperti mengukir bumi dan semua bangunan jalan di atas sebutir beras?

Ada sebuah konsep yang perlu disebutkan di sini, yaitu "Hukum Moore". Pada tahun 1965, Gordon Moore, salah satu pendiri perusahaan manufaktur chip terkenal di dunia, Intel Corporation, mengusulkan bahwa jumlah transistor pada satu chip akan berlipat ganda setiap tahun. Ia kemudian mengoreksinya menjadi berlipat ganda setiap dua tahun. Penilaian ini telah terverifikasi oleh praktik dan pada dasarnya benar. Pada tahun 2011, terdapat 2.27 miliar transistor pada sebuah chip Intel Core i7. Saat ini, jumlah transistor pada beberapa chip kelas atas melebihi puluhan miliar. Beberapa tahun yang lalu, chip AI WSE yang diproduksi oleh produsen semikonduktor Cerebras Systems menggunakan teknologi proses 16nm TSMC mengintegrasikan 1.2 triliun transistor!

"Proses" mengacu pada lebar gerbang transistor pada chip, yang secara umum dapat kita pahami sebagai ukuran transistor. Semakin kecil prosesnya, semakin banyak transistor yang dapat dibuat pada satu chip, dan semakin besar sirkuit terpadu yang dihasilkan.

Kecepatan komputasi chip terus meningkat, berkat peningkatan integrasi chip. Semakin tinggi tingkat integrasi chip, semakin kecil komponen elektronik di dalamnya, dan semakin pendek kabel antar komponen elektronik. Waktu yang dibutuhkan arus untuk mengalir menjadi lebih singkat, konsumsi energi berkurang, dan kecepatan pemrosesan meningkat.

Ada tiga cara untuk membuat sebuah chip dapat memuat lebih banyak transistor. Pertama, dengan meningkatkan luas chip, kedua, dengan mengurangi ukuran transistor, dan ketiga, dengan membuat sirkuit terpadu menjadi tiga dimensi. Meningkatkan luas chip umumnya tidak dipertimbangkan karena akan meningkatkan konsumsi energi dan mengurangi efisiensi chip. Saat ini, orang-orang terutama menggunakan dua metode terakhir untuk meningkatkan jumlah transistor pada sebuah chip.

Pembuatan chip termasuk dalam dunia mikroskopis, dan komponen elektronik di dalamnya sekecil beberapa atom atau molekul, dan diukur dalam satuan pengukuran yang lebih kecil, yaitu nanometer dan angstrom. Skala terkecil pada penggaris umum adalah milimeter, 1 milimeter sama dengan 1000 mikron, 1 mikron sama dengan 1000 nanometer, dan 1 nanometer sama dengan 10 angstrom. Diameter rambut manusia adalah 70,000 nanometer dan kelilingnya adalah 220,000 nanometer. Pembuatan chip menggunakan proses 5 nanometer seperti membangun 44,000 jalan di sepanjang sehelai rambut.

Ada batasan dalam mengurangi ukuran komponen elektronik, sehingga orang mempertimbangkan untuk membangun sirkuit terpadu multi-lapisan pada satu chip untuk meningkatkan jumlah transistor. Ini seperti membangun gedung apartemen. Sebuah rumah satu lantai hanya dapat menampung sedikit penghuni, sedangkan gedung dengan puluhan lantai dapat menampung banyak penghuni. Penumpukan sirkuit terpadu jauh lebih rumit daripada membangun gedung. Tata letak setiap lantai gedung sama, tetapi sirkuit setiap lapisan chip berbeda, dan koneksi antar lapisan sangat kompleks.

Mari kita kembangkan metafora ini lebih jauh: memproduksi chip itu seperti mengukir bumi utuh di atas sebutir beras, dan semua jalan serta bangunan di bumi itu harus diukir. Jalan adalah kabel pada chip, dan bangunan adalah komponen elektronik pada chip. Melalui metafora ini, pembaca dapat membayangkan betapa kompleks dan sulitnya memproduksi chip.

4. Pemurnian silikon adalah dasar dari industri chip.

Terdapat banyak material semikonduktor, tetapi dalam aplikasi praktis, lebih dari 90% di antaranya menggunakan silikon karena titik leleh silikon adalah 1415 derajat Celcius, yang memungkinkan proses suhu tinggi dalam pengolahan chip.

Silikon dilebur dari pasir, tetapi untuk melebur pasir menjadi silikon yang dapat digunakan untuk membuat chip membutuhkan kemurnian yang sangat tinggi. Kita menyebut emas dengan kemurnian 99.99% sebagai emas murni (4 angka sembilan), tetapi kemurnian silikon yang digunakan untuk membuat chip harus mencapai setidaknya 11 angka sembilan, yaitu, tidak boleh ada lebih dari 1 atom pengotor per 1 miliar atom silikon. Silikon dengan kemurnian ini dimurnikan oleh Bell Labs di Amerika Serikat pada tahun 1955. Saat ini terdapat ratusan miliar komponen elektronik pada sebuah chip, dan persyaratan kemurnian untuk silikon lebih tinggi, setidaknya 13 angka sembilan. Inilah dasar pembuatan chip. Tanpa menguasai teknologi pemurnian silikon, mustahil untuk membuat sebuah chip!

