Fabrication d’un processeur de nos jours

 

Sommaire :

        1. Comment fabrique-t-on un processeur de nos jours ?
        2. Qu'est-ce qu'un processeur :
        3. Les premiers processeurs et les processeurs de nos jours
        4. Les différentes phases de la fabrication d'un processeur
        5. Introduction du "wafer"
          1. Réalisation du "wafer"
          2. Découpage du lingot de silicium
          3. L'implantation ionique ( ou gavage ionique )
          4. L'étape de la photo lithographie
        6. La gravure
          1. Le déposition de la couche métallique
        7. Revêtement métallique
        8. Testes du tri des "wafer"
        9. Testes finaux du processeur
        10. Conclusion

    Comment fabrique-t-on un processeur de nos jours ? :

    Qu'est-ce qu'un processeur ou bien comment le fabrique-t-on ? Sont des questions qui sont légitime d'être posées en effet nous savons tous plus ou moins que le processeur et le cerveau de nos machines que ce soir ordinateur, smartphone, console de jeux vidéo. Mais quand est-il du moyen de fabrication utilisé ? C'est ce que nous allons comprendre. Avant de commencer nous allons définir ce qu'est un processeur, quels ont été les premiers processeurs, puis nous verront alors les moyens de fabrications utilisé de nos jours.

    Qu'est-ce qu'un processeur :

    Un processeur ou l'appellation CPU (pour Central Processing Unit en anglais) désigne un composant électronique qui exécute des instructions machines (comme des opérations mathématique), des programmes informatiques. Le processeur ainsi que la mémoire sont les composants qui existe de puis les premiers ordinateurs et sont maintenant dans tous nos ordinateurs de nos jours. Un processeur de nos jours est défini par:

    -Son architecture par exemple "Matisse" pour le Ryzen 9 3900x de chez AMD et pour l'i9 9900KF de chez Intel "Coffee Lake Refresh".

    -Son Socket, il existe deux type de socket utilisé pour les CPU (le BGA est quand à lui utilisé pour souder les puces directement sur une carte par exemple les puces de nos barrette de RAM sont soudé), les sockets LGA (Land Grid Array) c'est-à-dire que le processeur est démuni de pin pour des points plats et les pins sont directement sur le socket de la carte mère. Les sockets PGA ( Pin Grid Array) sont muni de pins qui viennent s'insérer dans le socket. AMD a mis en place un socket fixe "AM4" rendant ainsi tous les processeurs compatibles avec n'importe quelle carte mère, par exemple les cartes mères en x370 compatible nativement avec les ryzens 1er génération sont compatible avec des ryzens de 3ième génération qui eux sont compatible nativement avec le socket en x570. Intel change en moyenne de socket toutes les deux générations.

    -Le nombre de coeur du processeur varie selon la gamme du constructeur. par exemple pour le haut de gamme destiné au particulier Intel en offre 8 coeurs/16 threads pour l'i9 9900K et AMD en offre 12 coeurs/24 threads avec le ryzen 9 3900x.

    -La fréquence du processeur s'exprime en Ghz (Gigahertz).

    -La finesse de gravure qui s'exprime en nm (nanomètre), une finesse de gravure plus petite permettra d'avoir plus de transistor dans le processeur et ainsi réduire la consommation électrique. Intel utilise une finesse de gravure en 14 nm (le 10 nm à encore étais repoussé pour fin 2020 hors il étais initialement prévu pour être disponible en 2016), et AMD utilise une finesse de gravure en 7 nm avec TSMC sur sa dernière génération de ryzen. Amd annonce le 5 nm d'ici 2020.

    Les premiers processeurs et les processeurs de nos jours :

    Le premier processeur créer est le "4004" de chez Intel produit en 1971 par Gordon Moore (qui énoncera la loi de Moore) et Robert Noyce. Il étais cadencé à 740 Khz (Kilohertz) soit environ 92600 opération par seconde) et possède 2300 transistors, il est basé sur une architecture de 4 bits. Puis 3 ans après Intel commercialisera le "8080" qui est un "upgrade" du "4004". Le "8080" possède 6000 transistors et atteint une fréquence de 2 Mhz (soit une puissance de calcul multiplié par 2.7) et accepte une RAM d'une capacité de 64 Ko (Kilo-octet). Il est basé sur une architecture de 8 bits. En 1976 le Zilog Z80 s'apparente au "8080" de chez Intel mais il est moins cher et plus performant. Il possède une fréquence pouvant aller de 2.5 Mhz à 8 Mhz (soit environ 1.25 et 4 fois plus puissant). Il possède une architecture de 8 bits. En 1995 Intel produit le Pentium PRO, il s'agit d'un microprocesseur destiné au serveur pour concurrencer IBM mais dont les pc vont aussi en profiter. Il possède une architecture de 32 bits. Le Pentium PRO avait une fréquence de 200 Mhz et pouvait atteindre les 333 Mhz avec un overdrive ( au final Intel abandonnera le concept d'overdrive). En 2008 et jusqu’à nos jour, Intel et AMD (AMD a marqué son retour dans la course du CPU à partir de 2016) sont devenu les 2 grands fabriquant mondial du marché des processeurs. Pour les deux constructeurs on retrouve 4 gammes pour le grand public:

