Il diametro di un capello umano è di 70,000 nanometri e la circonferenza è di 220,000 nanometri. Produrre chip utilizzando un processo a 5 nanometri è come costruire 44,000 strade lungo un capello.

Autore: Liu Zhirong Fonte: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

Il 15 maggio 2020, gli Stati Uniti hanno imposto un divieto sui chip di Huawei. Da allora, i chip hanno attirato l'attenzione di molti in Cina. Il divieto è entrato in vigore il 15 settembre. Produttori di chip di fama mondiale come TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix e Micron non possono più fornire chip a Huawei. Il 16 settembre, la Commissione Centrale per l'Ispezione Disciplinare ha pubblicato un articolo sul suo sito web ufficiale affermando che "l'interruzione della fornitura di chip a Huawei potrebbe essere l'inizio del nirvana per l'industria cinese dei semiconduttori".

Parliamo di patatine fritte tutti i giorni, ma sapete cosa sono esattamente?

1. In che modo l'invenzione del chip ha cambiato la vita umana?

Il 23 dicembre 1947, tre scienziati dei Bell Labs negli Stati Uniti, John Baden, William Shockley e Walter Bratton, inventarono il transistor a cristallo di germanio, inaugurando l'era dei semiconduttori nel mondo dell'elettronica. I tre inventori del transistor si aggiudicarono il Premio Nobel per la Fisica nel 1956.

Gli anni '1950 rappresentarono l'età d'oro dei semiconduttori. Quasi tutti i materiali e i processi fondamentali per la produzione di semiconduttori furono sviluppati in questo periodo.

Il 18 ottobre 1954, la Texas Instruments inventò la radio a transistor. Questa radio, dotata di quattro transistor, era abbastanza piccola da poter essere riposta in tasca.

Il 12 settembre 1958, l'ingegnere elettronico della Texas Instruments Jack Kilby (1923-2005) inventò il circuito integrato e nel 1959 realizzò con successo il primo circuito integrato al mondo, un chip. Questo circuito integrato consisteva nell'incidere transistor PNP, resistori e condensatori su un chip di germanio e nell'utilizzare fili esterni per collegarli e formare un circuito. Questo semplice circuito integrato diede il via all'industria dei chip, spinse la scienza e la tecnologia umana a un nuovo livello e cambiò radicalmente il modo di vivere dell'umanità.

Il continuo progresso della tecnologia di produzione dei chip ha ridotto drasticamente il prezzo di un singolo transistor. Nel 1959, un chip conteneva 6 transistor, per un costo equivalente a 10 dollari; nel 1971, i transistor erano 2,000, pari a 0.3 dollari ciascuno; nel 2004, i transistor erano decine di miliardi e il prezzo di un singolo transistor era sceso a un miliardesimo di dollaro. Il miglioramento del rapporto costo-prestazioni dei chip ha reso possibile la loro diffusione nelle case delle persone comuni.

Si può affermare che il chip sia la più grande invenzione del XX secolo, e molte altre invenzioni si basano proprio sui chip. Oggi viviamo in un mondo circondato da chip, e sarebbe difficile muoversi senza di essi.

La vita quotidiana delle persone è inseparabile dai chip. Dispositivi intelligenti come telefoni cellulari, computer e smartwatch contengono chip. Apparecchiature di rete come modem ottici, router, chiavette USB, schede di memoria e hard disk portatili contengono chip. I chip sono presenti nelle apparecchiature di rete e nelle periferiche dei computer. Carte d'identità, passaporti, carte bancarie, carte fedeltà, carte di consumo e altri documenti di identificazione personale contengono chip. Anche televisori, altoparlanti, proiettori, caricabatterie, luci a LED, bilance elettroniche, condizionatori d'aria, frigoriferi, forni a microonde, piani cottura a induzione, scaldabagni e altri elettrodomestici contengono chip. Persino i sistemi di controllo accessi, di monitoraggio, le celle solari, ecc. necessitano di chip. Se qualcuno inventasse un codice in grado di disabilitare tutti i chip del mondo, la vita umana si fermerebbe.

Jack Kilby ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2000 per l'invenzione del microchip. È stato anche l'inventore della calcolatrice palmare e della stampante termica. Quando veniva definito uno scienziato, Kilby rispondeva modestamente: "Uno scienziato è una persona che spiega le cose e deve avere grandi idee; io sono un risolutore di problemi, un ingegnere. Il mio compito è inventare nuovi processi, produrre nuovi prodotti e guadagnare denaro dalle invenzioni e dalle creazioni".