Pembaca mungkin bertanya, mengapa silikon yang dibutuhkan untuk membuat chip harus sangat murni? Komponen elektronik pada chip sangat kecil. Jika chip diproduksi menggunakan proses 5 nanometer, kotoran berukuran 1 nanometer akan merusak seluruh chip. Mari kita buat analogi. Jika sebuah jalan memiliki lebar 40 meter dan terdapat batu besar selebar 1 meter di tengah jalan, mobil dapat menghindari batu tersebut tanpa menyebabkan kemacetan. Namun, jika jalan hanya selebar 5 meter dan terdapat batu besar selebar 1 meter di tengah jalan, mobil tidak akan dapat menghindari batu tersebut, dan jalan akan terblokir.

Oleh karena itu, pembuatan chip tidak hanya membutuhkan silikon dengan kemurnian tinggi, tetapi juga mengharuskan semua aspek proses manufaktur bebas debu. Kemurniannya 100,000 kali lebih tinggi daripada ruang operasi bedah rumah sakit, dan setengah dari prosesnya bahkan dilakukan dalam lingkungan vakum. Karena itu, pabrik pembuatan chip tidak perlu ditutup selama epidemi COVID-19 untuk memerangi epidemi, karena para pekerja dilindungi dari ujung kepala hingga ujung kaki, dan beberapa pakaian pelindung bahkan dilengkapi dengan sistem pernapasan sendiri untuk mencegah chip terkontaminasi oleh pelepasan metabolisme manusia dan gas yang dihembuskan.

5. Apakah mesin litografi sebenarnya merupakan proyektor sirkuit terpadu??

Nama "mesin litografi" merupakan terjemahan yang tidak akurat dan sangat menyesatkan. Banyak orang keliru percaya bahwa mesin litografi "mengukir" sirkuit terpadu di permukaan silikon kristal melalui kontak fisik, seperti halnya pengukiran komputer. Padahal, chip tersebut tidak "diukir" tetapi "difoto". Oleh karena itu, lebih tepat menyebut mesin litografi sebagai "proyektor sirkuit terpadu".

Ketika wafer untuk pembuatan chip memasuki tahap proses fotolitografi, mesin fotolitografi memproyeksikan pola sirkuit terpadu ke lapisan fotoresist pada permukaan wafer melalui masker. Setelah fotoresist terpapar, area yang terpapar diukir dengan cairan kimia dan kemudian dibersihkan. Dengan cara ini, pola sirkuit terpadu terbentuk. Proses fotolitografi sama dengan proses fotografi tradisional. Cahaya melewati negatif untuk membuat kertas fotografi peka terhadap cahaya, kemudian kertas fotografi yang telah peka tersebut dikembangkan dan difiksasi dalam larutan kimia.

Sebuah chip perlu melalui puluhan atau bahkan ratusan proses fotolitografi, dan beberapa proses setelah fotolitografi akan memakan waktu beberapa minggu sebelum dapat memasuki tahap pengemasan.

Teknologi pembuatan chip terus berubah setiap harinya, tetapi sebagian besar teknologi inti untuk pembuatan chip berasal dari Bell Labs. Kontribusi Bell Labs terhadap revolusi teknologi informasi akan selalu tercatat dalam sejarah.

7. Bisakah saya membuat chip jika saya memiliki mesin fotolitografi?

Banyak pembaca sangat tertarik dengan mesin fotolitografi dan berpikir bahwa chip dapat dibuat dengan mesin fotolitografi. Padahal, kenyataannya tidak demikian. Meskipun mesin fotolitografi memainkan peran penting dalam pembuatan chip, itu hanyalah salah satu dari lebih dari 1,000 proses dalam pembuatan chip. Dengan mesin fotolitografi, jika Anda gagal menguasai proses lain, Anda tetap tidak dapat membuat chip.

Pada tahun 1961, perusahaan GCA Amerika memproduksi mesin fotolitografi pertama di dunia. Saat ini, terdapat 7 perusahaan di 4 negara di dunia yang dapat memproduksi mesin litografi, yaitu Asmaier di Belanda, Intel, Super Technology Semiconductor, Rudolf di Amerika Serikat, Nikon dan Canon di Jepang, dan SusiMicro di Jerman.

Seperti yang telah disebutkan di atas, dasar dari industri chip adalah material, yaitu pemurnian silikon. Tanpa menguasai teknologi pemurnian silikon, tidak mungkin untuk menghasilkan silikon kristal dengan kemurnian tingkat chip, dan tidak mungkin untuk membuat chip.

Selain itu, terdapat ratusan miliar komponen elektronik pada chip tersebut. Sirkuit sebesar itu tidak mungkin digambar secara manual. Perangkat lunak otomatisasi desain elektronik (EDA) harus digunakan. EDA merupakan aplikasi komprehensif dari banyak disiplin ilmu alam dan dimonopoli oleh tiga perusahaan Amerika: Kadant, Synopsys, dan Mentor Graphics.

EDA memainkan peran penting dalam proses pembuatan chip. Fungsi dan integrasi chip sepenuhnya bergantung pada kemampuan desain EDA. Dengan silikon kemurnian tinggi dan mesin fotolitografi, tetapi tanpa EDA atau tanpa mengetahui cara menggunakan EDA, Anda tetap tidak dapat membuat chip.

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "IoT IQ". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Artikel ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan serta mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulis untuk pencetakan ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Nomor telepon perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/FAX: +86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manajer Li

QQ: 332496225 Manajer Qiu

Alamat: Ruang 809, Gedung C, Gedung Teknologi Zhantao, No. 1079 Jalan Minzhi, Distrik Baru Longhua, Shenzhen