    Les core i3 (Intel) / R3 (AMD avec les ryzens) pour l'entrée de gamme destiné à la bureautique essentiellement, l'i5 et ryzen 5 pour le milieu de gamme destiné au "gaming", l'i7 et ryzen 7 pour le haut de gamme destiné aussi au "gaming" et à la création (montage vidéo, 3D etc...) et enfin la dernière gamme haut de gamme avec l'i9 et le ryzen 9 ici ses processeurs sont plus destiné au domaine de la création que le "gaming" / "streaming".

    Les différentes phases de fabrications d'un processeur :

    Il existe 3 grandes phases lors de la fabrication d'un processeur, la première étape est de produire un "wafer", puis de former les Dies CPU, et enfin de encapsuler.

    Introduction du "wafer" :

    Avant de cité le procédé utilisé pour obtenir un "wafer". Nous allons déjà nous demander ce qu'est un "wafer". En électronique le terme "wafer" (littéralement en anglais une « gaufrette », du fait de la ressemblance d'aspect), désigne une tranche ou une plaque très fine de matériau semi-conducteur utilisée pour fabriquer des composants de microélectronique en l’occurrence ici des processeurs.

    Voici à quoi ressemble un "wafer" une fois traité :

     

    Un "wafer" regoupe tous les "dies" qui seront utilisé pour les processeurs. En moyenne 1 processeur possède 2 à 3 "dies" CPU. Mais au fait, qu’est-ce qu’un die ? En électronique, un die est un petit morceau rectangulaire résultant de la découpe d'un wafer sur lequel un circuit intégré a été fabriqué. Par ailleurs, le « die » désigne le circuit intégré lui-même sans son boîtier, et il est synonyme de puce électronique. Les dies sont obtenus par découpe sur le wafer sur lesquelles ils ont été reproduits à l'identique par une succession de différentes étapes de photolithogravure, implants ioniques, dépôt de couches minces, (On y reviendra juste après).

    Voici à quoi ressemble un "die" et un "die" sur un processeur :

     

     

     

     

     

    Ici, il s’agit d’un processeur de chez AMD le R9 3900x, on peut voir qu’il possède 3 dies cpu. Le plus gros correspond au Input/Output (Entrée/Sortie), il aura en charge la gestion de la mémoire, des entrée/sortie USB, et des ports PCIe en x16 et x4 ainsi que des ports NVME/SATA. Les deux autres dies correspondent au cœurs/threads, ils ont en charge la mémoire cache L3 et L2. Un die peut contenir 3.9 milliards de transistors.

    Il existe des « wafer » de différente taille allant de 25.4mm à 300mm (le modèle 300mm sera celui préféré lors de la fabrication des processeurs) pour une épaisseur de 0.7mm. La tendance est à l'utilisation de wafers les plus grands possibles afin de pouvoir y graver davantage de puces simultanément et de limiter les pertes sur le bord de plaque, d'où une production accrue à moindre coût.

    C'est sur ce wafer que seront gravés les millions de transistors (voir les milliards maintenant comme par exemple la puce A13 d’Apple qui ne contient pas moins de 1.5 milliards de transistors) qui composent le circuit.

    Réalisation du "wafer" :

    Pour produire un « wafer », il faut créer une grande plaque circulaire de silicium. Le silicium est un élément qui sert de base pour chaque puce électronique. Mais il faut pour cela avoir du silicium dit « pur » c’est-à-dire qu’il ne doit pas contenir plus de 0.000001% soit 106 d’atome étranger. Le silicium provient du sable qui est composé de 25% de silicium, il est l’élément chimique le plus répandu sur terre après l’oxygène mais il est répandu sous sa forme oxygéné c’est-à-dire la silice. Le sable et plus particulièrement le quartz contient un fort taux de silice sous forme de dioxyde de silicium qui est le matériau de base pour faire des semi-conducteurs.

