تبلیغات
کامپیوتر 88 - مراحل ساخت CPU
تبادل اطلا عات بین دانشجویان

مراحل ساخت CPU

نویسنده :امید
تاریخ:جمعه 18 فروردین 1391-07:55 ب.ظ

واحد پردازشگر مركزی Central Processing Unit) CPU ) ، مهم ترین بخش یك سیستم كامپیوتری محسوب می شود. در واقع CPU، همانند مغز یك سیستم عمل كرده و تمام محاسبات سیستم را انجام می دهد. به احتمال قوی، پاسخ سئوالاتی مثل اینكه CPU ، از چه واحدهایی تشكیل شده است و مثلاً چند نوع حافظهcache داریم و غیره را می دانیم . ولی تا به حال در مورد نحوه ساخت یك CPU صحبت نشده است. فرآیند تولید CPU، جزء مشكل ترین و تخصصی ترین فرآیندهای تولید تراشه در دنیا، محسوب می شود. ممكن است تا به حال برای یك كاربرد عادی، این سئوال پیش نیامده باشد كه یك پردازنده از چه موادی و چگونه ساخته می شود. ولی این مسئله می تواند ذهن یك كاربر حرفه ای و یا نیمه حرفه ای را به چالش بكشد. شركت Intel، كه یكی از بزرگترین شركت های تولید كننده تراشه در دنیا می باشد، به تازگی مراحل تولید یك CPU را منتشر نموده است. این فرآیند شامل صدها مرحله می باشد، ولی شركت Intel به مهمترین مراحل تولید اشاره نموده است . این مراحل از انتخاب ماسه ای خاص كه دارای درصدخاصی سیلیكون، می باشد، شروع شده و در نهایت، به بسته بندی و عرضه CPU به بازار فروش، ختم می شود.



 

1- استفاده از شن و ماسه ای كه دارای درصد خاصی از سیلیكون (سیلسیوم) می باشد ( به خصوص نوع خاصی از آن به نام Quartz كه دارای درصد بالایی از سیلیكون است)، به عنوان جزء‌اصلی ساخت نیمه هادی.
2- پس از به دست آوردن شن و ماسه مخصوص به شكل خام و جداسازی سیلیكون، ترتیب فزونی مواد مشخص شده و سیلیكون در مراحل مختلف برای نائل شدن به كیفیت ساخت نیمه هادی كه به آن Electronic Grade Silicon) EGS )می گویند. تصفیه می شود. مراحل تصفیه سیلیكون به قدری خوب انجام می شود كه در نهایت، به ازای هر یك میلیارد اتم سیلیكون، تنها یك اتم ناسازگار (مخالف) وجود خواهدداشت. پس از فرآیند تصفیه، سیلیكون وارد فاز ذوب شدن می شود. در شكل زیر، می توانید مشاهده كنید كه چطور یك كریستال بزرگ از ذوب شدن سیلیكون تصفیه شده ، به وجود می آید.

3- یك شمش تك كریستال، از EGS ساخته می شود. یك شمش، وزنی حدود 100 كیلوگرم (معادل 220 پوند) داشته و دارای 9999/99 درصد خالصی سیلیكون می باشد.
4- دراین مرحله، شمش (قالب) وارد فاز برش (قاچ كردن) می شود. جایی كه دیسك های سیلیكون تكی كه ویفر نام دارند، به شكلی باریك برش داده میی شود. برخی از شمش ها می توانند بیش از 5 فوت (هر فوت معادل 48/30 سانتی متر) باشند. قطر شمش ها نیز با توجه به سایز ویفر موردنیاز، متفاوت است. امروزه ، CPU ها معمولاً روی ویفرهای 300 میلی متری ساخته می شوند.

5- بعد از هر برش، ویفرها آن قدر جلا (صیقل) داده می شوند تا سطح آنها كاملاً بی عیب و آینه ای شكل شود. نكته جالب اینكه، شركت Intel خودش شمش و ویفر تولید نمی كند. بلكه ویفرهای تولیدی و آماده شركت های دیگر را خریداری و استفاده می كند. پردازنده های 45 نانومتری شركت Intel، از ویفرهایی با قطر 300 میلی متر (معادل 12 اینچ) استفاده می كنند. هنگامی كه Intel برای اولین بار دست به تولید تراشه زد، مدارها را روی ویفرهایی با قطر 50 میلی متر (معادل 2 اینچ) چاپ می كرد. امروزه Intel، از ویفرهای 300 میلی متری استفاده می كند، كه نتیجه آن كاهش قیمت تراشه ها می باشد.

