drtobis world of technology #2: Der Prozessor, die Grundlage eines jeden Rechners. Aufbau und Funktion

in #deutsch6 years ago (edited)

Quelle: unsplash; Prozessoren verändern unser Leben

Der Prozessor ist die Grundlage jeden PC, für jedes Smartphone und sonstiges elektrisches Gerät, dass Daten verarbeiten muss. Ohne ihn läuft nichts. Daher wollen wir uns heute anschauen, wie ein solches wichtiges elektronische Bauteil hergestellt wird und wie es funktioniert.

Teuer und komplex

Weltweit gibt es nur etwas mehr als eine Handvoll Hersteller die finanziell und technisch in der Lage sind solch komplexe Produkte wie beispielsweise Prozessoren, Ic‘s oder sonstige integrierte Schaltkreise herzustellen. Der derzeit größte Prozessorhersteller der Welt ist IBM mit einem Marktanteil von 81%.

Um einen Prozessor herzustellen ist ein langer Weg notwendig, der mehr als 100 Fertigungsschritte umfasst. Noch länger dauert es die notwendige Infrastruktur zu schaffen. Da Prozessoren mit den darauf enthaltenen Transistoren in einer Fertigungsgröße von bis zu 7nm gefertigt werden, ist ein hoher Grad an Automatisierung und somit auch finanzieller Mittel notwendig. 

Um ein einzelnes Werk für Prozessoren aufzubauen, vergehen schnell ein paar Jahre. Alleine die Investitionen die IBM, AMD und andere Hersteller in den Aufbau eines neuen Werks stecken müssen, sind gewaltig. Ein einzelnes Werk kann je nach Größe und Fertigungsaufwand mehrere Milliarden Dollar verschlingen.

Die Grundlage eines jeglichen Prozessors

Quelle: wikipedia; Urheber: Armin Kübelbeck ; Nahaufnahme eines Siliziumwafers Quelle: eigene Darstellung; 

Die Grundlage eines jeden Mikroprozessors ist Sand, der aus einem hohen Anteil aus Silizium-Dioxid besteht.
Durch Erhitzen und weitere komplexe chemische Prozessschritte wird das Silizium aus dem Sand extrahiert, um den hohen Anforderungen der Chip-Produktion zu entsprechen. 

Das Endprodukt ist ein Stab oder Block aus reinem Silizium mit extrem hohen Reinheit. Auf 10 Millionen Silizium-Atome findet sich nur ein einziges Fremdatom. Der Silizium-Block, der in Fachkreisen Ingot genannt wird, wird zur Weiterverarbeitung in Form gebracht. 

Aus ihm werden dann je nach Anwendungszweck Siliziumscheiben in einer dicke von 0,5 bis 1,5 mm geschnitten, die Wafer genannt werden. Diese Silizium Wafer sind das Hauptmaterial des späteren Prozessors. Zur Weiterverarbeitung werden diese Poliert und hinsichtlich Fehler überprüft.

Milliarden an Transistoren

Ein Prozessor besteht aus einem Siliziumwafer, auf den Milliarden an Transistoren eingebrannt und eingeätzt werden, die die Rechenprozesse übernehmen. Ein Transistor ist einfach ausgedrückt ein elektrischer Schalter, der zwei Zustände annehmen kann. Durch die Zusammenschaltung von Millionen oder Milliarden an Transistoren lassen sich dann Berechnungen anstellen.

Wie ist ein Transistor aufgebaut?

Ein Transistor besteht aus schichten unterschiedlich geladener Siliziumkristalle. Um einen positiv oder negativ geladene Siliziumschicht zu erhalten, werden gezielt eine geringe Menge an Fremdatomen in die bestehende Atomgitterstruktur eingesetzt.

Silizium Atome bestehen aus 4 Elektronen und sind unter Zimmertemperatur nicht leitend. Um eine negativ geladene Siliziumschicht zu erhalten, wird aus der bestehenden Atomgitterstruktur eines Siliziumkristalls, ein Silizium-Atom entnommen und durch ein Phosphor-Atom mit 5 Elektronen ersetzt, wodurch sich ein Phosphor-Elektron frei im Siliziumkristall bewegen kann. 