    Après avoir séparé le silicium du sable brut, celui-ci est purifié à de nombreuses reprises pour arriver à la norme de fabrication des semi-conducteurs, l'EGS (Electronic Grade Silicon, soit le silicium de qualité électronique en français) il s’agit d’une version hautement purifiée du silicium de qualité métallurgique avec des impuretés extrêmement minime allant être inférieur à 1 ppm (partie par million soit 10-6 c’est-à-dire un millionième). A l'issue de ce traitement, le silicium est liquéfié à très haute température (plus de 1700 °C). On voit ici la création d'un cristal grâce au silicium liquide purifié.

    Voici une représentation des transformations physique du silicium:

    Découpage du lingot de silicium:

    Ce lingot obtenu à partir de l’EGS contient environ 100Kg de silicium pur de l’ordre de 99.999999%. La phase suivante consiste à découper le lingot en disques d’une épaisseur de 0.7mm, il s’agit de ce que nous appelons un « wafers ». Certains lingots peuvent dépasser 1,50 mètre de longueur et leur diamètre varie en fonction des wafers désirés : la plupart des processeurs actuels sont issus de wafers de 300 mm pour un meilleure rendement.

    Une fois découpé, les wafers sont traité jusqu'à l'obtention d'une finition miroir sans le moindre défaut.

    Intel ne produit pas lui-même ses lingots et wafers, préférant se fournir auprès de ses partenaires en wafers prêts à être traités. La progression dans la taille des wafers permet ainsi de diminuer le coût unitaire des processeurs.

    l'étape de la photo lithographie :

    Une fois le wafers poli on applique un liquide bleu qui est un traitement photorésistant similaire à ceux utilisés pour les pellicules en photographie argentique. Un mouvement circulaire est imprimé aux wafers lors de cette étape afin d'optimiser la répartition du revêtement, doux et extrêmement fin.

    Le traitement photorésistant est ensuite exposé à la lumière ultraviolette (UV). Les zones du wafer recouvertes du traitement photorésistant deviennent solubles après avoir été exposées aux UV. Cette exposition se fait à l'aide de masques qui agissent comme des stencils (des pochoirs pour électronique). La combinaison de ces masques et des UV permet de créer les divers motifs de circuits.  la création d'un processeur implique une répétition de ce procédé de manière à ce que de multiples couches se superposent.

    La lentille que l'on voit au centre des trois éléments réduit l'image du masque à un point focalisé. Ainsi, l'"impression" qui en résulte sur le wafer est une réduction linéaire par quatre du motif du maque.

    Puis viens une seconde exposition au UV.

    Bien que des centaines de microprocesseurs soient généralement construits sur une seule plaquette, nous allons suivre le processus du point de vue d'un seul transistor, mais qu'est-ce qu'un transistor, nous avons vu que le transistor était présent lors de premier processeur avec le "4004" qui possédait 2300 transistors. Un transistor agit comme un interrupteur, contrôlant le flux du courant électrique dans une puce d'ordinateur.

    La gravure :

    La gravure est un procédé qui est utilisé en micro-fabriucation, cela consite à retirer une ou plusieurs couches de matérieaux à la surface du wafer. Il existe 2 types de moyen de gravure, la gravure chimique celle qui sera utilisé et la gravure physique . Lors de l’étape de la gravure il faut déterminer quels sont les zones à graver. Une partie du wafer est alors protégé de la gravure par une couche protectrice.

    Ici le rectangle noir joue le rôle de la couche protectrice.

    La couche protectrice est déposé par les mêmes technique utilisées lors de la photolithographie. Elle est ensuite exposée à travers un masque qui represente le motif à graver sur le substrat (le support) au rayonnement UV (ultraviolet).

    Une représentation des couches :

    Une fois l’éxposition fini, la résine photosensible (ou le substrat) est plongé dans un liquide complètement dissoute par un solvant. ceci révèle un motif de résine photosensible réalisé par le masque (ici un rectangle noir).

    Après la gravure, la résine photosensible est retirée et la forme souhaitée devient alors visible.

    L’implantation ionique ( ou gavage ionique ):

    la fabrication de puces sur un wafer se compose de plus d’une centaines d'étapes précise et contrôlées qui aboutissent à une série de couches superposé structurées de divers matériaux les unes sur les autres. Nous allons voir les étapes qui suivent comme étant les étapes les plus importantes de ce processus.

    L’étape de l’implantation ionique (qualifié de dopage dans ce cas) consiste à bombarder d’ions les zones exposées du wafer en silicium. Leur implantation modifie la conductivité électrique du silicium, qui se rapproche ainsi de celle des métaux. Pour arriver à ce résultat, les ions sont propulsés à la surface du wafer à très haute vitesse grâce à un champ électrique qui leur permet de dépasser les 300 000 Km/h.

