آموزش های رایگان اینترنت رایانه ایمیل سایت وبلاگ تحقیق نرم افزارها تحقیقات علمی
آموزش های رایگان اینترنت رایانه ایمیل سایت وبلاگ تحقیق نرم افزارها تحقیقات علمیآموزش های رایگان اینترنت رایانه ایمیل سایت وبلاگ تحقیق نرم افزارها تحقیقات علمی
آموزش های رایگان اینترنت رایانه ایمیل سایت وبلاگ تحقیق نرم افزارها تحقیقات علمیمراحل ساخت cpu
مراحل ساخت cpu
From Sand To Silicon: How A Intel CPU Is Built
مراحل ساخت cpu
From Sand To Silicon: How A Intel CPU Is Built
واحد پردازشگر مرکزی Central Processing Unit) CPU ) ، مهم ترین بخش یک سیستم کامپیوتری محسوب می شود. در واقع CPU، همانند مغز یک سیستم عمل کرده و تمام محاسبات سیستم را انجام می دهد. به احتمال قوی، پاسخ سئوالاتی مثل اینکه CPU ، از چه واحدهایی تشکیل شده است و مثلاً چند نوع حافظهcache داریم و غیره را می دانیم . ولی تا به حال در مورد نحوه ساخت یک CPU صحبت نشده است. فرآیند تولید CPU، جزء مشکل ترین و تخصصی ترین فرآیندهای تولید تراشه در دنیا، محسوب می شود. ممکن است تا به حال برای یک کاربرد عادی، این سئوال پیش نیامده باشد که یک پردازنده از چه موادی و چگونه ساخته می شود. ولی این مسئله می تواند ذهن یک کاربر حرفه ای و یا نیمه حرفه ای را به چالش بکشد. شرکت Intel، که یکی از بزرگترین شرکت های تولید کننده تراشه در دنیا می باشد، به تازگی مراحل تولید یک CPU را منتشر نموده است. این فرآیند شامل صدها مرحله می باشد، ولی شرکت Intel به مهمترین مراحل تولید اشاره نموده است . این مراحل از انتخاب ماسه ای خاص که دارای درصدخاصی سیلیکون، می باشد، شروع شده و در نهایت، به بسته بندی و عرضه CPU به بازار فروش، ختم می شود.
From Sand To Silicon: How A Intel CPU Is Built
1. Sand
Made up of 25 percent silicon, is, after oxygen, the second most abundant chemical element that’s in the earth’s crust. Sand, especially quartz, has high percentages of silicon in the form of silicon dioxide (SiO2) and is the base ingredient for semiconductor manufacturing.
1- استفاده از شن و ماسه ای که دارای درصد خاصی از سیلیکون (سیلسیوم) می باشد ( به خصوص نوع خاصی از آن به نام Quartz که دارای درصد بالایی از سیلیکون است)، به عنوان جزء‌اصلی ساخت نیمه هادی.
2. Purification & Growing
After procuring raw sand and separating the silicon, the excess material is disposed of and the silicon is purified in multiple steps to finally reach semiconductor manufacturing quality which is called electronic grade silicon. The resulting purity is so great that electronic grade silicon may only have one alien atom for every one billion silicon atoms. After the purification process, the silicon enters the melting phase. In this picture you can see how one big crystal is grown from the purified silicon melt. The resulting mono-crystal is called an ingot.
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 Electronic Grade Silicon) EGS )می گویند. تصفیه می شود. مراحل تصفیه سیلیکون به قدری خوب انجام می شود که در نهایت، به ازای هر یک میلیارد اتم سیلیکون، تنها یک اتم ناسازگار (مخالف) وجود خواهدداشت. پس از فرآیند تصفیه، سیلیکون وارد فاز ذوب شدن می شود. در شکل زیر، می توانید مشاهده کنید که چطور یک کریستال بزرگ از ذوب شدن سیلیکون تصفیه شده ، به وجود می آید.
3. A Big Ingot
A mono-crystal ingot is produced from electronic grade silicon. One ingot weighs approximately 100 kilograms (or 220 pounds) and has a silicon purity of 99.9999 percent.
3- یک شمش تک کریستال، از EGS ساخته می شود. یک شمش، وزنی حدود 100 کیلوگرم (معادل 220 پوند) داشته و دارای 9999/99 درصد خالصی سیلیکون می باشد.
4. Ingot Slicing
The ingot is then moved onto the slicing phase where individual silicon discs, called wafers, are sliced thin. Some ingots can stand higher than five feet. Several different diameters of ingots exist depending on the required wafer size. Today, CPUs are commonly made on 300 mm wafers.
