مقدمه
واحد پردازشگر مرکزی (central Processing Unit) سی پی یو CPU مهم ترین بخش
یک سیستم کامپیوتری محسوب میشود در واقع CPU همانند مغز یک سیستم عمل کرده
و تمام محاسبات سیستم را انجام می دهد به احتمال قوی پاسخ سوالاتی مثل
اینکه CPU از چه واحدهای تشکیل شده است و مثلا چند نوع حافظه cache کش
داریم و غیره را می دانیم . ولی تا به حال در مورد نحوه ساخت CPU صحبت نشده
است فرایند تولید CPU جزه مشکل ترین و تخصصی ترین فرایندهای تولید تراشه در
دنیا محسوب می شود ممکن است تا به حال برای یک کاربر عادی این سوال پیش
نیامده باشه که یک پردازنده از چه موادی ساخته شده می شود . ولی این مسئله
می تواند ذهن یک کاربر حرفه ای و یا نیمه حرفه ای را به چالش بکشده شرکت
Intel به که یکی از بزرگترین شرکت های تولید کننده تراشه در دنیا می باشد.
به تازگی مراحل تولید یک CPU را منتشر نموده ولی
شرکت Intel به مهم ترین مراحل تولید اشاره نموده که ما در این مقاله قصد
داریم این مراحل را عنوان کنیم . این مراحل از انتخاب ماسه ای خاص که دارای
درصد خاصی سیلیکون می باشد . شروع شده و در نهایت به بسته بندی و عرضه CPU
به بازار فروش ختم میشود .
1- استفاده از شن و ماسه ای که دارای درصد خاصی از سیلیکون و (سیلیسیوم) می
باشد ( به خصوص نوع خاصی از ان به نام Quartz که دارای درصد بالای از
سیلیکون است ) به عنوان جز اصلی
ساخت نیمه هادی ها .
2- پس از به دست آوردن شن و ماسه مخصوص به شکل خام و جداسازی سیلیکون ترتیب
فزونی مواد مشخص شده و سیلیکون در مراحل مختلف برای نائل شدن به کیفیت ساخت
نیمه هادی که به آن EGS = Electronic Grade Silicon می گویند تصفیه میشود
مراحل تصفیه سیلیکون به قدری خوب انجام می شود که در نهایت به ازای هر یک
ملیارد اتم سیلیکون تنها یک اتم ناسازگار (مخالف) وجود خواهد داشت پس از
فرایند تصفیه سیلیکون وارد فاز ذوب شدن میشود در شکل بعد می توانید مشاهده
کنید که چطور یک کریستال بزرگ از ذوب شدن سیلیکون تصفیه شده و به وجود می
آید .
3 - یک شمش تک کریستال از EGS ساخته میشود یک شمش وزنی حدود 100 کیلو گرم (معادل
220 پوند ) داشته و دارای 99/9999 درصد خالصی سیلیکون می باشد .
4 - در این مرحله شمش قالب وارد فاز برش قارچ کردن میشود . جایی که دیسک
های سیلیکون تکی که ویفر نام دارند . به شکلی باریک برش داده میشود برخی از
شمش های می توانند بیش از 5 فوت ( هر فوت معادل 30/48 سانتی متر ) باشند
قطر شمش ها نیز با توجه به سایز ویفر مورد نیاز متفاوت است امروزه 300 میلی
متری ساخته می شوند .
5 - بعد از هر برش ویفرها ان قدر جلا (صیقل) داده میشود تا سطح آنها کاملا
بی عیب و آینه ای شکل شود . نکته جالب اینکه شرکت Intel خودش شمش و ویفر
تولید نمی کند . بلکه ویفرهای تولیدی و اماده شرکت های دیگر را خریداری و
استفاده می کند . پردازنده های 45 نانومتری شرکت Intel از ویفرهایی با قطر
300 میلی متر (معادل 12 اینچ ) استفاده می کنند. هنگامی که Intel برای
اولین بار دست به تولید تراشه زد مدارها را روی ویفرهایی با قطر 50 میلی
متر (معادل 2 اینچ ) چاپ می کرد . امروزه Intel از ویفرهای 300 میلی متری
استفاده می کند . که نتیجه ان کاهش قیمت تراشه ها می باشد.
6 - همان طور که در شکل زیر مشاهده می کنید از یک مایع آبی رنگ (همانند
چیزی که برای فتوگرافی استفاده می شود. در این گام ویفر به دور خود می چرخد
تا سطح ان به طور مساوی و هموار از مایع مربوطه پوشیده شده و همچنین خیلی
باریک شود.
