How a chip is builtChip được làm ra thế nào

A processor the size of a fingertip is wired like a small city, with copper streets stacked in layers to connect billions of tiny switches. Take a guess before you read on.

Một con chip xử lý chỉ to bằng đầu ngón tay mà bên trong chằng chịt dây nối như cả một thành phố thu nhỏ: những con phố bằng đồng xếp thành nhiều tầng, nối hàng tỷ công tắc tí hon với nhau. Hãy thử đoán trước khi đọc tiếp.

In this chapter

Trong chương này

• How much copper wiring a modern processor holds, and why it is stacked in ten or more layers
• How a chip is built from the bottom up: transistors first, then the wiring that connects them
• The handful of steps repeated hundreds of times to build it: lithography, deposition, etch, planarization and annealing
• How transistor counts climbed from a few thousand to more than two hundred billion
• Why chipmakers now stack chips as well as shrink them

• Một con chip xử lý hiện đại chứa bao nhiêu dây đồng kết nối (interconnect), và vì sao chúng được xếp thành mười tầng trở lên
• Chip được dựng từ dưới lên như thế nào: trước hết là bóng bán dẫn (transistor), sau đó là hệ dây nối chúng với nhau
• Vài bước cơ bản được lặp lại hàng trăm lần để làm nên con chip: quang khắc, lắng đọng, khắc, làm phẳng hóa cơ (CMP) và ủ nhiệt
• Số transistor đã tăng từ vài nghìn lên hơn hai trăm tỷ ra sao
• Vì sao các nhà sản xuất chip giờ đây vừa thu nhỏ vừa xếp chồng các con chip

A processor holds roughly a hundred kilometres of copper wiring

Một bộ xử lý có chừng một trăm cây số dây đồng

The copper wiring inside a chip is called the interconnect. Its job is to connect billions of switches to each other in exactly the pattern the designers drew, and it is why a chip is far more than a pile of transistors. The short film below zooms into a chip to show what a hundred kilometres of copper looks like from the inside.

Người ta gọi hệ dây đồng bên trong con chip là dây đồng kết nối (interconnect). Nhiệm vụ của nó là nối hàng tỷ chiếc công tắc với nhau theo đúng sơ đồ mà người thiết kế đã vẽ, và chính nó khiến con chip khác xa một đống bóng bán dẫn (transistor) rời rạc. Đoạn phim ngắn dưới đây phóng to một con chip để thấy một trăm cây số dây đồng ấy trông ra sao từ bên trong.

A processor is a city on a fingertip, built in layers

Bộ xử lý là một thành phố trên đầu ngón tay, được dựng thành nhiều tầng

Seen from above, a processor looks like a map of a city, with separate districts for separate jobs: cores in one place, caches in another, the links to memory around the edge. The comparison works in the third dimension too, because a chip is built in layers, and the layers do different work.

Nhìn từ trên xuống, một bộ xử lý giống tấm bản đồ thành phố, với những khu vực riêng cho từng việc: chỗ này là các lõi, chỗ kia là cache, các đường nối tới bộ nhớ chạy quanh rìa. Phép so sánh ấy đúng cả theo chiều thứ ba, vì con chip được dựng thành nhiều tầng, và mỗi tầng làm một việc khác nhau.

At the very bottom, in the silicon itself, sit the transistors: billions of the switches that chapter 1 described, each turned on and off by an electrical signal. Above them, in ten or more stacked levels, run the copper lines.^6.2 Each level is a metal layer, a sheet of wires separated from the next by insulating material and joined to it by tiny vertical connections, so a signal can climb from a transistor up through the levels and back down to another one far across the chip. The newest processes have started to move the power wiring out of that stack: Intel’s 18A process, now in high-volume production, carries power on the back of the silicon, beneath the transistors, an approach called backside power delivery that leaves more room above for signals.^6.3

Ở tầng dưới cùng, ngay trong lớp silicon, là các transistor: hàng tỷ chiếc công tắc mà chương 1 đã mô tả, mỗi chiếc được bật tắt bằng một tín hiệu điện. Phía trên chúng, xếp thành mười tầng trở lên, là các đường dây đồng.^6.2 Mỗi tầng là một metal layer (tầng kim loại), một lớp dây được ngăn với tầng kế tiếp bằng vật liệu cách điện và nối với tầng ấy qua những chốt dẫn nhỏ xíu theo chiều đứng. Nhờ vậy, tín hiệu có thể đi từ một transistor lên qua các tầng dây rồi xuống tới một transistor khác ở tận đầu kia con chip. Những quy trình mới nhất đã bắt đầu đưa hệ dây cấp điện ra khỏi chồng tầng ấy: quy trình 18A của Intel, nay đã sản xuất hàng loạt, dẫn điện ở mặt sau của lớp silicon, bên dưới các transistor. Cách làm này gọi là backside power delivery, và nó để lại nhiều chỗ hơn ở phía trên cho dây tín hiệu.^6.3

Wiring billions of switches correctly takes extremely careful design. Deciding where every transistor sits and how every wire runs between them is a large part of what separates a chip that works from one that does not.

