Trong thế giới công nghệ nano, nơi những con chip siêu nhỏ đóng vai trò quan trọng, câu hỏi về hình dạng của chúng luôn khiến nhiều người tò mò. Tại sao wafer, nền tảng để tạo ra các con chip, lại có hình tròn trong khi chính những con chip lại mang hình vuông?
Sản xuất chip, một lĩnh vực tiên tiến trong công nghệ hiện đại, là quá trình đầy thách thức và phức tạp. Từ nguyên liệu thô đến thành phẩm cuối cùng, mỗi bước đều đòi hỏi sự chính xác cao và công nghệ tinh vi.
Nguyên liệu thô để sản xuất chip là silica (silic dioxide) với hàm lượng silicon cao. Trước tiên, nguyên liệu thô này phải được nấu chảy trong nồi nấu bằng than chì, sau đó tinh chế và qua quá trình Czochralski để tạo ra một thanh silicon hình trụ. Quá trình này giúp loại bỏ các tạp chất và tạo ra silicon có độ tinh khiết cao cần thiết cho sản xuất chip.
Nguyên liệu thô để sản xuất chip là silica (silic dioxide) với hàm lượng silicon cao.
Hầu hết các wafer silicon hiện nay được sản xuất bằng phương pháp Czochralski. Quá trình này bắt đầu bằng việc nhúng một tinh thể silicon nhỏ vào silicon nóng chảy. Khi kéo tinh thể này lên, nó sẽ quay đồng thời, tạo ra một khối silicon đơn tinh thể hình trụ lớn.
Từ thanh silicon, các kỹ sư sẽ tiến hành cắt, mài và đánh bóng để tạo ra các tấm wafer – những tấm silicon tròn, phẳng và nhẵn. Sau đó, các tấm wafer này được gửi đến nhà máy sản xuất tấm bán dẫn để thực hiện các bước quang khắc và khắc nhằm tạo ra các mạch logic phức tạp trên bề mặt của chúng. Quá trình này giúp phủ đầy chip lên tấm wafer.
Tấm wafer là những tấm silicon tròn, phẳng và nhẵn.
Hình tròn giúp tận dụng tối đa lượng silicon nóng chảy, giảm thiểu lãng phí. Quá trình quay đều giúp phân bố ứng suất đều khắp, giảm thiểu sự hình thành các khuyết tật trong tinh thể. Việc cắt một khối trụ thành các lát tròn đơn giản và hiệu quả hơn so với các hình dạng khác.
Cuối cùng, sau khi thử nghiệm về mọi mặt, tấm wafer được cắt lát và thu được những con chip hình vuông mà chúng ta thấy hàng ngày. Lý do tại sao tấm wafer tròn được chọn là do cấu trúc tròn có khả năng chịu ứng suất đều trong quá trình làm mát, cắt, xử lý và giảm khả năng bị vỡ, hư hỏng.
Mặc dù việc cắt chip sẽ tạo ra một số chất thải, nhưng chất thải này có thể chấp nhận được nếu xét đến tính hiệu quả và ổn định của toàn bộ quy trình sản xuất. Vậy, có thể tạo ra bao nhiêu con chip từ một tấm wafer 12 inch?
Diện tích bề mặt của một tấm wafer 12 inch là khoảng 70.659 mm vuông. Nếu một con chip có kích thước 100 mm vuông thì về mặt lý thuyết có thể sản xuất được hơn 700 con chip, nhưng điều này là không thể.
Nguyên nhân cũng đã được đề cập trước đó, vì chip có hình vuông và wafer tròn nên chắc chắn sẽ có những mảnh vụn sẽ bị thải ra bên ngoài. Do đó, nếu tính toán dựa trên tỷ lệ sử dụng tấm bán dẫn là 85% thì sẽ có khoảng 600 miếng. Tuy nhiên, tính đến các yếu tố như tỷ lệ sản lượng, nên số lượng chip thực tế có thể sản xuất được là khoảng 500.
Việc cắt một khối trụ thành các lát tròn đơn giản và hiệu quả hơn so với các hình dạng khác.
Hầu hết các mạch tích hợp được thiết kế theo dạng hình chữ nhật hoặc hình vuông. Việc chia nhỏ một tấm wafer tròn thành các chip hình vuông giúp tận dụng tối đa diện tích của wafer. Ngoài ra, hình vuông thuận tiện cho việc đóng gói và lắp ráp các chip vào các bo mạch điện tử. Các bo mạch thường có dạng hình chữ nhật, vì vậy các chip hình vuông sẽ dễ dàng được đặt vào các vị trí tương ứng.
Trong số 500 con chip này, một số chip có thể gặp lỗi hoặc hoạt động không đạt tiêu chuẩn. Thay vì loại bỏ chúng, các nhà sản xuất sẽ hạ cấp và tận dụng chúng tối đa.
Ví dụ, nếu một con chip 9 lõi bị hỏng một lõi, nhà sản xuất sẽ khóa lõi bị lỗi và biến nó thành chip 8 lõi. Đây là lý do tại sao chúng ta thấy sự khác biệt giữa các dòng chip như i9, i7, i5 và i3.
Nếu lõi không bị hỏng nhưng một số bộ phận của chip hoạt động không tốt, chẳng hạn như kiểm tra điện áp và tần số, v.v., thì mô hình sẽ khác. Tương tự, các nhà sản xuất sẽ bán chúng theo các danh mục như i9-10900F, i9-10900T, i7-10700K, v.v. Với mục đích chính là không lãng phí.
Tương tự, các chip dòng M của Apple như M3 Ultra, M3 Max và M3 Pro cũng được xử lý theo cách này để tận dụng tối đa mỗi sản phẩm.
Hình vuông thuận tiện cho việc đóng gói và lắp ráp các chip vào các bo mạch điện tử.
Hình dạng tròn của wafer và hình vuông của chip là kết quả của quá trình sản xuất và thiết kế phức tạp. Mặc dù có những lựa chọn khác, nhưng hình tròn và hình vuông vẫn là những hình dạng tối ưu cho wafer và chip hiện nay. Sự kết hợp hài hòa giữa hiệu quả sản xuất, tính tiện dụng trong thiết kế và tiêu chuẩn hóa đã góp phần tạo nên hình dạng đặc trưng của các linh kiện điện tử này.
Tuy nhiên, khi quy trình sản xuất chip ngày càng phức tạp, đồng nghĩa với việc tỷ lệ lỗi cũng tăng lên. Tỷ lệ sản lượng – số lượng chip không lỗi trên tổng số chip sản xuất – trở thành thách thức lớn đối với các nhà sản xuất. Hiệu suất 4nm ban đầu của một số hãng chỉ đạt 35%, trong khi của những nhà sản xuất tên tuổi hơn là 70%.
Sản xuất chip là một quá trình phức tạp và liên tục đổi mới. Từ việc xử lý nguyên liệu thô, chế tạo tấm wafer, cắt và kiểm tra chip, đến việc tận dụng và phân loại chip, mỗi bước đều đòi hỏi sự chính xác và công nghệ cao. Dù gặp nhiều thách thức, các nhà sản xuất chip vẫn không ngừng cải tiến quy trình để đạt được hiệu suất và chất lượng tốt nhất.