2. Per comprendere il chip, è necessario prima comprendere la "giunzione PN".

Come si può notare da quanto sopra, i componenti elettronici come diodi, transistor, resistori e condensatori sono realizzati su materiali semiconduttori e poi collegati tramite fili. Questo costituisce un circuito integrato, detto anche chip. Per comprendere i chip, è necessario prima comprendere la "giunzione PN", che è il cuore della tecnologia dei semiconduttori.

Quando un materiale semiconduttore viene drogato con un elemento pentavalente, la concentrazione di elettroni aumenta, formando un semiconduttore di tipo N; quando un materiale semiconduttore viene drogato con un elemento trivalente, la concentrazione di lacune aumenta, formando un semiconduttore di tipo P. Per "lacuna" si intende la lacuna che si crea sul legame covalente dopo che gli elettroni su tale legame acquisiscono energia e si liberano dai vincoli del legame covalente per diventare elettroni liberi.

Dopo che il semiconduttore di tipo P e il semiconduttore di tipo N sono a stretto contatto, gli elettroni caricati negativamente e le lacune caricate positivamente diffondono l'uno verso l'altro; la diffusione di elettroni e lacune provoca la formazione di un campo elettrico interno sulla superficie di contatto, e questo campo elettrico interno impedisce tale diffusione, permettendo agli elettroni e alle lacune di tornare indietro. Quando la velocità di diffusione e la velocità di deriva di elettroni e lacune raggiungono un equilibrio dinamico, si forma una "giunzione PN" sulla superficie di contatto tra il semiconduttore di tipo P e il semiconduttore di tipo N.

La caratteristica principale della giunzione PN è la conduttività singola. Se l'estremità del semiconduttore di tipo P viene utilizzata come elettrodo positivo e l'estremità del semiconduttore di tipo N come elettrodo negativo, la corrente può attraversare la giunzione PN; se invece l'estremità del semiconduttore di tipo N viene utilizzata come elettrodo positivo e l'estremità del semiconduttore di tipo P come elettrodo negativo, la corrente non può attraversare la giunzione PN. L'utilizzo dei bit binari nei computer è determinato dalle caratteristiche della giunzione PN. La corrente che attraversa la giunzione PN rappresenta il valore "1", mentre la corrente che non la attraversa rappresenta il valore "0".

Una giunzione PN è un diodo. Se due semiconduttori di tipo P racchiudono un semiconduttore di tipo N, si forma un triodo, ovvero il triodo di tipo PNP menzionato in precedenza. Naturalmente, se un semiconduttore di tipo P è racchiuso tra due semiconduttori di tipo N, si ottiene un transistor di tipo NPN.

Le persone comuni non possono vedere il "corpo reale" di un chip. Il chip è piccolo quanto un granello di forfora umana e grande quanto un'unghia. Essendo così sottile, deve essere racchiuso in un involucro sigillato prima di poter essere collegato a un circuito esterno. Quando si apre un computer, un televisore o un altro apparecchio elettrico, si può vedere un grande circuito stampato. Su questo circuito stampato sono presenti molti componenti elettronici. Quei componenti elettronici con più pin sono i chip. Questi pin sono collegati ai terminali di ingresso e di uscita del chip. Alcuni sono presenti su entrambi i lati dell'involucro del chip, altri su quattro lati e altri ancora sono disposti a matrice sul fondo, con una densità di oltre 1,000 pin.

3. Fare le patatine è come scolpire la terra e costruire tutte le strade su un chicco di riso?

C'è un concetto che va menzionato, ed è la "Legge di Moore". Nel 1965, Gordon Moore, co-fondatore della famosissima azienda produttrice di chip Intel Corporation, propose che il numero di transistor su un singolo chip raddoppiasse ogni anno. In seguito, corresse la sua affermazione, prevedendo un raddoppio ogni due anni. Questa previsione si è rivelata sostanzialmente corretta nella pratica. Nel 2011, un chip Intel Core i7 conteneva 2.27 miliardi di transistor. Attualmente, il numero di transistor su alcuni chip di fascia alta supera le decine di miliardi. Qualche anno fa, il chip per l'intelligenza artificiale WSE, prodotto dal produttore di semiconduttori Cerebras Systems con tecnologia a 16 nm di TSMC, integrava ben 1.2 trilioni di transistor!

Il termine "processo" si riferisce alla larghezza del gate del transistor sul chip, che in generale possiamo intendere come la dimensione del transistor stesso. Più piccolo è il processo, maggiore è il numero di transistor che possono essere realizzati su un singolo chip e più grande diventa il circuito integrato.

