چگونه شن تبدیل به سیلیکون می گردد؟ (نحوه ساخت CPU) - وبلاگ کوجی هامی

به گزارش وبلاگ کوجی هامی، تا به حال به این موضوع فکر نموده اید که پردازنده مرکزی یا همان CPU رایانه های شما چگونه فراوری می شوند؟ شاید ندانید این قطعه مهم از شن ساخته شده؛ همان شن هایی که به وفور در بیابان یافت می شوند و فکر می کردیم هیچ کاربردی جز سخت تر کردن تنفس ما ندازند !

امروزه دنیا بر پایه اطلاعات می گردد و پیش بینی ها از تولید 2.5 میلیون ترابایت داده در روز به وسیله بشر حکایت دارند. اما اگر نتوانیم این حجم بزرگ از داده را پردازش کنیم، کاربرد آن ها چیست؟ بنابراین، یکی از ابزارهایی که نبودش دنیای امروز را با مسئله ای جدی روبرو می نماید، CPU است.

اما تا به حال به چگونگی ساخت پردازنده ها فکر نموده اید؟ چرا این قطعات کوچک شگفتی مدرن به شمار می آیند؟ چطور یک تولید نماینده می تواند میلیاردها ترانزیستور را در یک قطعه کوچک جای دهد؟ در ادامه قصد داریم نگاه عمیق تری داشته باشیم به این که چگونه اینتل (به عنوان یکی از بزرگ ترین تولید نماینده های پردازنده در سطح دنیا) از شن CPU تولید می نماید.

استخراج سیلیکون از شن

ماده اولیه ساخت CPU سیلیکون است که از شن های بیابانی استخراج می گردد. شن به صورت گسترده در سطح پوسته زمین وجود دارد و حدود 25 تا 50 درصد از آن را دی اکسید سیلیکون تشکیل داده است. این شن ها طی فرایندهایی تولید می شوند تا سیلیکون موجود در آن ها از سایر مواد جدا گردد.

این فرایند چندین بار تکرار می گردد، تا زمانی که کارخانه به مقدار خلوص 99/9999 برسد. سپس این سیلیکون خالص در یک قالب استوانه ای با درجه الکترونیکی ریخته می گردد. ضخامت این استوانه 300 میلی متر است و 100 کیلو گرم وزن دارد.

در مرحله بعد تولید نماینده این قالب را به ویفرهایی با ضخامت 925 میکرومتر تقسیم می نماید. پس از آن، قطعات تا حدی صیقل داده می شوند که مانند آینه براق شوند و تمام لکه ها از سطح آن ها پاک شوند. سپس این ویفرهای صیقل داده شده به مرکز تولید نیمه رساناهای اینتل منتقل می شوند تا از ورقه های سیلیکونی به مغز کامپیوترهای ما تبدیل شوند.

پوشش های یکپارچه جلوباز

با توجه به این که پردازنده ها قطعاتی با دقت بسیار بالا هستند، سیلیکون خالص آن ها نباید قبل، حین یا پس از فرایند تولید آلوده گردد. به همین علت، در تولید پردازنده ها از پوشش های یکپارچه جلوباز (FOUP) استفاده می گردد. این پوشش های اتوماتیک می توانند در لحظه 25 ویفر را در محیطی کنترل شده حمل نمایند تا امنیت و سلامت آن ها در هنگام انتقال بین ماشین های خط تولید حفظ گردد.

گاهی ممکن است چندین بار مراحل مختلف برای هر ویفر تکرار گردد و آن ها از یک سمت ساختمان به سمت دیگر منتقل شوند. کل فرایند ساخت CPU به وسیله ماشین ها انجام می گردد و پوشش های جلوباز به صورت اتوماتیک در هر مرحله به بخش های مورد نظر منتقل می شوند.

بعلاوه، این پوشش ها روی مونوریل هایی حرکت می نمایند که از سقف آویزان شده اند. این شرایط به آن ها اجازه می دهد از سریع ترین و بهینه ترین راه از مرحله ای به مرحله دیگر منتقل شوند.

فوتولیتوگرافی (طرح نگاری نوری)

در فرایند فوتولیتوگرافی از یک ماده حساس به نور استفاده می گردد تا الگوهایی را روی سطح سیلیکون چاپ کند. پس از این که این کار انجام شد، ویفرها با پوششی از طرح پردازنده در معرض تابش نور فرابنفش قرار می گیرند.

استفاده از پوشش به این علت است که تنها محل هایی که باید تحت تابش قرار بگیرند باز بمانند و باقی نقاط پوشیده شوند. پس از این مرحله، ماده حساس به نور را در یک محلول قرار می دهند. پس از این که طرح کاملا روی ویفرهای سیلیکونی چاپ شد، ویفر در یک حمام شیمیایی قرار می گیرد تا تمام ماده حساس به نور که در معرض تابش فرابنفش قرار گرفته بود پاک گردد و در نهایت طرحی از سیلیکون ساده باقی می ماند که به مراحل بعدی منتقل می گردد.

القاء یونی

القاء یونی که از آن با عنوان دوپینگ هم یاد می گردد، فرایندی است که اتم های عناصر مختلف را روی سیلیکون قرار می دهد تا رسانایی آن را افزایش دهد. پس از تکمیل این فرایند، لایه حساس به نور اولیه جدا می گردد و یک لایه تازه به جای آن قرار می گیرد تا ویفر را برای مرحله بعدی آماده کند.

