Con chip: Từ cát đến sức mạnh tính toán

Mặc dù chỉ nhỏ bằng đầu ngón tay, một con chip có thể chứa tới hàng tỷ bóng bán dẫn, đóng vai trò như bộ não cho hầu hết mọi thứ chúng ta sử dụng trong thế giới điện tử ngày càng phát triển. Vậy làm thế nào những thiết bị nhỏ bé phức tạp này được tạo ra? Quá trình sản xuất bắt đầu với cát giàu silic. Silic là một chất bán dẫn, nằm giữa một chất cách điện và một chất dẫn điện nguyên chất. Điều này có nghĩa là các đặc tính của nó, chẳng hạn như độ dẫn điện, có thể được thay đổi bằng cách thêm các tạp chất hoặc "doping" để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị điện tử khác nhau. Việc này cũng cho phép chúng ta kiểm soát các tín hiệu điện đi qua.

Silic cũng rất phong phú, là một trong 10 nguyên tố phổ biến nhất trên Trái đất. Tuy nhiên, phần lớn silic được tìm thấy trong tự nhiên lại liên kết hóa học với oxy. Vì vậy, hai nguyên tố này phải được tách ra. Cát được kết hợp với carbon và nung chảy trong nồi nấu để tạo ra carbon monoxide và silic tinh khiết 99%. Sau quá trình xử lý thêm, silic siêu tinh khiết được sản xuất. Tiếp theo, một hạt giống tinh thể được đặt tiếp xúc với silic nóng chảy. Khi hạt giống tinh thể được kéo ra chậm, các nguyên tử silic được lắng đọng trên bề mặt đáy. Kết quả là một khối trụ lớn hình trụ hoặc một thỏi đơn tinh thể silicon tinh khiết. Thỏi sau đó được cắt thành từng lát mỏng thành wafer. Wafer silicon thường có đường kính từ 1 đến 12 inch, với các cơ sở sản xuất hiện đại nhất có thể sản xuất wafer lên đến 18 inch. Wafer lớn hơn tất nhiên có thể tạo ra nhiều chip hơn.

Khi wafer silicon được cắt, quá trình sản xuất bắt đầu đầy đủ. Chip được sản xuất trong môi trường vô trùng, không có các chất gây ô nhiễm như bụi. Ngay cả khi chỉ một hạt bụi bám vào wafer silicon, toàn bộ lô chip có nguy cơ bị hỏng. Điều này sẽ làm hỏng một quá trình có thể mất trung bình 12 tuần. Bước đầu tiên của quá trình sản xuất là lắng đọng. Một lớp silicon dioxide mỏng không dẫn điện được phủ lên bề mặt của wafer. Sau đó, wafer silicon được phủ một lớp vật liệu nhạy sáng và chống lại ánh sáng để chuẩn bị cho quá trình quang học. Bước tiếp theo rất quan trọng: chiếu sáng. Wafer silicon đã chuẩn bị được đưa vào máy quang học và tiếp xúc với tia UV chiếu qua một mặt nạ chứa bản thiết kế của chip. Các vùng tiếp xúc với ánh sáng sẽ cứng lại, trong khi các vùng không tiếp xúc sẽ bị khắc axit để tạo thành một con chip ba chiều.

Độ dẫn điện của các phần khác nhau của chip cũng có thể được thay đổi bằng cách "doping" chúng với các hóa chất dưới nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình này có thể được lặp lại hàng trăm lần cho cùng một chip, tạo ra mạch tích hợp phức tạp hơn ở mỗi bước. Để tạo ra các đường dẫn giữa các thành phần, một lớp kim loại mỏng như nhôm được phủ lên chip và quá trình khắc được sử dụng để loại bỏ mọi thứ ngoại trừ các đường dẫn mỏng. Nhiều lớp dẫn được ngăn cách bởi các chất cách điện bằng thủy tinh có thể được đặt xuống. Mỗi chip trên wafer sau đó được kiểm tra hiệu suất trước khi được tách khỏi các chip khác trên wafer bằng một lưỡi cưa. Vì chip về cơ bản là các mạch được xây dựng trên quy mô cực kỳ nhỏ, nên chúng có một bộ thành phần cơ bản. Tụ điện có thể tạm thời lưu trữ điện tích. Điện trở giúp kiểm soát dòng điện. Transistor có thể khuếch đại hoặc chuyển đổi các tín hiệu điện đi qua. Đối với các chip tiên tiến hơn như chip được tìm thấy trên card đồ họa cao cấp, có thể có tới 28 tỷ bóng bán dẫn. Số lượng bóng bán dẫn nhiều hơn trên chip cho phép chúng gửi đi nhiều lệnh hơn, tăng sức mạnh tính toán. (Định luật Moore) dự đoán rằng sản xuất chip máy tính sẽ tiến bộ với tốc độ ổn định, cho phép số lượng bóng bán dẫn tăng gấp đôi cứ sau hai năm. Dựa trên sức mạnh tuyệt đối của công nghệ mà chúng ta sử dụng hàng ngày, dự đoán cách đây một thập kỷ này dường như vẫn đúng phần lớn. Các nhà sản xuất đã thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn để có thể chứa nhiều bóng bán dẫn hơn trên mỗi chip. Mỗi bước đột phá về kích thước bóng bán dẫn đã cho phép sản xuất các chip mạnh mẽ hơn. (Theo Interesting Engineering)