La velocità di calcolo dei chip continua ad aumentare, grazie alla crescente integrazione dei componenti. Maggiore è il livello di integrazione del chip, più piccoli sono i componenti elettronici presenti su di esso e più corti sono i collegamenti tra di essi. Il tempo necessario al passaggio della corrente si riduce, il consumo energetico diminuisce e la velocità di elaborazione accelera.

Esistono tre modi per far sì che un chip contenga più transistor. Uno consiste nell'aumentare l'area del chip, un altro nel ridurre le dimensioni dei transistor e il terzo nel realizzare il circuito integrato in tre dimensioni. L'aumento dell'area del chip non viene generalmente preso in considerazione perché comporterebbe un aumento del consumo energetico e una riduzione dell'efficienza del chip. Oggi, si utilizzano principalmente gli ultimi due metodi per aumentare il numero di transistor su un chip.

La produzione di chip appartiene al mondo microscopico, e i componenti elettronici che li compongono sono piccoli come pochi atomi o molecole, e vengono misurati in unità di misura minuscole, come nanometri e angstrom. La scala più piccola su un righello comune è il millimetro, 1 millimetro equivale a 1000 micron, 1 micron equivale a 1000 nanometri e 1 nanometro equivale a 10 angstrom. Il diametro di un capello umano è di 70,000 nanometri e la circonferenza è di 220,000 nanometri. Produrre chip con un processo a 5 nanometri è come costruire 44,000 strade lungo un capello.

Esiste un limite alla miniaturizzazione dei componenti elettronici, quindi si sta valutando la possibilità di realizzare circuiti integrati multistrato su un singolo chip per aumentare il numero di transistor. È come costruire un edificio residenziale: una casa a un solo piano può ospitare un numero limitato di persone, mentre un edificio con decine di piani può ospitarne molte di più. L'impilamento dei circuiti integrati è molto più complesso della costruzione di un edificio. La planimetria di ogni piano è la stessa, ma i circuiti di ogni strato del chip sono diversi e le connessioni tra gli strati sono estremamente complesse.

Spingiamoci un passo oltre con questa metafora: produrre chip è come scolpire un'intera Terra su un chicco di riso, e tutte le strade e gli edifici sulla Terra devono essere costruiti a partire da esso. Le strade sono i fili del chip, e gli edifici sono i componenti elettronici presenti sul chip. Attraverso questa metafora, i lettori possono immaginare quanto complesso e difficile debba essere il processo di produzione dei chip.

4. La purificazione del silicio è alla base dell'industria dei chip.

Esistono molti materiali semiconduttori, ma nelle applicazioni pratiche oltre il 90% di essi utilizza il silicio perché il punto di fusione del silicio è di 1415 gradi Celsius, il che consente processi ad alta temperatura nella lavorazione dei chip.

Il silicio si ricava dalla sabbia tramite fusione, ma per trasformare la sabbia in silicio utilizzabile per la produzione di chip è necessaria una purezza estremamente elevata. L'oro ha una purezza del 99.99% (4 nove), ma la purezza del silicio utilizzato per i chip deve raggiungere almeno gli 11 nove, ovvero non deve esserci più di un atomo di impurità ogni miliardo di atomi di silicio. Il silicio con questa purezza è stato raffinato dai Bell Labs negli Stati Uniti nel 1955. Attualmente, un singolo chip contiene centinaia di miliardi di componenti elettronici e i requisiti di purezza per il silicio sono ancora più elevati, almeno 13 nove. Questa è la base della produzione di chip. Senza padroneggiare la tecnologia di purificazione del silicio, è impossibile creare un chip!

I lettori potrebbero chiedersi: perché è necessario un silicio così puro per realizzare i chip? I componenti elettronici sul chip sono molto piccoli. Se il chip viene prodotto con un processo a 5 nanometri, anche un'impurità di 1 nanometro può distruggere l'intero chip. Facciamo un esempio. Se una strada è larga 40 metri e al centro c'è una grossa pietra di 1 metro di diametro, le auto possono evitarla senza causare ingorghi. Tuttavia, se la strada è larga solo 5 metri e al centro c'è una grossa pietra di 1 metro di diametro, le auto non saranno in grado di evitarla e la strada si bloccherà.