حکاکی

پس از فوتولیتوگرافی مجدد، ویفر سیلیکون به مرحله حکاکی می رود که طی آن شکل گیری ترانزیستورها شروع می گردد. ماده حساس به نور روی نواحی تعیین شده ای از سیلیکون که باید باقی بمانند قرار می گیرد و باقی بخش هایی که باید حذف شوند به صورت شیمیایی حک می شوند.

ماده به جای مانده به آرامی به کانال های ترانزیستورها تبدیل می گردد که الکترون ها در آن از یک نقطه به نقطه دیگر جریان می یابند.

اضافه کردن مواد

پس از ایجاد کانال ها، ویفر سیلیکون به مرحله فوتولیتوگرافی بازگردانده می گردد تا در صورت احتیاج، لایه حساس به نور به آن اضافه یا از روی آن برداشته گردد. سپس قطعه به بخش اضافه کردن مواد می رود. در این بخش لایه هایی از مواد مختلف مانند دی اکسید سیلیکون، پلی کریستالین سیلیکون، های کی دی الکتریک، آلیاژ های فلزی مختلف و مس به آن اضافه و روی آن حکاکی می گردد تا میلیون ها ترانزیستور روی چیپ تولید، تکمیل و متصل شوند.

صیقل شیمیایی مکانیکی

در این مرحله، هر لایه پردازنده تحت صیقل شیمیایی مکانیکی قرار می گیرد تا مواد اضافی از آن حذف شوند. پس از این که بالاترین لایه حذف شد، الگوی مسی زیر آن ظاهر می گردد که به سازنده اجازه می دهد برای اتصال ترانزیستورهای مختلف مورد احتیاج، لایه های مسی بیشتری ایجاد کند.

اگرچه پردازنده ها بسیار نازک به نظر می رسند، اما معمولا از بیش از 30 لایه از مدارهای پیچیده تشکیل شده اند. این تعداد لایه به پردازنده امکان می دهد نیروی پردازشی مورد احتیاج اپلیکیشن های امروزی را به راحتی تامین کند.

آزمایش، برش و دسته بندی

یک ویفر سیلیکون برای ساخت CPU تمامی مراحل بالا را طی می نماید. پس از این که این سفر طولانی به سرانجام رسید، مرحله آزمایش شروع می گردد. در این مرحله، هر قطعه تولید شده روی ویفر آنالیز می گردد تا کارایی یا عدم کارایی آن تعیین گردد.

پس از این که آزمایش به سرانجام رسید، ویفر به تکه هایی تقسیم می گردد که قالب نامیده می شوند. پس از آن قالب هایی که سالم هستند به قسمت بسته بندی فرستاده می شوند و قالب هایی که کار نمی نمایند کنار گذاشته می شوند.

تبدیل قالب سیلیکون به یک CPU

در این فرایند که بسته بندی نامیده می گردد، قالب سیلیکون به پردازنده تبدیل می گردد. یک زیرلایه که معمولا یک برد مدار پرینت شده است و یک پخش نماینده گرما روی قالب قرار داده می شوند تا در نهایت CPU یا پردازنده مرکزی به همان شکلی که ما در فروشگاه ها می بینیم ساخته گردد. زیرلایه ی ذکر شده همان جایی است که قالب را به صورت فیزیکی به مادربرد متصل می نماید و پخش نماینده گرما هم با فن خنک نماینده CPU در ارتباط است.

سنجش و کنترل کیفیت

در آخرین مرحله از ساخت CPU، پردازنده های تولید شده دوباره آزمایش می شوند، اما این بار فاکتورهای عملکرد، قدرت و کارایی آن ها مورد سنجش قرار می گیرد. این تست تعیین می نماید که این پردازنده ها از چه نوعی (Core i3, i5, i7 یا i9) خواهند بود. سپس بسته به نوع هر پردازنده، آن ها را بسته بندی می نمایند یا در سینی های مخصوص قرار می دهند تا به دست تولید نمایندگان رایانه ها برسد.

بسیار کوچک، اما بسیار پیچیده

ممکن است در نگاه اول پردازنده ها مدارهایی ساده به نظر برسند، اما در واقعیت آن ها قطعات بسیار پیچیده ای هستند. فرایند ساخت CPU بین دو ماه و نیم تا 3 ماه (به صورت 24 ساعته و در 7 روز هفته) طول می کشد و بر خلاف مهندسی بسیار دقیق این تراشه ها، هیچ تضمینی وجود ندارد که در نهایت یک ویفر کامل و بی نقص از خط تولید خارج گردد.

در واقع، تولید نماینده های پردازنده چیزی بین 20 تا 70 درصد از قالب هایی را که روی یک ویفر ایجاد نموده اند به علت عملکرد ناقص، آلودگی و سایر عوامل از دست می دهند. با توجه به افزایش تمایل به تولید پردازنده های کوچک تر (4 نانومتری و حتی کوچک تر)، ممکن است این آمار بیشتر هم بگردد.

با این حال، همان طور که قانون مور بیان می نماید، همچنان می توانیم امید داشته باشیم که تا سال 2025، هر 2 سال یک بار، قدرت عملکرد پردازنده ها 2 برابر گردد. تا زمانی که پردازنده ها به سقف مورد نظر در قانون مور برسند، تمامی تولید نماینده ها باید به طراحی تازهی دست پیدا نمایند که بتواند احتیاج بازار به تراشه ها را تامین کند.

منبع: Make Use Of