Nối đúng hàng tỷ chiếc công tắc đòi hỏi một thiết kế cực kỳ công phu. Quyết định mỗi transistor đặt ở đâu và mỗi sợi dây chạy giữa chúng ra sao góp phần lớn vào khác biệt giữa một con chip chạy được và một con chip hỏng.

A chip is built on a wafer, following its design

Con chip được dựng trên wafer theo bản thiết kế

Chapter 4 compared a chip architect to the architect of a house. The comparison continues here: once the drawings are finished, someone else has to build the house. For most of the world’s leading chips that builder is a foundry, a company that manufactures chips to other companies’ designs, and the building site is the wafer, a thin disc of pure crystalline silicon on which hundreds of chips are made at once and later cut apart.

Chương 4 đã so sánh chip architect với kiến trúc sư thiết kế nhà. Phép so sánh ấy vẫn dùng được ở đây: bản vẽ xong rồi thì phải có người khác xây nhà. Với phần lớn các con chip hàng đầu thế giới, người thợ xây ấy là một foundry, tức công ty chuyên sản xuất chip theo thiết kế của công ty khác. Công trường là wafer, một tấm silicon tinh thể tinh khiết, mỏng và tròn, trên đó hàng trăm con chip được làm cùng lúc rồi mới cắt rời.

The raw material is humbler than the product. Silicon comes from quartz, the purest form of silica, silicon dioxide, the same compound that makes up most sand. It is purified, grown into a single large crystal and sliced into wafers. The film below follows the rest of the journey in under two minutes.^6.4

Nguyên liệu ban đầu khiêm tốn hơn nhiều so với thành phẩm. Silicon được lấy từ thạch anh, dạng tinh khiết nhất của silica, tức silicon dioxide, cũng là thành phần chính của cát. Người ta tinh chế silicon, nuôi thành một khối tinh thể lớn duy nhất rồi cắt thành từng tấm wafer. Đoạn phim dưới đây theo chân phần còn lại của hành trình ấy trong chưa đầy hai phút.^6.4

Inside the foundry, process engineers keep that journey on track. They choose the thin films, layers of material only nanometres thick, and work out how to combine them so each device behaves as intended. A capacitor built at the nanometre scale, for example, needs a metal and an insulator of just the right conductivity, dielectric constant and thickness to store the target charge while leaking as little as possible. Engineers also improve the process steps, and they act as doctors for the wafer: when a batch shows defects or falls short, they diagnose the cause and find a fix, working with the design, manufacturing and quality teams until enough chips meet the standard.

Bên trong foundry, các kỹ sư quy trình (process engineer) giữ cho hành trình ấy đi đúng hướng. Họ chọn các lớp màng mỏng, tức những lớp vật liệu chỉ dày vài nanomet, và tìm cách kết hợp chúng để mỗi linh kiện hoạt động đúng như mong muốn. Chẳng hạn, muốn làm một tụ điện ở kích thước nano, phải chọn kim loại và chất cách điện có độ dẫn điện, hằng số điện môi và độ dày vừa đúng. Có vậy tụ mới đạt đúng giá trị điện dung cần thiết, trong khi dòng rò được giữ ở mức thấp nhất. Kỹ sư còn cải tiến các bước quy trình, và đóng vai bác sĩ cho wafer. Khi một lô wafer có lỗi hoặc không đạt, họ chẩn đoán nguyên nhân và tìm cách khắc phục, phối hợp với các nhóm thiết kế, sản xuất và kiểm soát chất lượng cho đến khi đủ số chip đạt chuẩn.

A few basic steps are repeated hundreds of times

Vài bước cơ bản được lặp lại hàng trăm lần

The most demanding case is an advanced logic chip, the kind of processor that runs phones, servers and AI. It is made on the most advanced processes, the newest generations of technology node. Such a chip goes through several hundred to more than a thousand process steps between a bare silicon wafer and a finished chip: industry estimates run from about 600 to 1,000 or more for an advanced logic process,^6.5 and up to 1,400 for wafer manufacturing as a whole.^6.6

Khó nhất là chip logic tiên tiến, loại bộ xử lý chạy trong điện thoại, máy chủ và các hệ thống AI. Loại chip này được làm trên những quy trình tiên tiến nhất, tức các tiến trình bán dẫn (technology node) mới nhất. Từ tấm wafer silicon trơn đến lúc thành phẩm, loại chip này trải qua từ vài trăm đến hơn một nghìn bước quy trình. Theo các ước tính trong ngành, một quy trình logic tiên tiến cần khoảng 600 đến trên 1.000 bước,^6.5 còn toàn bộ khâu sản xuất wafer có thể lên tới 1.400 bước.^6.6

Those numbers sound overwhelming, but most of the steps are variations on a handful of basic operations, repeated again and again:^6.7

Những con số ấy nghe thật choáng ngợp, nhưng phần lớn các bước chỉ là biến thể của vài thao tác cơ bản, được lặp đi lặp lại:^6.7

Between them come many rounds of cleaning and inspection, which the table leaves out.