4- دراین مرحله، شمش (قالب) وارد فاز برش (قاچ کردن) می شود. جایی که دیسک های سیلیکون تکی که ویفر نام دارند، به شکلی باریک 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. Wafer Polishing
Once cut, the wafers are polished until they have flawless, mirror-smooth surfaces. Intel doesn’t produce its own ingots and wafers, and instead purchases manufacturing-ready wafers from third-party companies. Intel’s advanced 45 nm High-K/Metal Gate process uses wafers with a diameter of 300 mm (or 12-inches). When Intel first began making chips, it printed circuits on 50 mm (2-inches) wafers. These days, Intel uses 300 mm wafers, resulting in decreased costs per chip.
5- بعد از هر برش، ویفرها آن قدر جلا (صیقل) داده می شوند تا سطح آنها کاملاً بی عیب و آینه ای شکل شود. نکته جالب اینکه، شرکت Intel خودش شمش و ویفر تولید نمی کند. بلکه ویفرهای تولیدی و آماده 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 آن کاهش قیمت تراشه ها می باشد.
6. Photo Resist Application
The blue liquid, depicted above, is a photo resist finish similar to those used in film for photography. The wafer spins during this step to allow an evenly-distributed coating that’s smooth and also very thin.
6- همان طور که در شکل زیر مشاهده می کنید، از یک مایع آبی رنگ (همانند چیزی که 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 باریک شود.
7. UV Light Exposure
At this stage, the photo-resistant finish is exposed to ultra violet
(UV) light. The chemical reaction triggered by the UV light is similar
to what happens to film material in a camera the moment you press the
shutter button.
Areas of the resist on the wafer that have been exposed to UV light will
become soluble. The exposure is done using masks that act like
stencils. When used with UV light, masks create the various circuit
patterns. The building of a CPU essentially repeats this process over
and over until multiple layers are stacked on top of each other.
A lens (middle) reduces the mask’s image to a small focal point. The
resulting “print” on the wafer is typically four times smaller,
linearly, than the mask’s pattern.
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 ، یک واکنش شیمیایی (همانند آنچه که 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 (منظور در معرض اشعه فرابنفش قرار گرفتن)، با استفاده از ماسک هایی که شبیه استنسیل عمل می کنند، انجام می شود. هنگامی که از اشعه فرابنفش استفاده می شود، ماسک ها الگوهای مداری مختلفی را ایجاد می کنند. اساس ساخت یک CPU، تکرار مرتب این فرآیندمی باشد. این فرآیند آنقدر تکرار می شود تا لایه های چندگانه 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 طور نمونه، نتیجه چاپ روی ویفر 4 بار کوچک تر از ا لگوی ماسک می باشد.
8. More Exposing
In the picture we have a representation of what a single transistor would appear like if we could see it with the naked eye. A transistor acts as a switch, controlling the flow of electrical current in a computer chip. Intel researchers have developed transistors so small that they claim roughly 30 million of them could fit on the head of a pin.
8 -در تصویر بعد مشاهده این موضوع هستیم که چگونه یک عدد ترانزیستور، ساخته شده و پدیدار می شود. یک ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ عمل کرده و روند جریان الکتریکی در یک تراشه کامپیوتر را کنترل می کند. تحقیق و پژوهش های شرکت Intel در توسعه و پیشرفت ترانزیستورها نقش زیادی ایفا کرده است و اندازه آنها را نیز بسیار کوچک نموده است. تا جایی که آنها ادعا می کنند 30 میلیون از ترانزیستورها را می توان بر سر یک سنجاق ( یا یک میخ کوچک ) قرار داد.
9. Photo Resist Washing
After being exposed to UV light, the exposed blue photo resist areas are completely dissolved by a solvent. This reveals a pattern of photo resist made by the mask. The beginnings of transistors, interconnects, and other electrical contacts begin to grow from this point.
9- بعد از اینکه ترانزیستور 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 می شود.
این مسئله یک الگوی پایدار (PR) ساخته شده از ماسک را آشکار می کند. ترانزیستورها اولیه و همچنین تمام اتصالات و ارتباطات داخلی از این نقطه نظر الهام گرفته اند.
10. Etching
The photo resist layer protects wafer material that should not be etched away. Areas that were exposed will be etched away with chemicals.
10- لایه مقاوم (PR)مذکور از مواد ویفر محافظت می کند تا از خارج تراشیده نشوند(کنده کاری نشوند) مناطقی که بدون محفاظ هستند، با استفاده از محصولات و تغییرات شیمیایی، تراشیده می شوند.