Pertanto, la produzione di chip non richiede solo un silicio di elevata purezza, ma anche che ogni fase del processo produttivo sia priva di polvere. La purezza richiesta è 100,000 volte superiore a quella di una sala operatoria chirurgica ospedaliera, e metà del processo viene addirittura eseguita in un ambiente sottovuoto. Grazie a ciò, gli impianti di produzione di chip non hanno dovuto interrompere le attività durante l'epidemia di COVID-19 per contrastare il contagio, poiché i lavoratori sono protetti dalla testa ai piedi e alcune tute protettive sono persino dotate di sistemi di respirazione integrati per impedire la contaminazione dei chip da parte di gas emessi durante il metabolismo umano.

5. La macchina per litografia è in realtà un proiettore di circuiti integrati??

Il nome "macchina per litografia" è tradotto in modo impreciso e molto fuorviante. Molti credono erroneamente che la macchina per litografia "incida" i circuiti integrati sulla superficie del silicio cristallino tramite contatto fisico, proprio come avviene nell'incisione computerizzata. In realtà, il chip non viene "inciso" ma "fotografato". Pertanto, è più appropriato chiamare la macchina per litografia "proiettore di circuiti integrati".

Quando il wafer per la produzione del chip entra nella fase di fotolitografia, la macchina per fotolitografia proietta il disegno del circuito integrato sul fotoresist presente sulla superficie del wafer attraverso una maschera. Dopo l'esposizione del fotoresist, l'area esposta viene incisa con un liquido chimico e quindi pulita. In questo modo, il disegno del circuito integrato viene reso visibile. Il processo di fotolitografia è simile a quello della fotografia tradizionale. La luce attraversa il negativo per sensibilizzare la carta fotografica, che viene poi sviluppata e fissata in una soluzione chimica.

Un chip deve essere sottoposto a decine o addirittura centinaia di fasi di fotolitografia, e i vari processi successivi alla fotolitografia richiederanno diverse settimane prima che possa passare alla fase di confezionamento.

La tecnologia di produzione dei chip si evolve di giorno in giorno, ma la maggior parte delle tecnologie fondamentali per la produzione di chip proviene dai Bell Labs. Il contributo dei Bell Labs alla rivoluzione informatica rimarrà per sempre nella storia.

7. Posso produrre chip se possiedo una macchina per fotolitografia?

Molti lettori sono molto interessati alle macchine per fotolitografia e pensano che sia possibile produrre chip utilizzandole. In realtà, non è così. Sebbene la macchina per fotolitografia svolga un ruolo importante nella produzione di chip, rappresenta solo uno degli oltre 1,000 processi coinvolti. Anche con la macchina per fotolitografia, se non si padroneggiano gli altri processi, non sarà possibile produrre un chip.

Nel 1961, l'azienda americana GCA realizzò la prima macchina per fotolitografia al mondo. Attualmente, esistono 7 aziende in 4 paesi del mondo in grado di produrre macchine per litografia: Asmaier nei Paesi Bassi, Intel, Super Technology Semiconductor e Rudolf negli Stati Uniti, Nikon e Canon in Giappone e SusiMicro in Germania.

Come già accennato, la base dell'industria dei semiconduttori è costituita dai materiali, ovvero dalla purificazione del silicio. Senza padroneggiare la tecnologia di purificazione del silicio, è impossibile produrre silicio cristallino con un grado di purezza adeguato ai chip, ed è quindi impossibile realizzare i chip stessi.

Inoltre, sul chip sono presenti centinaia di miliardi di componenti elettronici. Un circuito così vasto non può essere disegnato manualmente. È necessario utilizzare un software di automazione della progettazione elettronica (EDA). L'EDA è un'applicazione completa di molte discipline naturali ed è monopolizzato da tre aziende americane: Kadant, Synopsys e Mentor Graphics.

L'EDA (Electronic Design Automation) svolge un ruolo decisivo nel processo di produzione dei chip. La funzionalità e l'integrazione del chip dipendono completamente dalle capacità di progettazione dell'EDA. Anche con silicio ad alta purezza e macchine per la fotolitografia, senza un EDA o senza saperlo utilizzare, non è possibile realizzare un chip.

Disclaimer: Questo articolo è riprodotto da "IoT IQ". Questo articolo rappresenta esclusivamente le opinioni personali dell'autore e non quelle di Sacco Micro o del settore. È consentito solo per la ristampa e la condivisione, nel rispetto dei diritti di proprietà intellettuale. Si prega di indicare la fonte originale e l'autore in caso di ristampa. In caso di violazione del copyright, si prega di contattarci per la rimozione.

Numero di telefono dell'azienda: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Responsabile Li

QQ: 332496225 Responsabile Qiu

Indirizzo: Stanza 809, Edificio C, Edificio Tecnologico Zhantao, Viale Minzhi n. 1079, Nuovo Distretto di Longhua, Shenzhen