نحوه ساخت پردازنده‌ها به زبان ساده - قسمت اول: فوتولیتوگرافی

[ادامه فروش در دیوار 488]

سلام. من مدتی هست که کنجکاو بودم پردازنده‌ها چطور ساخته می‌شن، مفهوم 14 نانومتر و 8 نانومتر و ... چیه و چطور این ابعاد کوچیک رو عملی می‌کنن. 😁

دست به کار شدم و سرچ زدم. تا هر جاییش رو که یاد بگیرم اینجا به اشتراک می‌ذارم تا اگر کس دیگه‌ای هم کنجکاوه و فرصت نداشته یاد بگیره اینجا به شکل خلاصه آشنا بشه

------------------------------------------------------------------

قسمت اول: نحوه پیاده کردن نقشه‌های الکترونیکی روی ویفر سیلیکون هست.

قسمت دوم: چرا به جای استفاده از یک چیپ بزرگتر سعی می‌کنن تعداد زیادی ترانزیستور کوچک تر روی همون ابعاد چیپ قرار بدن؟ به عبارتی کل این بدبختی‌ها بخاطر چیه؟

قسمت سوم: نحوه ساخت خود ویفر سیلیکون. می‌دونیم خلوص این ویفر باید فوق‌العاده بالا باشه و ساختن چنین چیزی خودش جای بررسی داره

قسمت چهارم: نحوه عملکرد CPU هست که البته این رو قول نمی‌دم چون یه سرچ اولیه زدم مباحث نسبتا سختی داشت و چون پیش‌زمینه کافی ندارم باید وقت زیادی روش بذارم تا خودم یاد بگیرم. شاید یکی دیگه از دوستان بتونه این قسمتش رو کمک کنه تا مجموعه کامل شه.

------------------------------------------------------------------

اول از همه ببینیم اعدادی که اندازه رو تعریف می‌کنن، اندازه چی رو تعریف می‌کنن. هر CPU از تعداد زیادی ترانزیستور ساخته شده که با قطع و وصل جریان برق کدهای 0 و 1 رو پردازش می‌کنن تا انواع و اقسام دستورها اجرا بشه. اینکه ترانزیستور چطور اینکار رو می‌کنه در قسمت‌های بعدی بررسی می‌شه. اما اعدادی که ما از پردازنده می‌شنویم و با پیشرفت تکنولوژی کوچک و کوچک‌تر می‌شن، ابعاد این ترانزیستورها هست. در حقیقت زیر میکروسکوپ الکترونی به شکل زیر دیده می‌شن:

اما موضوع مورد بحث در این قسمت اینه که چطور همچین ابعادی با این دقت ساخته می‌شه؟

 

جواب این سوال فرآیند لیتوگرافی هست. شماتیک فرآیند لیتوگرافی رو در شکل زیر می‌بینیم:

مراحل این فرآیند از این قرار هست:

1. یک لایه اکسید سیلیکون روی سیلیکون اولیه پوشش داده می‌شه. (کاربرد این اکسید مربوط به عملکرد الکترونیکی چیپ هست و بعدا مشخص می‌شه)

2. یک لایه ماده حساس به اشعه UV که اصطلاحا بهش Photo resist گفته می‌شه، روی مجموعه پوشش داده می‌شه.

3. از یک ماسک استفاده می‌شه که دارای یک سری حفره و شیار به شکل دلخواه هست و نور فقط از اون حفرات عبور می‌کنه و بقیه نور توسط ماسک جذب می‌شه.

4. با تابش یک پرتو متمرکز شده UV، نور از منافذ ماسک عبور می‌کنه و طرح دلخواه مارو روی ماده Photo resist می‌ندازه. باید توجه کنیم که با استفاده از لنزها می‌شه نور رو بسیار متمرکز کرد و در مورد پرتوهای الکترونی می‌تونیم به ضخامت پرتو چند نانومتر برسیم تا دقت نقشه بالا بره (لزوما از UV اتفاده نمی‌شه)

5. قسمت‌هایی از ماده Photo resist که به دلیل تابش نور ضعیف شدند، خیلی سریعتر از قسمت‌های دست نخورده‌اش خورده می‌شن. پس با اسید اون‌هارو مطابق همون طرحی که روی ماسک داشتیم تحت خوردگی موضعی قرار می‌دیم. اسید HF استفاده می‌شه.

6. اسید سر راهش قسمت‌هایی از اکسید سیلیکون که منطبق با نقشه تراشه بودند رو هم می‌خوره و پیشروی می‌کنه.