در شكل زیر، یك ویفر صیقل داده شده را مشاهده می نمایید.
6- همان طور كه در شكل زیر مشاهده می كنید، از یك مایع آبی رنگ (همانند چیزی كه برای فتوگرافی استفاده می شود) برای ایجاد پایداری و مقاومت روی سطح ویفر استفاده می شود. در این گام، ویفر به دور خود می چرخد تا سطح آن به طور مساوی و هموار از مایع مربوطه پوشیده شده و همچنین خیلی باریك شود.

7- به سطح مقاوم شده ویفر،Photo Resistant Finish) PRF )گفته می شود.در این مرحله ، PRF در معرض اشعه فربنفش قرار می گیرد. توسط اشعه فرابنفش ، یك واكنش شیمیایی (همانند آنچه كه به هنگام فشردن دكمه Shutter در دوربین های عكاسی اتفاق می افتد)، رخ می دهد . ناحیه مقاوم ویفر كه در معرض اشعه فرابنفش قرار گرفته بود، به شكلی قابل حل (حل شدنی) در می آید. این عمل پرتوگیری (منظور در معرض اشعه فرابنفش قرار گرفتن)، با استفاده از ماسك هایی كه شبیه استنسیل عمل می كنند، انجام می شود. هنگامی كه از اشعه فرابنفش استفاده می شود، ماسك ها الگوهای مداری مختلفی را ایجاد می كنند. اساس ساخت یك CPU، تكرار مرتب این فرآیندمی باشد. این فرآیند آنقدر تكرار می شود تا لایه های چندگانه ای روی هم به شكل پشته، ایجاد شوند. یك عدسی، انعكاس ماسك را به شكلی تمركز یافته ، به یك نقطه مركزی كوچك، ساده می كند. به طور نمونه، نتیجه چاپ روی ویفر 4 بار كوچك تر از ا لگوی ماسك می باشد.

8 در تصویر بعد مشاهده این موضوع هستیم كه چگونه یك عدد ترانزیستور، ساخته شده و پدیدار می شود. یك ترانزیستور به عنوان یك سوئیچ عمل كرده و روند جریان الكتریكی در یك تراشه كامپیوتر را كنترل می كند. تحقیق و پژوهش های شركت Intel در توسعه و پیشرفت ترانزیستورها نقش زیادی ایفا كرده است و اندازه آنها را نیز بسیار كوچك نموده است. تا جایی كه آنها ادعا می كنند 30 میلیون از ترانزیستورها را می توان بر سر یك سنجاق ( یا یك میخ كوچك ) قرار داد.
9- بعد از اینكه ترانزیستور در معرض اشعه فرابنفش قرار گرفت، ناحیه آبی مقاوم شده (یعنی ناحیه ای كه در معرض اشعه قرار گرفته است) با استفاده از یك حلال، به طور كامل حل می شود.

این مسئله یك الگوی پایدار (PR) ساخته شده از ماسك را آشكار می كند. ترانزیستورها اولیه و همچنین تمام اتصالات و ارتباطات داخلی از این نقطه نظر الهام گرفته اند.
10- لایه مقاوم (PR)مذكور از مواد ویفر محافظت می كند تا از خارج تراشیده نشوند(كنده كاری نشوند) مناطقی كه بدون محفاظ هستند، با استفاده از محصولات و تغییرات شیمیایی، تراشیده می شوند.

11- بعداز كنده كاری Photo Resist)PR )برداشته شده و شكل مطلوب آن پدیدار
می شود (مطابق شكل)

12- لایه های مقاوم بیشتری (لایه ابی رنگ موجود در تصویر) به كار گرفته می شود و این لایه مجدداً در معرض اشعه فرابنفش قرار می گیرند. این نواحی قبل از ورود به مرحله بعد (یعنی مرحله ناخالص سازی یا تلغیظ یون) مجددا با شست و شو پاك می شوند. این مرحله مرحله ای است كه ذرات یون در معرض ویفر قرار می گیرند و این اجازه را به سیلیكون می دهند تا خصوصیات شیمیایی خود را تغیر دهد. این مسئله منجر می شود CPU بتواند جریان الكتریسیته را كنترل كند.

13- طی یك فرایند كه القا یون نامیده می شود (شكلی از فرایند تلغیظ) ناحیه در معرض قرار گرفته سیلیكون ویفر توسط یون ها بمباران می شود. یونها در سیلیكون .ویفر القا می شوند. (كاشته می شوند) تا راهی را كه سیلیكون در این نواحی الكتریسیته را هدایت می كند،‌تغییر دهند. یون ها با سرعت خیلی زیاد به سطح ویفر سوق داده می شوند یك میدان الكتریكی سرعت یونها را تا بیش از 300000 كیلومتر بر ساعت (تقریبا 185000 مایل بر ساعت ) افزایش می دهد.