7 - به سطح مقاوم شده ویفر PRF = Photo Resistant Finish گفته میشود . در
این مرحله PRF در معرض اشعه فرابنفش قرار می گیرد . توسط اشعه فرابنفش یک
واکنش شیمیایی (همانند انچه به هنگام فشردن دکمه Shutter در دوربین های
عکاسی اتفاق می افتد ) رخ می دهد . ناحیه مقاوم ویفر که در معرض اشعه
فرابنفش قرار گرفته بود به شکلی قابل حل (حل شدنی) در می آید این عمل
پرتوگیری (منطور در معرض) با استفاده از ماسک هایی که شبیه استنسیل عمل می
کنند انجام میشود هنگامی که از اشعه فرابنفش استفاده میشود ماسک ها الگوهای
مداری مختلفی را ایجاد می کنند اساس ساخت یک CPU تکرار مرتب این فرایند می
باشد این فرایند انقدر تکرار میشود تا لایه های چند گانه ای روی هم به شکل
پشته ایجاد شوند . یک عدسی انعکاس ماسک را به شکلی تمرکز یافته به یک نقطه
مرکزی کوچک ساده می کند . به یک طور نمونه نتیجه چاپ روی
ویفر 4 بار کوچک تر از الگوی ماسک می باشد .
8 - در تصویر بعد شاهد این موضوع هستیم که چگونه یک عدد ترانزیستور ساخته
شده و پدیدار می شود یک ترانزیستور به عنوان یک سوییچ عمل کرده و روند
جریان الکتریکی در یک تراشه کامپیوتر را کنترول می کند تحقیق و پژوهش های
شرکت Intel در توسعه و پیشرفت ترانزیستورها نقش زیادی ایفا کرده است و
اندازه انها را نیز بسیار کوچک نموده است تاجایی که انها ادعا می کنند 30
میلیون از ترانزیستورها را می توان بر سر یک سنجاق ( یا یک میخ کوچک ) قرار
داد .
9 - بعد از اینکه تزانزیستور در معرض اشعه فرابنفش قرار گرفت ناحیه آبی
مقاوم شده ( یعنی ناحیه ای که در معرض اشعه قرار گرفته است ) با استفاده از
یک حلال به طور کامل حل میشود . این مسئله یک الگوی پایدار PR ساخته شده از
ماسک را اشکار می کند . ترانزیستور های اولیه و همچنین تمام اتصالات و
ارتباطات داخلی از این نقطه نظر الهام گرفته اند .
10 - لایه مقاوم PR مذکور از مواد ویفر محافطت می کند تا از خارج تراشیده
نشوند ( کنده کاری نشوند ) مناطقی که بدون حفاظ هستند با استفاده از
محصولات و تغییرات شیمیایی تراشیده می شوند .
11 - بعد از کنده کاری PR = Photo Resist برداشته شده و شکل مطلوب ان
پدیدار می شود .
12 - لایه های مقاوم بیشتری ( لایه آبی رنگ موجود در تصویر ) بکار گرفته می
شود و این لایه ها مجددا در معرض اشعه فرابنفش قرار می گیرند . این نواحی
قبل از ورود به مرحله بعد ( یعنی مرحله ناخالص سازی یا تغلیظ یون ) مجددا
با شست وشو پاک میشوند . این مرحله مرحله است که ذرات یون در معرض ویفر
قرار می گیرند و این اجازه را به سیلیکون می دهند تا خصوصیات شیمیای خود را
تغییر دهد . این مسئله منجر می شود تا CPU بتواند جریان الکتریسیته را
کنترول کند .
13 - طی یک فرایند که القا یون نامیده میشود (شکلی از فرایند تغلیظ ) ناحیه
در معرض قرار گرفته سیلیکون ویفر توسط یون ها بمباران میشوند . یون ها در
سیلیکون ویفر القا میشوند (کاشته میشوند ) تا راهی را که سیلیکون در این
نواحی الکتریسیته را هدایت می کند تغییر دهند . یون ها با سرعت خیلی زیادی
به سطح ویفر سوق داده میشوند . یک میدان الکتریکی سرعت یون ها را تا بیش ار
300000 کلیومتر بر ساعت (تقریبا 185000 مایل بر ساعت) افزایش می دهد.
14 - بعد از مرحله القای یون لایه مقاوم PR برداشته شده و موادی که می
بایست تغلیظ می شدند حالا دارای اتم های مخالف می باشند .
