واحد پردازشگر مرکزی Central Processing Unit) CPU)، مهم ترین بخش یک سیستم کامپیوتری محسوب میشه. در واقع CPU، مثل مغز ی سیستم عمل مبکنه و تمام محاسبات سیستم رو انجام میده. به احتمال زیاد، پاسخ سوالاتی مثل اینکه CPU، از چه واحدهایی تشکیل شده و مثلاً چند نوع حافظه cache داریم و غیره رو میدونین. ولی تا به حال در مورد نحوه ساخت یک CPU صحبت نشده. فرآیند تولید CPU، جزء مشکل ترین و تخصصی ترین فرآیندهای تولید تراشه در دنیا، محسوب میشه. ممکنه تا به حال برای یک کاربر عادی، این سوال پیش نیومده باشه که یک پردازنده از چه موادی و چگونه ساخته میشه. ولی این مسئله میتونه ذهن یک کاربر حرفه ای و یا نیمه حرفه ای رو به چالش بکشه. شرکت Intel، که یکی از بزرگترین شرکت های تولید کننده تراشه در دنیاست، به تازگی مراحل تولید یک CPU رو منتشر کرده. این فرآیند شامل صدها مرحلست، ولی شرکت Intel به مهمترین مراحل تولید اشاره نکرده. این مراحل از انتخاب ماسه ای خاص که دارای درصد خاصی سیلیکونه، شروع شده و در نهایت، به بسته بندی و عرضه CPU به بازار فروش، ختم میشه.
۱- ۲۵ درصد از شن رو سیلیکون تشکیل میده.که بعد از اکسیزن فراوون ترین عنصر در پوسته زمینه. به خصوص شن مقدار زیادی سیلیکون به صورت سیلیکون دی اکسید (SiO2) در خود داره که عنصر اصلی برای ساخت اجسام نارساناست.
۲- ذوب کردن شن. در این مرحله شن ها در دمای بسیار بالا حرارت داده میشن و سلیکا موجود در شن ها به صورت مایع در اومده و در ظرف هایی ریخته میشن. قطر این ظرف های توپی شکل ۱۲ اینچه (۳۰۰ میلی متر). پردازنده های قدیمی تر (سلرون ها) دارای ظرف هایی با قطر ۸″ اینچ (۲۰۰ میلی متر) بودن و اولین ظرف توپی دنیا که در سال ۱۹۷۰ از آن کریستال خارج کردند فقط ۲″ (۵۰ میلی متر) قطر داشت.
۳- یک شمش تک کریستال، از EGS ساخته میشه. یک شمش، وزنی حدود ۱۰۰ کیلوگرم (معادل ۲۲۰ پوند) داشته و دارای ۹۹۹۹/۹۹ درصد خالصی سیلیکونه.
۴- در این مرحله، شمش (قالب) وارد فاز برش (قاچ کردن) میشه. جایی که دیسک های سیلیکون تکی که ویفر نام دارن، به شکلی باریک برش داده میشه. برخی از شمش ها میتونن بیش از ۵ فوت (هر فوت معادل ۴۸/۳۰ سانتی متره) باشن. قطر شمش ها هم با توجه به سایز ویفر مورد نیاز، متفاوته. امروزه، CPU ها معمولاً روی ویفرهای ۳۰۰ میلی متری ساخته میشن.
۵- وقتی که برش انجام شد, Wafer ها براق میشن تا هیچ خدشه ای نمونه. سطح اون آیینه ای و صیقلیه. شرکت Intel خودش Ingot ها و Wafer ها رو تهیه نمیکنه. در عوض Wafer های آماده رو از شرکت های دیگه خریداری میکنه. Intel برای فرایند ۴۵mm High-K\Metal از Wafer هایی با قطر ۳۰۰ میلیمتر (۱۲ اینچی) استفاده میکنه. 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 نتیجه ی اون کمتر شدن قیمته استفاده میکنه.
