Buzz
Trong lĩnh vực công nghệ nano, nơi các con chip cực kỳ nhỏ giữ vai trò then chốt, câu hỏi về hình dạng của chúng luôn tạo sự tò mò. Wafer, nền tảng để chế tạo chip, có hình tròn, còn các con chip lại có hình vuông. Vậy lý do cho sự khác biệt này là gì?
Sản xuất chip, một ngành công nghệ tiên tiến và phức tạp, yêu cầu sự chính xác cao và công nghệ tinh vi từ nguyên liệu thô đến sản phẩm cuối cùng. Mỗi bước trong quy trình sản xuất đều được thực hiện với sự tỉ mỉ tối đa.
Nguyên liệu chính để sản xuất chip là silica, chứa nhiều silicon. Đầu tiên, silica được nấu chảy trong nồi bằng than chì, sau đó tinh chế và qua quá trình Czochralski để tạo thành một thanh silicon hình trụ. Quy trình này giúp loại bỏ tạp chất và sản xuất silicon tinh khiết cho chế tạo chip.
Hiện nay, phần lớn wafer silicon được sản xuất bằng phương pháp Czochralski. Quá trình này bắt đầu bằng cách nhúng một tinh thể silicon nhỏ vào silicon nóng chảy. Khi kéo tinh thể 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 chuyển đến nhà máy chế tạo 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.
Hình tròn giúp tận dụng tối đa silicon nóng chảy, giảm lãng phí. Quá trình quay đồng đều giúp phân bố ứng suất một cách đồng nhất, giảm thiểu khuyết tật trong tinh thể. Việc cắt khối trụ thành các lát tròn đơn giản và hiệu quả hơn so với các hình dạng khác.
Cuối cùng, sau khi hoàn tất mọi thử nghiệm, tấm wafer sẽ được cắt thành các con chip hình vuông mà chúng ta thường thấy. Việc chọn tấm wafer hình tròn là vì cấu trúc này giúp phân bổ ứng suất đều hơn trong quá trình làm mát và cắt, từ đó giảm nguy cơ vỡ hoặc hư hỏng.
Dù việc cắt chip tạo ra một lượng chất thải nhất định, nhưng đây là chấp nhận được nếu xét đến hiệu quả và sự ổn định của quy trình sản xuất tổng thể. Vậy, từ một tấm wafer 12 inch có thể tạo ra bao nhiêu con chip?
Diện tích của một tấm wafer 12 inch khoảng 70.659 mm². Theo lý thuyết, với kích thước chip 100 mm², có thể sản xuất hơn 700 chip, nhưng thực tế không đạt được con số này.
Như đã đề cập, do sự khác biệt giữa hình dạng vuông của chip và hình tròn của wafer, sẽ luôn có một số chất thải phát sinh. Với tỷ lệ sử dụng tấm bán dẫn là 85%, có thể thu được khoảng 600 con chip. Tuy nhiên, với các yếu tố khác như tỷ lệ sản lượng, số lượng chip thực tế có thể sản xuất khoảng 500 con.
Hầu hết các mạch tích hợp được thiết kế dưới dạng hình chữ nhật hoặc hình vuông. Cắt tấm wafer tròn thành các chip hình vuông giúp tối ưu hóa diện tích của wafer. Hơn nữa, hình vuông tiện lợi cho việc đóng gói và lắp ráp vào các bo mạch điện tử, vì các bo mạch thường có dạng hình chữ nhật, do đó các chip hình vuông dễ dàng lắp vào các vị trí tương ứng.
Trong số 500 con chip này, một số có thể gặp lỗi hoặc không đạt yêu cầu chất lượng. Thay vì loại bỏ chúng, các nhà sản xuất sẽ hạ cấp và tận dụng tối đa các chip này.
Ví dụ, nếu một chip 9 lõi gặp lỗi ở một lõi, nhà sản xuất sẽ khóa lõi bị lỗi và biến nó thành chip 8 lõi. Đây là lý do chúng ta thấy sự khác biệt giữa các dòng chip như i9, i7, i5 và i3.
Nếu lõi của chip không bị hỏng nhưng một số chức năng như kiểm tra điện áp hay tần số hoạt động không đạt yêu cầu, chip sẽ được phân loại theo các dòng sản phẩm như i9-10900F, i9-10900T, i7-10700K, v.v. Mục đích chính là nhằm tận dụng tối đa sản phẩm mà không lãng phí.
Tương tự, các dòng chip M của Apple như M3 Ultra, M3 Max và M3 Pro cũng được xử lý theo cách này để đảm bảo khai thác tối đa giá trị của từng sản phẩm.
Hình dạng tròn của wafer và hình vuông của chip là kết quả của quy trình sản xuất và thiết kế phức tạp. Mặc dù có thể chọn các hình dạng khác, nhưng hình tròn cho wafer và hình vuông cho chip vẫn là lựa chọn tối ưu hiện tại. Sự kết hợp hoàn hảo giữa hiệu quả sản xuất, tiện ích trong thiết kế và tiêu chuẩn hóa đã tạo nên những hình dạng đặc trưng của các linh kiện điện tử này.
Tuy nhiên, khi quy trình sản xuất chip trở nên ngày càng tinh vi, tỷ lệ lỗi cũng theo đó gia tăng. Tỷ lệ sản lượng – tỷ lệ chip không lỗi trên tổng số chip sản xuất – là một thách thức lớn. Ví dụ, hiệu suất 4nm của một số nhà sản xuất chỉ đạt 35%, trong khi các nhà sản xuất danh tiếng hơn đạt tới 70%.
Quá trình sản xuất chip là một chuỗi các bước phức tạp và luôn đổi mới. Từ xử lý nguyên liệu thô, chế tạo tấm wafer, cắt và kiểm tra chip, đến tận dụng và phân loại chip, mỗi giai đoạn đều yêu cầu sự chính xác cao và công nghệ tiên tiến. Mặc dù đối mặt với nhiều thách thức, các nhà sản xuất chip không ngừng cải tiến quy trình để đạt được hiệu suất và chất lượng tối ưu.
