چگونگی ساخت CPU اینتل
توضیحات لازم: در این مقاله مراحل کامل ساخت CPU های شرکت Intel گفته می شود. برخی از کلمات در متن نیاز به توضیح و تحقیق دارند و با معنی لغویشان مرتبط نیستند.
سیلیکون: نام تجاری سیلیسم است
Ingot: در متن توضیح داده شده ولی حجم های ساخته شده ی سیلیکونی را Ingot به معنی شمش بکار می گویند.(البته فقط محدود به سیلیکون نمی شود)
Wafer : به معنی لایه ی دایره ای شکل. در متن منظور از کلمه ی Wafer قرص های برش داد ه شده ی Ingot ها است.
Photo Resist: ماده ای که در ساخت این محصولات استفاده می شود که مشابه ماده ی ظهور عکس است.
1- CPU شما از شن ساخته می شود.
۲۵ درصد از شن را سیلیکون تشکیل می دهد.که بعد از اکسیژن فراوان ترین عنصر در پوسته ی زمین است.به خصوص شن مقدار زیادی سیلیکون به صورت سیلیکون دی اکسید SiO2 در خود دارد که عنصر اصلی برای ساخت اجسام نارسانا است.
2- پاک سازی و نمو
بعد از بدست آوردن شن خالص و جدا کردن سیلیکون از آن مواد اضافی از آن جدا می شوند و سیلیکون خالص بدست می آید که چند قدم با محصول نیمه رسانا که به آن Electronic Grade Silicon می گویند فاصله دارد. نتیجه ی پاک سازی ماده این است که فقط ممکن است ۱ اتم از میان بیلیون ها اتم ,غیر سیلیکونی باشد. بعد از مرحله ی پاکسازی سیلیکون وارد مرحله ی گداختن می شود. در این تصویر شما می توانید ببینید که چطور یک کریستال از سیلسکون تصفیه شده و گداخته بوجود می آید. محصول بدست آمده ی آن مونو کریستالی به نام INGOT(شمش)است.
3- Ingot بزرگ
یک Ingot مونو کریستال از Electronic Grade Silicon ساخته می شد. وزن هر Ingot حدود ۱۰۰ کیلو گرم(۲۲۰ پوند) و خلوص سیلیکون ۹۹٫۹۹۹ درصد است.
4- برش Ingot
Ingot وارد مرحله ی برش می شود که در آن جا به دیسک ها ی سیلیکونی تبدیل می شود.که به آن ها Wafer (قرص) می گویند.-که خیلی باریک بریده شده اند- بعضی از Ingot ها از ۵ فوت هم بلند تر هستند. بسته به Wafer های تولیدی قطرهای مختلفی هم دارند. امروزه CPU ها از Wafer های ۳۰۰ میلیمتری ساخته می شوند.
5- تمیز کردن Wafer ها
وقتی که برش انجام شد, Wafer ها براق می شوند تا هیچ خدشه ای نماند. سطح آن آینده ای و صیقلی است.شرکت Intel خودش Ingot ها و Wafer ها را تهیه نمی کند. در عوض Wafer های آماده را از شرکت های دیگر خریداری می کند. Intel برای فرایند ۴۵mm High-KMetal از Wafer هایی با قطر ۳۰۰ میلیمتر (۱۲ اینچی) استفاده می کند.اولین بار وقتی که Intel شروع به ساخت چیپ ها کرد جریان های الکتریکی بر روی Wafer های ۵۰ میلیمتری(۲اینچی) ایجاد کرد.امروزه Intel از Wafer های ۳۰۰ میلیمتری که که نتیجه ی آن کمتر شدن قیمت است استفاده می کند.
۶٫Photo Resist Application
مایع آبی که در بالا می بینید.یک Photo Resist (بعدا در مورد این کلمه توضیح داده می شود) مشابه آن هایی که در فیلم های عکاسی استفاده می شود.در این مرحله Wafer شروع به چرخیدن می کند که باعث می شود که لایه ی آغشته شده خیلی باریک و صیقلی بشود.