۶- از یک مایع آبی رنگ (مثل چیزی که برای فتوگرافی استفاده میشه) برای ایجاد پایداری و مقاومت روی سطح ویفر استفاده میشه. در این گام، ویفر به دور خود میچرخه تا سطحش به طور مساوی و هموار از مایع مربوطه پوشیده شده و همچنین خیلی باریک بشه.
۷- در این مرحله , Photo Resist در معرض اشعه ی ماورا بنفش قرار میگیره UV. واکنش شیمیایی که با UV رخ میده مشابه همون اتفاقیه که به هنگام فشار دادن دکمه بر روی فیلم خام در دوربین میوفته.
قسمت های مقاوم بر روی Wafer بعد از اینکه در معرض UV قرار گرفتن به صورت محلول در میان.مرحله ی تاباندن پرتو با استفاده از پوشش هایی که مثل نقش و نگار هستن تمام شده. وقتی از اشعه ی UV استفاده میشه, پوششی با طرح های مختلف بروش بوجود میاد. ساخت یک CPU نیازمند تکرار این فراینده تا اینکه چند لایه بروی هم بوجود بیاد.
یک لنز هم باعث کاهش نقش های رو پوشش میشه و اونها رو به یک نقطه ی کانونی جمع کنه. نتیجه ی اون بر روی Wafer اینه که ۴ بار کوچکتر، نسبت به نقش و نگار های روی پوششه.
۸- یک عدد ترانزیستور ساخته شده و پدیدار میشه. یک ترانزیستور به عنوان ی سوئیچ عمل کرده و روند جریان الکتریکی در یک تراشه کامپیوتر رو کنترل میکنه. تحقیق و پژوهش های شرکت Intel در توسعه و پیشرفت ترانزیستورها نقش زیادی ایفا کرده و اندازه اونها رو هم بسیار کوچک کرده. تا جایی که اونها ادعا میکنن ۳۰ میلیون از ترانزیستورها رو میشه بر سر یک سنجاق (یا یک میخ کوچک) قرار داد.
۹- بعد از تاباندن UV. تمام Photo Resist ها توسط یک حلال پاک میشن. این کار باعث آشکار شدن الگوی طرح های Photo Resist که توسط اون پوشش ساخته شده بود میشه. ترانزیستور ها و رابط ها و اتصالات الکتریکی از همین جا شروع میشن.
۱۰- لایه مقاوم (PR) مذکور از مواد ویفر محافظت میکنه تا از خارج تراشیده نشن (کنده کاری نشن) مناطقی که بدون محافظ هستن، با استفاده از محصولات و تغییرات شیمیایی، تراشیده میشن.
۱۱- بعد از کنده کاری Photo Resist)PR) برداشته شده و شکل مطلوبش پدیدار میشه.
۱۲- لایه های مقاوم بیشتری (لایه ابی رنگ موجود در تصویر) به کار گرفته میشه و این لایه مجدداً در معرض اشعه فرابنفش قرار میگیرن. این نواحی قبل از ورود به مرحله بعد (یعنی مرحله ناخالص سازی یا تلغیظ یون) مجددا با شست و شو پاک میشن. این مرحله، مرحله ایه که ذرات یون در معرض ویفر قرار میگیرن و این اجازه رو به سیلیکون میدن تا خصوصیات شیمیایی خودش رو تغیر بده. این مسئله منجر میشه CPU بتونه جریان الکتریسیته رو کنترل کنه.
۱۳- طی یک فرایند که القا یون نامیده میشه (شکلی از فرایند تلغیظ) ناحیه در معرض قرار گرفته سیلیکون ویفر توسط یون ها بمباران میشه. یون ها در سیلیکون ویفر القا میشن. (کاشته میشن) تا راهی رو که سیلیکون در این نواحی الکتریسیته رو هدایت میکنه، تغییر بده. یون ها با سرعت خیلی زیاد به سطح ویفر سوق داده میشن یک میدان الکتریکی سرعت یون ها رو تا بیش از ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ساعت (تقریبا ۱۸۵۰۰۰ مایل بر ساعت) افزایش میده.
۱۴- بعد از مرحله القای یون لایه مقاوم (PR) برداشته شده و موادی که باید تلغیظ میشدن حالا دارای اتم های مخالفن.