15 - این ترانزیستور به مرحله اتمام ساخت نزدیک است . 3 عدد روزنه (حفره)
روی لایه عایق بالایی ترانریستور ایجاد شده است این 3 روزنه با مس (Copper)
پر میشوند این مسئله امکان برقراری ارتباط با سایر ترانریستورها را فراهم
می کند .
16 - در این مرحله ویفرها در یک محلول سولفات مس قرار می گیرد . یون های مس
طی فرایندی به نام Eectroplating (یا همان آبکاری الکترویکی ) روی
ترانزیستور ته نشین میشوند . یون های مس از قطب مثبت (Anode) به سمت قطب
منفی (Cathode) که توسط ویفر نمایان می شود حرکت می کنند .
17 - در نهایت یونهای مس به شکل یک لایه نازک برروی سطح ویفر نشست می کنند
.
18 - همان طور که در تصویر زیر مشاهده می کنید . مواد اضافی حذف شده و تنها
یک لایه خیلی نازک از مس باقی مانده است . (در نهایت 3 حفره ای که در مورد
انها قبلا صحبا شد نیز با مس پر شدند) .
19 - لایه های فلزی چندگانه ای برای برقراری ارتباط و بهم پیوستن
ترانزیستورهای مختلف ساخته میشوند اینکه این اتصالات چگونه سیم کشی شوند و
چطور این ارتباط برقرار شود توسط تیم معماری و طراحی که کارایی و عملکرد
پردازنده مربوطه را توسعه می هند مشخص میشوند . هنگامی که تراشه های
کامپیوتر خلیی مسطح (Flat) به نظر می رسند . در حقیقت انها ازبیش از 20
لایه برای ساختن مدارات پیچیده تشکیل شده اند وقتی با جزئیات بیشتری به یک
تراشه بنگرید یک شبکه یک شبکه پیچیده از خطوط مدار و ترانزیستور را که شبیه
به سیستم بزرگراه های چند طبقه اینده می باشد مشاهده خواهید نموده .
20 - عملکرد هر کدام از ویفرهای آماده در این مرحله تست میشوند . در این
گام الگوهای تست به تک تک تراشه ها تغذیه شده ( یعنی روی تک تک انها تست
میشوند ) و پاسخ دریافتی مانیتور شده و با پاسخ صحیح مقایسه میشوند .
21 - بعد از تست ها مشخص میشود که ویفر بازده خوبی از واحدهای پردازنده در
حال کار را دارا می باشد . در این مرحله ویفر به قطعاتی کوچکتر برش داده می
شود (Called Dies) .
22 - Die هایی که نسبت به الگوی تست پاسخ صحیح نشان داده اند . وارد مرحله
بعد ( یعنی مرحله بسته بندی ) میشوند . Die های بد کنار گذاشته میشوند .
23 - در تصویر بعد یک Die را مشاهده می کنید که در مرحله قبلی ( مرحله
Slicing ) برش داده شده است . Die که شما مشاهده می کنید یک Die از
پردازنده 8 هسته ای شرکت(Intel ( Core i7 می باشد . نمایش Die
پردازنده Core i7 از نمایی دیگر : در شکل بعد دیاگرام Die یک پردزنده Core
i7 را مشاهده می کنید .
24 - زیر لایه شکل 25 Die و پخش کننده حرارت (Heat Spreader ) در کنار
همدیگر قرار میگرند تا شکل نهایی پردازنده کامل شود . توسط زیر لایه سبز
رنگ یک واسطه الکتریکی و میکانیکی ( اتوماتیک ) برای پردارنده ساخته می شود
تا بتواند با سایر اجزای سیستم ارتباط برقرار کند . پخش کننده حرارت نقره
ای رنگ یک واسط حرارتی می باشد که خنک کننده ای روی ان قرار گرفته و باعث
میشود پردازنده حین کار نیز خنک بماند .
یک ریز پردازنده دارای پیچیده ترین فرایند تولید محصول روی کره زمین است .
در حقیقت تولید آن صدها مرحله طول می کشد و تنها بخش های مهمی از ان در این
مقاله عنوان شده .
25 - در طول مرحله پایانی تست ویژگی های کلیدی پردازنده تست میشوند ( ویژگی
های مهمی مانند اتلاف قدرت حداکثر فرکانس و غیره )
26 - با توجه به نتایج تست ها و همچنین مدل و قابلیت های پردازنده انها در
جعبه های مخصوص به خود جهت حمل و نقل قرار می گیرند . این فرایند Binning
نام دارد. مرحله Binning حداکثر فرکانش عملیاتی یک پردازنده و دسته های که
تقسیم بندی شده اند و با توجه به ویژگی های ثابتشان فروخته میشوند را تعیین
می کند .
پايان .