11. Photo Resist Removal
After the etching, the photo resist is removed and the desired shape becomes visible.
11- بعداز کنده کاری Photo Resist)PR )برداشته شده و شکل مطلوب آن پدیدار می شود (مطابق شکل)
12. re-Applying More Photo Resist
More photo resist (blue) is applied and then re-exposed to UV light. Exposed photo resist is then washed off again before the next step, which is called ion doping. This is the step where ion particles are exposed to the wafer, allowing the silicon to change its chemical properties in a way that allows the CPU to control the flow of electricity.
12- لایه های مقاوم بیشتری (لایه ابی رنگ موجود در تصویر) به کار 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 پاک می شوند. این مرحله مرحله ای است که ذرات یون در معرض ویفر قرار می گیرند و این اجازه را به سیلیکون می دهند تا خصوصیات شیمیایی خود را تغیر دهد. این مسئله منجر می شود CPU بتواند جریان الکتریسیته را کنترل کند.
13. Ion Doping
Through a process called ion implantation (one form of a process called doping) the exposed areas of the silicon wafer are bombarded with ions. Ions are implanted in the silicon wafer to alter the way silicon in these areas conduct electricity. Ions are propelled onto the surface of the wafer at very high velocities. An electrical field accelerates the ions to a speed of over 300,000 km/hour (roughly 185,000 mph)
13- طی یک فرایند که القا یون نامیده می شود (شکلی از فرایند تلغیظ) ناحیه در معرض قرار گرفته سیلیکون ویفر توسط یون ها بمباران می شود. یونها در سیلیکون .ویفر القا می شوند. (کاشته می شوند) تا راهی را که سیلیکون در این نواحی الکتریسیته را هدایت می کند،تغییر دهند. یون ها با سرعت خیلی زیاد به سطح ویفر سوق داده می شوند یک میدان الکتریکی سرعت یونها را تا بیش از 300000 کیلومتر بر ساعت (تقریبا 185000 مایل بر ساعت ) افزایش می دهد.
14. More Photo Resist Removal
After the ion implantation, the photo resist will be removed and the material that should have been doped (green) now has alien atoms implanted.
14- بعد از مرحله القای یون لایه مقاوم (PR) برداشته شده و موادی که می بایست تلغیظ می شدند حالا دارای اتم های مخالف می باشند.
15. A Transistor
This transistor is close to being finished. Three holes have been etched into the insulation layer (magenta color) above the transistor. These three holes will be filled with copper, which will make up the connections to other transistors.
15- این ترانزیستور به مرحله اتمام ساخت نزدیک است 23 عدد روزنه (حفره) روی لایه عایق بالایی ترانزیستور ایجاد شده است. این 3 روزنه با مس (Copper) پر می شوند این مسئله امکان برقراری ارتباط با سایر ترانزیستورها را فراهم می کند.
16. Electroplating The Wafer
The wafers are put into a copper sulphate solution at this stage. Copper ions are deposited onto the transistor through a process called electroplating. The copper ions travel from the positive terminal (anode) to the negative terminal (cathode) which is represented by the wafer.
16- در این مرحله ویفرها در یک محلول سولفات مس قرار می گیرند یون های مس، طی فرایندی به نام Electroplanting ( یا همان آب کاری الکتریکی) روی ترانزیستور ته نشین می شوند . یون های مس، از قطب مثبت (Anode) به سمت قطب منفی (Cathode) که توسط ویفر نمایان می شود، حرکت می کنند.
17. Ion Setting
The copper ions settle as a thin layer on the wafer surface.
17- در نهایت یون های مس، به شکل یک لایه نازک بر روی سطح ویفر نشست می کنند.
18. Polishing Excess Material
The excess material is polished off leaving a very thin layer of copper.
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 آنها قبلا صحبت شد نیز با مس پر شدند)
19. Layering
Multiple metal layers are created to interconnects (think wires) in between the various transistors. How these connections have to be “wired” is determined by the architecture and design teams that develop the functionality of the respective processor (for example, Intel’s Core i7 processor). While computer chips look extremely flat, they may actually have over 20 layers to form complex circuitry. If you look at a magnified view of a chip, you will see an intricate network of circuit lines and transistors that look like a futuristic, multi-layered highway system.