Xen giữa các bước ấy còn rất nhiều lượt làm sạch và kiểm tra, những bước bảng này không liệt kê.

The transistors are built first, in the silicon at the bottom. Then the same cycle of depositing, printing, etching and polishing builds the copper wiring above them, one metal layer at a time. With ten or more layers, each needing its own rounds of patterning, the step count climbs into the hundreds. At the end of it the wiring joins the transistors into exactly the circuit the designers intended.

Transistor được tạo ra trước tiên, ngay trong lớp silicon ở dưới cùng. Sau đó, chính chu trình lắng đọng, in, khắc và mài phẳng ấy được lặp lại để dựng hệ dây đồng phía trên, lần lượt từng metal layer một. Với mười tầng trở lên, tầng nào cũng cần những lượt tạo hình riêng, số bước cứ thế tăng lên hàng trăm. Cuối cùng, hệ dây nối các transistor thành đúng mạch điện mà người thiết kế đã định.

Each generation of chips holds more transistors

Số transistor trên chip tăng lên qua từng thế hệ

Repeating those steps with ever finer patterns is what has let each generation of chips hold more transistors than the last. The pace has a name. Moore's Law is the observation, first made by Gordon Moore in 1965 and revised by him in 1975, that the number of transistors on a chip doubles roughly every two years.^6.10 It is not a law of physics, but the industry has kept close to it for half a century, though the pace has slowed in recent years.

Nhờ lặp lại những bước ấy với hình mẫu ngày một mảnh hơn, mỗi thế hệ chip chứa được nhiều transistor hơn thế hệ trước. Nhịp độ ấy có một cái tên. Định luật Moore là quan sát do Gordon Moore đưa ra lần đầu năm 1965 và được chính ông điều chỉnh năm 1975: số transistor trên một con chip tăng gấp đôi khoảng hai năm một lần.^6.10 Đó không phải định luật vật lý, nhưng suốt nửa thế kỷ ngành chip vẫn bám sát nhịp ấy, dù nhịp ấy đã chậm lại trong những năm gần đây.

On the chart, the Intel 4004 of 1971 holds a few thousand transistors.^6.11 The largest single chips of recent years hold tens of billions. The vertical axis is logarithmic: 1,000, 10,000 and 100,000 sit equal distances apart, each ten times the last. So the nearly straight line of points is fifty years of steady doubling.

Trên biểu đồ, chiếc Intel 4004 năm 1971 chỉ có vài nghìn transistor.^6.11 Mấy năm gần đây, những con chip lớn nhất làm trên một miếng silicon duy nhất chứa tới hàng chục tỷ. Trục đứng theo thang logarit: các mốc 1.000, 10.000, 100.000 cách đều nhau, mốc sau gấp mười lần mốc trước. Vì vậy đường chấm gần như thẳng kia chính là năm mươi năm tăng gấp đôi đều đặn.

NVIDIA’s Blackwell GPU, announced in 2024 and made by TSMC, goes further still: 208 billion transistors.^6.12 It gets there on two dies, separate pieces of silicon each about as large as the manufacturing tools can print, joined in a single package, which points to the next part of the story.

GPU Blackwell của NVIDIA, ra mắt năm 2024 và do TSMC sản xuất, còn tiến xa hơn: 208 tỷ transistor.^6.12 Con số ấy nằm trên hai die, tức hai miếng silicon riêng, mỗi miếng gần bằng kích thước lớn nhất mà máy móc sản xuất in được, ghép vào cùng một package (phần đóng gói của chip). Điều đó dẫn tới phần tiếp theo của câu chuyện.

Shrinking the transistor alone is not enough

Chỉ thu nhỏ transistor thôi là chưa đủ

Transistors cannot shrink forever. Their smallest features are already approaching the scale of atoms. So besides making each transistor smaller, chipmakers now build bigger and denser products another way: by placing several chips side by side inside one package, so a product can grow past the largest size one chip can be made, or stacking them on top of one another, so more transistors fit in the same footprint. This is called advanced packaging, one of the two roads the industry is now taking.

Transistor không thể thu nhỏ mãi. Những chi tiết nhỏ nhất của chúng giờ đã tiến sát tới kích thước của nguyên tử. Vì vậy, bên cạnh việc làm từng transistor nhỏ hơn, các nhà sản xuất chip nay còn làm ra sản phẩm lớn hơn, mật độ cao hơn theo một cách khác: đặt nhiều con chip cạnh nhau trong cùng một package, để một sản phẩm có thể lớn hơn kích thước tối đa của một con chip, hoặc xếp chồng chúng lên nhau, để nhiều transistor hơn nằm gọn trên cùng một diện tích. Cách làm này có tên là đóng gói tiên tiến (advanced packaging), một trong hai hướng đi của ngành hiện nay.