Der Intel 8086 ist ein 16-Bit-Mikroprozessor von Intel. Entwickelt 1978, wurde er zum Urvater der 80×86-Familie.
Moderne CPUs bestehen üblicherweise aus mehreren, übereinanderliegenden Schichten von dotiertem Silizium, die Millionen von Transistoren bilden, deren Schaltvorgänge die Rechenleistung bereitstellen.
CPUs werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche an den jeweiligen Einsatzbereich angepasst. Beispielsweise müssen Spezialversionen für Luft- und Raumfahrt besonders hohen Temperaturen und Strahlungsexposition im laufenden Betrieb fehlerfrei standhalten, während Mobilprozessoren eine hohe IPC-Rate, geringe Leckströme und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen müssen.
Sand: Mit einem Anteil von 25% an der Gesamtmasse ist Silizium das zweithäufigste Element der Erde nach Sauerstoff. Quarzsand, reines Silizium-Dioxid (SiO2), weist einen hohen Silizium Anteil auf und dient deswegen als Ausgangsmaterial der Halbleiterherstellung.
Geschmolzenes Silizium (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Silizium wird in mehreren Stufen aufgereinigt, bis es die nötige Reinheit erreicht. „Electronic Grade Silicon“ enthält nur noch ein Fremdatom pro einer Milliarde Silizium-Atome. Das Bild zeigt die Züchtung eines Silizium-Monokristalls (genanntn Ingot) aus flüssigem Reinstsilizium.
Monokristall-Silizium-Ingot (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Ein Ingot wurde aus Reinstsilizium gezüchtet. Das Material hat eine Reinheit von 99,9999% und der Kristall wiegt ungefähr 100 Kilogramm.
Ingot-Schneiden (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Der Ingot wird in einzelne Scheiben gesägt, sogenannte Wafer.
Wafer (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Die Wafer werden poliert, bis sie eine perfekte, spiegel-gleiche Oberfläche haben. Intel kauft die fertigen Wafer von Drittherstellern, für den aktuellen 45-Nanometer-Prozess kommen Wafer mit 300mm Durchmesser zum Einsatz. Als Intel in den 60er Jahren mit der Chipherstellung anfing, waren noch 50mm Durchmesser üblich, was deutlich höhere Kosten pro Chip mit sich brachte.
Auftragen von Fotolack (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Auf den Wafer wird eine Flüssigkeit aufgetragen, deren chemische Eigenschaften denen eines Films für die analoge Fotographie ähneln. Wärend des Auftragens rotiert der Wafer, um eine sehr dünne und gleichmäßige Schicht zu ermöglichen.
Belichtung (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Der Fotolack wird mit UV-Licht bestrahlt. Ähnlich wie in der analogen Fotographie wird an den belichteten Stellen eine chemische Reaktion ausgelöst. Das Belichtungsmuster und damit die späteren Strukturen auf dem Chip, wird durch eine Belichtungsmaske vorgegeben. Dank eines Linsensystems darf diese typischerweise vier mal größer sein, als das gewünschte Abbild.
Belichtung (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Auf einem Wafer befinden sich normalerweise mehrere hunderte Mikroprozessoren. Zwecks besserer Übersicht werden im weiteren Verlauf aber nur einzelne funktionale Elemente betrachtet – Transistoren oder Teile davon. In einer CPU arbeiten Transistoren als Schaltelemente, die den Stromfluß steuern. Heutige Transistoren können so klein sein, dass 30 Millionen von ihnen auf eine Nadelspitze passen.
Lösen des Fotolackes (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Durch die Belichtung wurden einzelne Stellen des Fotolackes löslich, so dass sie jetzt mit einem speziellen Lösungsmittel weggespült werden können. Zurück bleibt das Muster der Belichtungsmaske.
Ätzen (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Die jetzt freigelegten Bereiche werden mittels Säure weggeätzt. Die unbelichteten Bereiche werden dagegen durch den Fotolack geschützt.
Entfernen des Fotolackes (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Nun wird auch der verbleibende Fotolack entfernt und damit ein Silizium-Strukturen freigelegt, die das Muster der Belichtungsmaske wiederspiegeln.
Auftragen von Fotolack (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Eine weitere Schicht Fotolack wird aufgetragen, belichtet und an den belichteten Stellen wieder entfernt. Der Fotolack wird die Bereiche schützen, die nicht dotiert werden sollen.