19- لایه های فلزی چند گانه ای برای برقراری ارتباط و بهم پیوستن ترانزیستورهای مختلف، ساخته می شوند. 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 دهند، مشخص می شود هنگامی که تراشه های کامپیوتر خیلی مسطح (Flat) به نظر می رسند، در حقیقت آنها از بیش از 20 لایه برای ساختن مدارات پیچیده تشکیل شده اند. وقتی با جزئیات بیشتری به یک تراشه بنگرید ، یک شبکه پیچیده از خطوط مدار و ترانزیستور را که شبیه به سیستم بزرگراه های چند طبقه آینده می باشد مشاهده خواهید نمود.
20. Wafer Sort Test
This fraction of a ready wafer is being put through a first functionality test. In this stage test patterns are fed into every single chip and the response from the chip monitored and compared to “the right answer.”
20- عملکرد هر کدام از ویفرهای آماده در این مرحله تست می شود
در این
گام الگوهای تست تک به تک تراشه ها تغذیه شده (یعنی روی تک تک آنها تست می
شود) و پاسخ دریافتی مانیتور شده و با پاسخ صحیح مقایسه می شود
21. Wafer Slicing
After tests determine that the wafer has a good yield of functioning processor units, the wafer is cut into pieces (called dies).
21- بعد از تست ها مشخص می شود که ویفر بازده خوبی از واحدهای پردازنده در حال کار را دارا می باشد در این مرحله ویفر به قطعاتی کوچک تر برش داده می شود (Called Dies)
22. The Good, The Bad & The Ugly
The dies that responded with the right answer to the test pattern will be put forward for the next step (packaging). Bad dies are discarded. Several years ago, Intel made key chains out of bad CPU dies.
22- Die هایی که نسبت به الگوی تست پاسخ صحیح نشان داده اند، وارد مرحله بعد 0یعنی مرحله بسته بندی) می شوند. Die های بد کنار گذاشته می شومند.
23. Individual Die
This is an individual die, which has been cut out in the previous step (slicing). The die shown here is a die of an Intel Core i7 processor.
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
هسته ای شرکت (Core i 7) Intel می باشد.
مای Die پردازنده Core i7 از نمایی دیگر.
در شکل بعد دیاگرام Die یک پردازنده Core 7 را مشاهده می کنید.
24. CPU Packaging
The substrate, the die, and the heatspreader are put together to form a completed processor. The green substrate builds the electrical and mechanical interface for the processor to interact with the rest of the PC system. The silver heatspreader is a thermal interface where a cooling solution will be applied. This will keep the processor cool during operation.
24- زیر لایه شکل 25، Die و پخش کننده حرارت (Heat Spreader) در کنار همدیگر قرار می گیرند تا شکل نهایی پردازنده کامل شود توسط
زیر لایه سبز رنگ یک واسطه الکتریکی و مکانیکی (اتوماتیک) برای پردازنده
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 های روی آن
قرار گرفته و باعث می شود پردازنده حین کار نیز خنک بماند.
25. A Finished CPU
A microprocessor is the most complex manufactured product on earth. In fact, it takes hundreds of steps and only the most important ones have been visualized in this picture story.
25- 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 آن در این مقاله عنوان شد
26. CPU Testing
During this final test the processors will be tested for their key characteristics (among the tested characteristics are power dissipation and maximum frequency).
26- در طول مرحله پایانی تست، ویژگی های کلیدی پردازنده تست می شوند (ویژگی های مهمی مانند اتلاف قدرت، حداکثر فرکانس و غیره) .
27. CPU Binning
Based on the test result of class testing processors with the same capabilities are put into the same transporting trays. This process is called “binning,” a process with which many Tom’s Hardware readers will be familiar. Binning determines the maximum operating frequency of a processor, and batches are divided and sold according to stable specifications.
27- با توجه به نتایج تستها و همچنین مدل و قابلیت پردازنده آنها در جعبه های مخصوص به خود جهت حمل و نقل قرار می‌گیرند. این فرایند Binning نام دارد. مرحله Binning حداکثر فرکانس عملیاتی یک پردازنده و دسته هایی که تقسیم بندی شده اند و با توجه به ویژگی های ثابتشان فروخته می شوند را تعیین می کند.
28. Off to the Stores
The manufactured and tested processors (again Intel Core i7 processor is shown here) either go to system manufacturers in trays or into retail stores in a box.
28- پردازنده های تولیدی و تست شده (در تصویر زیر پردازنده Core i7 را مشاهده می کنید) در جعبه های مخصوص به خود قرار گرفته و برای فروش در فروشگاهها آماده می شوند.
Many thanks to Intel for supplying the text and photos in this picture story. Check out Intel’s site for full size images of this entire process.
Download a Complete PDF presentation here.
منبع:
http://levelx.me/technology/from-sand-to-silicon-how-a-intel-cpu-is-built/