Uno podría escribir fácilmente un libro sobre cada una de las etapas y voy a simplificar lo que realmente sucede en cada etapa, pero aquí está mi intento de describir lo que está involucrado de principio a fin.
Pre-Silicio (Diseño)
Se desarrollan especificaciones para el procesador. Esto incluiría lo que se espera que haga el procesador, con qué necesita conectarse, sobres de destino para consumo de energía y rendimiento.
Según las especificaciones, el chip se divide y se determinan las unidades necesarias para cada una de las funciones. En general, hay bloques que realizan funciones principales y luego un anillo que generalmente se ejecuta alrededor del chip que se usa para entrada y salida. Al pasar por el centro del chip como una autopista o sistema circulatorio, pueden encontrarse buses que transmiten señales de un bloque a otro; por ejemplo, puede tener un bus de memoria o un bus de gráficos. Cada uno de estos también está conectado a lo que se llama un árbol de reloj que envía pulsos sincronizados a cada una de las unidades. En cada pulso se produce una operación. Esto es necesario para asegurarse de que todo permanezca sincronizado.
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Una vez hecho esto, se construye un modelo de software para cada uno de estos bloques. Por lo general, se llama RTL (lenguaje de transferencia de registros), pero en realidad es un lenguaje de programación basado en C pero que puede asignarse a registros específicos que eventualmente se construirán a partir de transistores.
Desde los circuitos RTL están diseñados para implementar las funciones en el RTL. A veces, estos circuitos son novedosos y deben diseñarse a mano para un alto rendimiento, compacidad o bajo consumo de energía, otras veces las herramientas de software pueden tomar el RTL y convertirlo en circuitos automáticamente.
Una vez que se diseñan los circuitos, tiene lugar el diseño físico. Esto implica tomar el circuito y encontrar un lugar para él en el chip. Una vez más, las herramientas de software se utilizan ampliamente para ayudar con esto.
Una vez que se realiza el diseño físico, la salida es un archivo electrónico que describe el diseño físico. Una vez más, se utilizan herramientas para dividir este diseño en diferentes capas que se utilizarán para hacer el chip. En el nivel inferior están los transistores con múltiples capas de cableado sobre la parte superior.
Este archivo electrónico se convierte en una serie de máscaras. Cada máscara es como un negativo fotográfico. Permiten que la luz pase a través de ciertas partes y bloquean la luz en otras.
Fabricación
Una vez que se crean las máscaras, comienza el proceso de fabricación del silicio. Una oblea de silicio muy plana es el punto de partida. El silicio tiene diferentes características eléctricas cuando se mejora o agota los electrones en un proceso llamado dopaje. Usando la máscara base, ciertas regiones se dopan para crear una gran cantidad de transistores que explotan estas características. Luego, utilizando una serie de máscaras y materiales fotosensibles, se utilizan capas de aislamiento y metales para conectar estos transistores. En general, la oblea se recubre con una capa delgada de material fotosensible, se expone a la luz a través de la máscara, el material expuesto se retira para crear un patrón y luego ese patrón se llena con un material. La oblea se pule a veces para crear una superficie plana en la parte superior y luego se realiza el proceso para crear otra capa. Cuando se completa, se usa una capa final para sellarla excepto para los contactos.
Todo esto sucede muchas veces en la misma oblea. Las máscaras se colocan varias veces en la oblea creando una variedad de dispositivos. Puede tener cientos de procesadores en una sola oblea. Sin embargo, cuanto más grande sea el procesador, más probable será que contenga un defecto,
Cuando se realiza la fabricación, se usa un láser para escribir la oblea y dividirla en chips individuales (llamado matriz)
embalaje
Cada dado se empaqueta. El paquete proporciona una forma segura de manejar el dispositivo, puede extender las entradas y salidas para que puedan conectarse fácilmente a la placa o al zócalo al que se conectará. Una de las formas más comunes es unirlo a un sustrato. Para hacer esto, se colocan pequeñas bolas de soldadura en una cuadrícula sobre el sustrato. La matriz se coloca en la parte superior y, utilizando calor, las bolas de soldadura se funden creando un enlace. Se inyecta resina epoxi para estabilizar el paquete y promover una mejor transferencia de calor. Se puede unir un difusor de calor a la parte superior del troquel (la parte posterior) para ayudar en la transferencia de calor también.
Junto a cada uno de estos pasos, se están realizando pruebas. Debido a que el costo de crear un conjunto de máscaras y fabricar el silicio es muy alto (puede ser más de $ 1,000,000) hay un gran énfasis en validar y probar el diseño antes de hacer las máscaras. Después de fabricar el silicio, se realiza una gran cantidad de pruebas para garantizar que funcione como se espera. A menudo, en un diseño complicado, tendrá que haber algunas iteraciones de diseño para tener éxito. En cada iteración, se analizan los errores o problemas encontrados en el silicio y el diseño se modifica para eliminarlos, luego se produce una nueva versión del chip.
¡Es simple en concepto, pero bastante difícil en la práctica!