7- در برابر اشعه ی UV قرار دادن
در این مرحله , Photo Resist در معرض اشعه ی ماورا بنفش قرار می گیرد UV. واکنش شیمیایی که با UV رخ می دهد مشابه همان اتفاقی است که به هنگام فشار دادن دکمه برروی فیلم خام در دوربین می افتد.
قسمت های مقاوم برروی Wafer بعد از اینکه در معرض UV قرار گرفتند به صورت محلول در می آیند.مرحله ی تاباندن پرتو با استفاده از پوشش هایی که مثل نقش و نگار هستند تمام شده . وقتی از اشعه ی UV استفاده می شود, پوششی با طرح های مختلف بروی آن بوجود می آید.ساخت یک CPU نیازمند تکرار این فرایند است تا اینکه چند لایه بروی هم بوجود آید.
یک لنز هم باعث کاهش نقش های رو پوشش می شود و آنها را به یک نقطه ی کانونی جمع کند.نتیجه ی آن برروی Wafer این است که ۴ بار کوچکتر , طولی تر نسبت به نقش و نگار های روی پوشش است.
8- بیشتر در معرض اشعه قرار دادن
در تصویر ما بازنمایی از یک ترانزیستور طوری که با چشم غیر مسلح دیده می شود.یک ترانزیستور مثل سویچ عمل می کند, که جریان الکتریکی را در یک چیپ کامپیوتری کنترل می کند.محققان Intel ترانزیستور ها را خیلی کوچک ساخته ایند که ادعا کرده اند حدود ۳۰ میلیون از آنها می توانند در سر یک سوزن جا شوند.
9- شستشوی Photo resist
بعد از تاباندن UV . تمام Photo Resist ها توسط یک حلال پاک می شوند.این کار باعث آشکار شدن الگوی طرح های Photo Resist که توسط آن پوشش ساخته شده بود می شود. ترانزیستور ها و رابط ها و اتصالات الکتریکی از همین جا شروع می شوند.
10- حک کردن
لایه ی Photo Resit باعث حفاظت از Wafer می شد که نباید روی آن خطی می افتاد. حالا قسمت هایی که اشعه تابیده شده اند با مواد شیمیایی حکاکی می شوند
11- حکاکی
. بعد از حکاکی Photo Resist پاک شده و اشکال روی آن نمایان می شوند.
12- بکاربردن دوباره ی Photo Resist
Photo Resist (آبی)بیشتری بکار گرفته می شود و سپس دوباره اشعه ی UV تابانده می شود. ماده ی اشعه دیده دوباره شسته شده و قبل از مرحله ی بعدی که به آن برامیختن یون ion dropping می گویند. در این مرحله ذرات یونی به Wafer تابانده می شوند که به سیلیکون امکان تغیر خاصیت شیمیایش را می دهد تا CPU بتواند کنترل شارش الکتریکی را داشته باشد.
13- برآمیختن یونی
در طی پروسه ای که به آن القای یونی می گویند(یک حالت از پروسه ی برآمیختن یونی است) محلی که Wafer سیلیکونی دارد با یون بمباران می شود. یون های القا شده در سیلیکون باعث می شود که سیلسکون در آن مناطق رفتار الکتریکی متفاوتی داشته باشد. یون ها به سمت سطح Wafer رانده می شوند تا به ولتاز بالا برسند. در میدان الکتریکی آن سرعت یون ها به ۳۰۰٫۰۰۰ کیلو متر در ساعت هم می رسد.
14- پاک کردن دوباره ی Photo Resist
بعد از القای یونی, photo Resist پاک شده و ماده ای که ریخته می شود(قسمت سبز رنگ) اتم های بیگانه به آن اضافه می کنند.
15- یک ترانزیستور
آماده شدن یک ترانزیستور نزدیک است. سه سوراخ بر روی لایه ی عایق (بنفش) نهاده شده. این سه سوراخ با مس پر می شوند که رسانای دیگر ترانزیستور ها باشند.