۱۵- این ترانزیستور به مرحله اتمام ساخت نزدیکه ۲۳ عدد روزنه (حفره) روی لایه عایق بالایی ترانزیستور ایجاد شده. این ۳ روزنه با مس (Copper) پر میشن این مسئله امکان برقراری ارتباط با سایر ترانزیستورها رو فراهم میکنه.
۱۶- در این مرحله ویفرها در یک محلول سولفات مس قرار میگیرن یون های مس، طی فرایندی به نام Electroplanting (یا همون آب کاری الکتریکی) روی ترانزیستور ته نشین میشن. یون های مس، از قطب مثبت (Anode) به سمت قطب منفی (Cathode) که توسط ویفر نمایان میشه، حرکت میکنن.
۱۷- در نهایت یون های مس، به شکل یک لایه نازک بر روی سطح ویفر نشست میکنن.
۱۸- همون طور که در تصویر زیر مشاهده میکنین، مواد اضافی حذف شده و تنها یک لایه خیلی نازک از مس، باقی مونده (در نهایت ۳ حفره ای که در مورد اونها قبلا صحبت شد هم با مس پر شدن)
۱۹- لایه های فلزی چند گانه ای برای برقراری ارتباط و بهم پیوستن ترانزیستورهای مختلف، ساخته میشن. اینکه این اتصالات چگونه سیم کشی بشن و چطور این ارتباط برقرار بشه، توسط تیم معماری و طراحی که کارایی و عملکرد پردازنده مربوطه رو توسعه میدن، مشخص میشه هنگامی که تراشه های کامپیوتر خیلی مسطح (Flat) به نظر میرسن، در حقیقت اونها از بیش از ۲۰ لایه برای ساختن مدارات پیچیده تشکیل شدن. وقتی با جزئیات بیشتری به یک تراشه نگاه کنید، یک شبکه پیچیده از خطوط مدار و ترانزیستور رو که شبیه به سیستم بزرگراه های چند طبقه آیندست می بینید.
۲۰- عملکرد هر کدوم از ویفرهای آماده در این مرحله تست میشه.
در این مرحله الگوهای تست تک به تک تراشه ها تغذیه شده (یعنی روی تک تک اونها تست میشه) و پاسخ دریافتی مانیتور شده و با پاسخ صحیح مقایسه میشه
۲۱- بعد از تست ها مشخص میشه که ویفر بازده خوبی از واحدهای پردازنده در حال کار رو داره در این مرحله ویفر به قطعاتی کوچک تر برش داده میشه (Called Dies)
۲۲- Die هایی که نسبت به الگوی تست پاسخ صحیح نشون دادن، وارد مرحله بعد یعنی مرحله بسته بندی) میشن. Die های بد کنار گذاشته میشن.
۲۳- die در مرحله قبلی (مرحله Slicing) برش داده شده. Die که شما می بینید یک Die از پردازنده هسته ای شرکت “Intel Core i7” هست.
۲۴-Die و پخش کننده حرارت (Heat Spreader) در کنار همدیگه قرار میگیرن تا شکل نهایی پردازنده کامل بشه.
توسط زیر لایه سبز رنگ یک واسطه الکتریکی و مکانیکی (اتوماتیک) برای پردازنده ساخته میشه تا بتونه با سایر اجزای سیستم ارتباط برقرار کنه.
پخش کننده حرارت نقره ای رنگ یک واسط حرارتیه که خنک کننده های روش قرار گرفته و باعث میشه پردازنده حین کار هم خنک بمونه.
۲۵- یک ریز پردازنده دارای پیچیده ترین فرایند تولید محصول روی کره زمینه. در حقیقت تولید اون صدها مرحله طول میکشه و تنها بخش های مهمی ازش در این مقاله عنوان شده.
۲۶- در طول مرحله پایانی تست، ویژگی های کلیدی پردازنده تست میشن (ویژگی های مهمی مانند اتلاف قدرت، حداکثر فرکانس و غیره) .