14- بعد از مرحله القای یون لایه مقاوم (PR) برداشته شده و موادی كه می بایست تلغیظ می شدند حالا دارای اتم های مخالف می باشند.
15- این ترانزیستور به مرحله اتمام ساخت نزدیك است 23 عدد روزنه (حفره) روی لایه عایق بالایی ترانزیستور ایجاد شده است. این 3 روزنه با مس (Copper) پر می شوند این مسئله امكان برقراری ارتباط با سایر ترانزیستورها را فراهم می كند.

16- در این مرحله ویفرها در یك محلول سولفات مس قرار می گیرند یون های مس، طی فرایندی به نام Electroplanting ( یا همان آب كاری الكتریكی) روی ترانزیستور ته نشین می شوند . یون های مس، از قطب مثبت (Anode) به سمت قطب منفی (Cathode) كه توسط ویفر نمایان می شود، حركت می كنند.

17- در نهایت یون های مس، به شكل یك لایه نازك بر روی سطح ویفر نشست می كنند.
18- همان طور كه در تصویر زیر مشاهده می كنید، مواد اضافی حذف شده و تنها یك لایه خیلی نازك از مس، باقی مانده است (در نهایت 3 حفره ای كه در مورد آنها قبلا صحبت شد نیز با مس پر شدند)

19- لایه های فلزی چند گانه ای برای برقراری ارتباط و بهم پیوستن ترانزیستورهای مختلف، ساخته می شوند. اینكه این اتصالات چگونه سیم كشی شوند و چطور ااین ارتباط برقرار شود، توسط تیم معماری و طراحی كه كارایی و عملكرد پردازنده مربوطه را توسعه می دهند، مشخص می شود هنگامی كه تراشه های كامپیوتر خیلی مسطح (Flat) به نظر می رسند، در حقیقت آنها از بیش از 20 لایه برای ساختن مدارات پیچیده تشكیل شده اند. وقتی با جزئیات بیشتری به یك تراشه بنگرید ، یك شبكه پیچیده از خطوط مدار و ترانزیستور را كه شبیه به سیستم بزرگراه های چند طبقه آینده می باشد مشاهده خواهید نمود.

20- عملكرد هر كدام از ویفرهای آماده در این مرحله تست می شود
در این گام الگوهای تست تك به تك تراشه ها تغذیه شده (یعنی روی تك تك آنها تست می شود) و پاسخ دریافتی مانیتور شده و با پاسخ صحیح مقایسه می شود

21- بعد از تست ها مشخص می شود كه ویفر بازده خوبی از واحدهای پردازنده در حال كار را دارا می باشد در این مرحله ویفر به قطعاتی كوچك تر برش داده می شود (Called Dies)

22- Die هایی كه نسبت به الگوی تست پاسخ صحیح نشان داده اند، وارد مرحله بعد 0یعنی مرحله بسته بندی) می شوند. Die های بد كنار گذاشته می شومند.
23- در تصویر بعد یك Die را مشاهده می كنید كه در مرحله قبلی (مرحله Slicing) برش داده شده است. Die كه شما مشاهده می كنید یك Die از پردازنده هسته ای شركت (Core i 7) Intel می باشد.

نمای Die پردازنده Core i7 از نمایی دیگر.
در شكل بعد دیاگرام Die یك پردازنده Core 7 را مشاهده می كنید.

24- زیر لایه شكل 25، Die و پخش كننده حرارت (Heat Spreader) در كنار همدیگر قرار می گیرند تا شكل نهایی پردازنده كامل شود
توسط زیر لایه سبز رنگ یك واسطه الكتریكی و مكانیكی (اتوماتیك) برای پردازنده ساخته می شود تا بتواند با سایر اجزای سیستم ارتباط برقرار كند.
پخش كننده حرارت نقره ای رنگ یك واسط حرارتی می باشد كه خنك كننده های روی آن قرار گرفته و باعث می شود پردازنده حین كار نیز خنك بماند.

25- یك ریز پردازنده دارای پیچیده ترین فرایند تولید محصول روی كره زمین است. در حقیقت تولید آن صدها مرحله طول می كشد و تنها بخش های مهمی از آن در این مقاله عنوان شد
26- در طول مرحله پایانی تست، ویژگی های كلیدی پردازنده تست می شوند (ویژگی های مهمی مانند اتلاف قدرت، حداكثر فركانس و غیره) .

27- با توجه به نتایج تستها و همچنین مدل و قابلیت پردازنده آنها در جعبه های مخصوص به خود جهت حمل و نقل قرار می گیرند. این فرایند Binning نام دارد. مرحله Binning حداكثر فركانس عملیاتی یك پردازنده و دسته هایی كه تقسیم بندی شده اند و با توجه به ویژگی های ثابتشان فروخته می شوند را تعیین می كند.

28- پردازنده های تولیدی و تست شده (در تصویر زیر پردازنده Core i7 را مشاهده می كنید) در جعبه های مخصوص به خود قرار گرفته و برای فروش در فروشگاهها آماده می شوند.