    Après l’implantation ionique (ou le gavage ionique), le second revêtement photorésistant est retiré lui aussi. Les zones qui ont été dopées (en vert) regorgent alors d’atomes étrangers. après l'implantation ionique, la photorésine sera retirée, et le matériau qui aurait dû être dopé  aura des atomes étrangers implantés maintenant qui fera apparaître de légère variation de couleur.

    Déposition d'une couche métallique :

    Le transistor représenté ici est alors presque terminé. On réalise alors 3 trous dans la couche d’isolation (en rose) qui le recouvre, lesquels seront comblés avec du cuivre qui permettra d’établir les connexions entre les transistors.

    A ce stade, les wafers sont plongés dans une solution à base de sulfate de cuivre. Les ions cuivre sont alors répartis sur le transistor par un processus de dépôt électrolytique. Ceux-ci vont du pôle positif (anode) au pôle négatif (cathode) il s'agit du même procédé pour une pile par exemple.

    Les ions cuivre se décantent sous la forme d'une fine couche à la surface du wafer.

    Revêtement métallique :

    La matière en excès est polie de façon à ne laisser qu'une très fine couche de cuivre.

    Avant:                                                                            Après:

     

    De nombreuses couches métalliques sont crées pour assurer l’interconnexion entre tous les transistors. Le « câblage » de ces connexions varie suivant l’architecture et la conception déterminées pour un type de processeur. Ainsi, l’apparence très plate des processeurs est trompeuse : le circuit complexe peut être composé de plus d'une vingtaine de couches superposées.

    Teste du tri des "wafers" :

    cette fraction de plaquette prête est soumise à un premier test de fonctionnalité. Dans cette étape, des échantillons de test sont introduits chaque puce reçoit plusieurs types de signaux-test qui sont alors suivis et comparés aux "bonnes réponses".

    Une fois le rendement des processeurs aptes à fonctionner a été déterminé, le wafer est découpé en morceaux que nous avons vu sous le nom de "die".

    Les "Dies" qui ont répondu avec la bonne réponse au modèle seront mise en avant pour l'étape de l'emballage.

    Exemple de Die individuelles découpées à l'étape précédente.

    le substrat (le support ou le die va être soudé), le dies et l'IHS (sert a dissiper la chaleur sur tout le processeur) sont assemblés à partir d'un processeur complet. le substrat vert constitue l'interface électrique et mécanique permettant au processeur d'interagir avec le reste du système PC. l'IHS argent est une interface thermique sur laquelle une solution de refroidissement(Ventirad, watercooling, refroidissement passive) sera installée. Cela permettra de garder le processeur des températures raisonnable car, a partir d'un certains degrés (100° en moyenne) le prosseceur va se bridé lui même de façon à se préservé mais s'il atteint les 115° il va s'éteindre par sécurité .

    Test finaux du processeur :

    Durant le teste final le processeur sera testé en fonction des caractéristiques technique annoncé par le constructeur (dont la fréquence, fréquence boost s’il y en a une, et le TDP par exemple). Les processeurs ayant réussi les tests sont alors mis dans un packaging et mis en vente.

    Conclusion :

    Un processeur est un élément minutieux à réaliser car il nécessite pas moins d'une centaines d'étapes qui nécessitent une grandes précision pour la réalisation et aussi pour la conformité des testes. Intel à fournit en 2008 et 2011 deux reportage sur les étapes essentiels de la fabrication, Tomhardware a aussi réalisé un reportage sur la fabrication des processeurs.

    Sources:

    http://download.intel.com/newsroom/kits/chipmaking/pdfs/Sand-to-Silicon_32nm-Version.pdf

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Wafer

    https://bit-tech.net/reviews/tech/cpus/how-to-make-a-cpu-from-sand-to-shelf/2/

  1. https://fr.wikipedia.org/wiki/Socket_(processeur)

    https://www.fujitsu.com/global/about/businesspolicy/tech/k/whatis/processor/cpu.html

    https://www.01net.com/actualites/intel-tremont-des-processeurs-peu-energivores-mais-tres-puissants-arrivent-1793986.html

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor_%C3%A0_effet_de_champ_%C3%A0_grille_m%C3%A9tal-oxyde

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Substrat_(%C3%A9lectronique)

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Die_(circuit_int%C3%A9gr%C3%A9)

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Photolithographie

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Gravure_(micro-fabrication)

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