Aufgrund dieser Struktur ist der Silizium-Phosphor-Kristall negativ geladen. Das bezeichnet man auch als n-leitend. Um einen positiv geladenen Silizium-Kristall zu erhalten, wird ein Bor-Atom in das bestehende Siliziumkristallgitter eingebaut. Ein Bor-Atom besteht nur aus 3 Elektronen, wird dieses eingebaut, bleibt jeweils ein Elektron des Siliziums frei. 

In diesem Fall spricht man von Elektronenlöschern. Sie wandern wie positiv geladene Elektrizitätsteilchen durch den Siliziumkristall. Das Material ist von diesem Zeitpunkt an positiv geladen oder anders ausgedrückt p-leitend. Aus solchen n- und p-leitenden Siliziumkristallen bestehen Transistoren, die später in die Siliziumwafer eingelassen werden.

Aufbau eines Transistors innerhalb eines Siliziumwafers

Quelle: eigene Darstellung; Schematischer Aufbau eines Transistors

Der Aufbau eines Transistors besteht aus einer p-leitenden und zwei n-leitenden-Schichten. Die p-leitende Schicht ist der Siliziumwafer. Über verschiedene Fertigungsverfahren werden pro Transistor zwei n-leitende-Schichten eingelassen. Anschließend wird über den Siliziumwafer und über die beiden n-leitenden Schichten, eine isolierende Schicht aus Silizium-Oxid aufgetragen. Auf die Schicht aus Silizium-Oxid wird wiederum eine positiv leitende Schicht aus Polysilizium aufgetragen.

Quelle: eigene Darstellung: Transistor mit seinen leitfähigen Anschlüssen

An die bestehende n-leitende, p-leitende und Polysilizium-Schicht werden leitfähige Anschlüsse (z.B. Kupferdrähte) angebracht. Wird an die linke n-Schicht eine positive und an die rechte n-Schicht, e eine negative Spannung angelegt, passiert erst einmal nichts. Der Transistor sperrt.

Quelle: eigene Darstellung; Durch Anlegen einer Spannung ans Gate wird der Transistor leitend 

Legt man nun noch eine positive Spannung an die Polysilizium-Schicht, die als Gate bezeichnet wird an, wandern die Elektronen aus der p-Schicht des Siliziumwafers in Richtung des mittleren Anschlusses und sammeln sich dort an. 

Nun können Elektronen von – nach + fließen, wodurch der Stromkreis geschlossen wird.
Durch das ein und Ausschalten der Spannung am Gate, kann der Transistor nun beliebig ein und ausgeschaltet werden und die Zustände 0 und 1 annehmen die zur Berechnung verwendet werden.

Damit ist im Allgemeinen die Funktionsweise des Transistors und auch die des Prozessors erklärt. Wurden Milliarden an Schichten auf den Siliziumwafer aufgetragen, wird dieser in mehrere Chips zerschnitten die dann in ein Kunststoffgehäuse eingesetzt werden. Fertig ist der Prozessor, den wir dann in allen unterschiedlichen elektronischen Geräten zur Berechnung und Steuerung von Prozessen einsetzen können.

Prozessorfertigung


Das Video zeigt euch, wie die Prozessorfertigung vonstattengeht. Wie bereits anfangs erwähnt werden einzelne Siliziumwafer hergestellt, die dann belichtet werden, um in einem nachfolgenden Prozess die n-leitenden-Schichten aus dem bestehenden Siliziumwafer zu ätzen. 

Diese frei geworden Flächen werden dann mit negativ geladenen Siliziumkristallen aufgefüllt. In den nachfolgenden Schritten werden dann die aus den oberen Abbildungen dargestellten Isolierschichten und Metallkontakte angebracht. 

Ein Blick hinter die Kulissen

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Eine Korrektur:

  • vergehen schnell ein paar. (das Jahre fehlt?)

Ich bin gespannt wie es mit der weiteren Verkleinerung vorwärts geht. Das Ende scheint noch nicht erreicht, aber man merkt schon, dass die Sprünge nicht mehr so groß sind. Hat man vor 20 Jahre jedes Jahre den Rechner wechseln müssen, laufen meine daheim jetzt schon fast 10 Jahre und es geht immer noch vernünftig (waren aber auch Highend Kisten). Die nächste bahnbrechenende Radikale Idee kommt sicher demnächst - nur zu was führt das dann -> Terminator?

Danke für den Hinweis. Habe auch noch ein weiteres Video angefügt.

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