Dotierung (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): In einem Prozess, der als Dotierung bekannt ist, wird der Wafer mit auf 300.000km/h beschleunigten Ionen beschossen. Ein Teil der Ionen dringt in die Wafer-Oberfläche ein. Diese Verunreinigungen beeinflussen die elektrische Leitfähigkeit des Siliziums.
Entfernen des Fotolackes (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Nach erfolgter Dotierung wird wiederum der verbleibende Fotolack entfernt. Zurück bleiben Strukturen, die teilweise Ionen, also Fremdatome enthalten (grün, man beachte die Farbvariationen). Damit sie grundlegenden Funktionselemente des Transistors fertiggestellt.
Fertiger Transistor (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Eine Isolationsschicht (magenta) wurde aufgebracht und drei Löcher hineingeätzt. Diese werden später mit Kupfer gefüllt und stellen die Verbindung zu anderen Transistoren her.
Galvanisierung (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Die Wafer kommen in eine Kupfer-Sulfat-Lösung. Bei Anlegung einer Spannung wandern die Kupferionen von der Anode (+) zur Kathode (-, hier vom Wafer gebildet) und lagern sich dort an.
Nach der Galvanisierung (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Durch das galvanische Verfahren hat sich auf der Waferoberfläche eine dünne Kupferschicht gebildet.
Polieren (Maßstab: Transistorformat, ~50-200nm): Das überschüssige Material wird durch polieren entfernt. Zurück bleiben die mit Kupfer ausgefüllten Löcher in der Isolierschicht – die Kontakte des Transistors.
Metallschichten (Maßstab: sechs Transistoren, ~500nm): Mehrere Metallschichten werden erzeugt, um verschiedene Transistoren miteinander zu verbinden und so komplexe elektronische Schaltungen zu bilden. Eine moderne CPU kann bis zu 20 derartige Schichten enthalten, die an ein futuristisches Highway-Netz erinnern.
Wafer-Sortierung /-test (Maßstab: DIE-Format, ~10mm): Die Schaltkreise, die später eigene CPUs bilden, sind an dieser Stelle fertig. Noch auf dem Wafer werden nun erste Tests durchgeführt, in denen die einzelnen Schaltkreise auf richtige Reaktionen hin überprüft werden.
Sägen (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Der Wafer wird in einzelne Teile, sogenannte DIEs zersägt.
Aussortieren (Maßstab: Waferformat, ~300mm): Die DIEs, die in Tests falsche oder gar keine Reaktionen zeigten, werden aussortiert.
Einzelner DIE (Maßstab: DIE-Format, ~10mm): Dies ist ein einzelner (Core i7-)DIE, der den vorherigen Schritt gemeistert hat.
Packaging (Maßstab: ~20mm): Im sogenannten „Packaging“ wird der DIE mit dem Substrat (grün) und dem Heatspreader (silber) vereinigt und bildet so eine fertige CPU. Das Substrat enthält eine Vielzahl an Verbindungen und stellt das elektrische und mechanische Verbindungsglied zwischen den winzigen Kontakten des DIEs und dem Sockel beziehungsweise dem restlichen System dar. Der Heatspreader (aus vernickeltem Kupfer) ist das thermische Verbindungsglied zwische DIE und CPU-Kühler. Einige Chips verzichten zugrunsten eines direkteren Kontakts auf einen Heatspreader, was aber das Risiko von Schäden bei der Kühlermontage vergrößert.
Prozessor (Maßstab: ~20mm): Eine vollständige CPU (hier: Core i7) stellt das komplexeste Produkt überhaupt dar. Der Herstellungsprozess wurde hier stark vereinfacht wiedergegeben, in Wirklichkeit sind mehrere hundert Einzelschritte (zum Großteil Wiederholungen des beschriebenen) nötig, bei deren Durchführung zusätzlich höchste Anforderungen an die Sauberkeit gestellt werden.
Testen (Maßstab: ~20mm): In einem finalen Test werden die CPUs auf ihre Schlüsseleigenschaften (unter anderem Wärmeabgabe und Taktfrequenz) getestet.
„Binning“ (Maßstab: ~20mm): Anhand dieser Testergebnisse werden die CPUs in Gruppen mit vergleichbaren Eigenschaften auf einzelne „Trays“ sortiert.
Retail Verpackung (Maßstab: ~20mm): Die fertigen CPUs werden entweder auf den „Trays“ an OEM-Hersteller/-Händler geliefert, oder kommen in Retail-Verpackungen in den Endkundenhandel.
Mit freundlicher Unterstützung und Erlaubnis von Intel