16- فلز کاری wafer
در این مرحلهWafer ها در یک محلول سولفات مس گذاشته می شوند.یون های مس بر روی ترانزیستور ته نشین می شوند که به آن فلزکاری می گویند. یون های مس از سمت مثبت (آند) به سمت منفی آن (کاتد) حرکت می کنند که برروی wafer نشان داده شده.
17- مقرر شدن یون ها
یون های مس به صورت یک لایه ی نازک برروی سطح Wafer مستقر می شوند.
18- پاک کردن مواد اضافی
مواد اضافی از روی لایه ی نازک مس پاک می شود.
19- روکشی
لایه های مختلف فلزی برای اتصال بین ترانزیستور های مختلف ساخته شده اند. طرز وصل کردن این لایه ها به هم توسط مهندسان و تیم های طراحی می شود که طرح اصلی پردازنده تولیدی به این قسمت مربوط می شود(مثلا پردازنده ی i7 تولید می شود). درحالی که چیپ های کامپیوتر به نظر صاف می آیند آنها حدودا ۲۰ لایه از اجزای مختلف ترکیب کننده ی برق دارند.اگر با یک ذره بین به چیپ نگاه کنید یک شبکه ی پیچیده از مدار ها و ترانزیستور ها که مثل وسیله ای که از آینده آمده است می ماند , می بینید.
20- تست نوع Wafer
این قسمت از آماده سازی Wafer آن را وارد یک تست کیفی می کند. در این مرحله الگو های تست بر روی تک تک چیپ ها انجام می شود و جواب های گرفته شده را با جواب درست (قبلا داده شده) مقایسه می کند.
21- برش Wafer ها
بعد از تست که معلوم شد آیا wafer ها از نظر پردازش سالم هستند یا نه wafer ها به قطعات کوچک تر تبدیل می شوند(که به انها Dies می گویند)
22- خوب. بد. زشت !
Dies هایی که از تست سربلند آمدند به مرحله ی بعد راه پیدا می کنند(بسته بندی). Dies های خراب دور انداخته می شوند. سالها پیش Intel از Dies های خراب CPU دسته کلید درست می کرد.
23- هر کدام از Die ها
این یک Die به تنهایی است که در مرحله ی قبلی جدا شده. این Die که در تصویر می بینید یک Die از intel Core i7 هست.
24- جمع بندی CPU
زیر لایه , Die و خنک کننده کنار هم گذاشته می شوند تا یک پردازنده ی کامل را تشکیل دهند. زیر لایه ی سبز پردازنده از رابط الکتریکی و مکانیکی برای تعامل با کل سیستم ساخته شده . خنک کننده ی خاکستری رنگ یک رابط گرمایی است که کار آن خنک کردن است. که باعث خنک کردن پردازنده در هنگام کار می شود.
25- یک CPU تمام شده
یک ریز پردازنده پیچیده ترین محصول تولید شده در زمین است . در حقیقت ۱۰۰ ها مرحله طول می کشد ولی فقط مهم ترین های آنها در تصویر نشان داده شده.
26- تست CPU
در آخرین مرحله ی تست پردازنده ها برای مشخصات آن ها انجام می شود.(در کنار تست مشخصات اتلاف انرزی و بالاترین فرکانس ها هم تست می شوند)
27- بسته بندی CPU
برپایه ی نتایج تست کلاس, پردازنده ها با قابلیت های یکسان در یک سینی حامل قرار داده می شوند.این مرحله به نام Binning شناخته می شود. نام این فرایند ممکن است برای خیلی از کسانی که Tom’s Hardware را مطالعه می کنند آشنا باشد. Binnig بالاترین فرکانس عملی یک پردازنده را معین می کند.سپس این دسته بندی تجزیه می شود و با توجه به خصوصات تک تک آنها به فروش می روند.
28- رفتن به فروشگاه
پردازنده ی تولید شده و تست شده(که در تصویر i7 نشان داده شده)به کلی فروشی ها در همان سینی ها و به خرده فروشی ها در جعبه فرستاده می شود.