7. باقیمونده ماده Photo resist به کمک اسید مناسب دیگه‌ای حل می‌شه

 

نتیجه: ترکیب سیلیکون و اکسید سیلیکون مطابق نقشه‌ای که برای تراشه کشیده بودیم. همونطور که گفته شد، اینکه این ترکیب چطور عمل می‌کنه می‌مونه برای قسمت‌های بعدی. فعلا فقط فرآیند ساختش رو بررسی کردیم. اما عجالتا به طور خلاصه مکانیزمش مطابق شکل زیر هست:

 

 

پایان قسمت اول

باشد که در هنگام استفاده از کامپیوتر بدونیم چه تکنولوژی پشتشه 😁

ویرایش شده فوریه 23, 2021 توسط MasoudK96

[amirali. 41]

در 48 دقیقه قبل، MasoudK96 گفته است :

سلام. من مدتی هست که کنجکاو بودم پردازنده‌ها چطور ساخته می‌شن، مفهوم 14 نانومتر و 8 نانومتر و ... چیه و چطور این ابعاد کوچیک رو عملی می‌کنن. البته خودم در زمینه باتری‌های لیتیم-یون کار می‌کنم و از قضا جنس آند این باتری که مورد تحقیقم هست سیلیکونه ولی خب به قدری به کاربرد پردازنده نزدیک نبود که سرنخی از این مورد داشته باشم 😁

دست به کار شدم و سرچ زدم. تا هر جاییش رو که یاد بگیرم اینجا به اشتراک می‌ذارم تا اگر کس دیگه‌ای هم کنجکاوه و فرصت نداشته یاد بگیره اینجا به شکل خلاصه آشنا بشه

------------------------------------------------------------------

قسمت اول: نحوه پیاده کردن نقشه‌های الکترونیکی روی ویفر سیلیکون هست.

قسمت دوم: چرا به جای استفاده از یک چیپ بزرگتر سعی می‌کنن تعداد زیادی ترانزیستور کوچک تر روی همون ابعاد چیپ قرار بدن؟ به عبارتی کل این بدبختی‌ها بخاطر چیه؟

قسمت سوم: نحوه ساخت خود ویفر سیلیکون. می‌دونیم خلوص این ویفر باید فوق‌العاده بالا باشه و ساختن چنین چیزی خودش جای بررسی داره

قسمت چهارم: نحوه عملکرد CPU هست که البته این رو قول نمی‌دم چون یه سرچ اولیه زدم مباحث نسبتا سختی داشت و چون پیش‌زمینه کافی ندارم باید وقت زیادی روش بذارم تا خودم یاد بگیرم. شاید یکی دیگه از دوستان بتونه این قسمتش رو کمک کنه تا مجموعه کامل شه.

------------------------------------------------------------------

اول از همه ببینیم اعدادی که اندازه رو تعریف می‌کنن، اندازه چی رو تعریف می‌کنن. هر CPU از تعداد زیادی ترانزیستور ساخته شده که با قطع و وصل جریان برق کدهای 0 و 1 رو پردازش می‌کنن تا انواع و اقسام دستورها اجرا بشه. اینکه ترانزیستور چطور اینکار رو می‌کنه در قسمت‌های بعدی بررسی می‌شه. اما اعدادی که ما از پردازنده می‌شنویم و با پیشرفت تکنولوژی کوچک و کوچک‌تر می‌شن، ابعاد این ترانزیستورها هست. در حقیقت زیر میکروسکوپ الکترونی به شکل زیر دیده می‌شن:

اما موضوع مورد بحث در این قسمت اینه که چطور همچین ابعادی با این دقت ساخته می‌شه؟

 

جواب این سوال فرآیند لیتوگرافی هست. شماتیک فرآیند لیتوگرافی رو در شکل زیر می‌بینیم:

مراحل این فرآیند از این قرار هست:

1. یک لایه اکسید سیلیکون روی سیلیکون اولیه پوشش داده می‌شه. (کاربرد این اکسید مربوط به عملکرد الکترونیکی چیپ هست و بعدا مشخص می‌شه)

2. یک لایه ماده حساس به اشعه UV که اصطلاحا بهش Photo resist گفته می‌شه، روی مجموعه پوشش داده می‌شه.

3. از یک ماسک استفاده می‌شه که دارای یک سری حفره و شیار به شکل دلخواه هست و نور فقط از اون حفرات عبور می‌کنه و بقیه نور توسط ماسک جذب می‌شه.

4. با تابش یک پرتو متمرکز شده UV، نور از منافذ ماسک عبور می‌کنه و طرح دلخواه مارو روی ماده Photo resist می‌ندازه. باید توجه کنیم که با استفاده از لنزها می‌شه نور رو بسیار متمرکز کرد و در مورد پرتوهای الکترونی می‌تونیم به ضخامت پرتو چند نانومتر برسیم تا دقت نقشه بالا بره (لزوما از UV اتفاده نمی‌شه)

5. قسمت‌هایی از ماده Photo resist که به دلیل تابش نور ضعیف شدند، خیلی سریعتر از قسمت‌های دست نخورده‌اش خورده می‌شن. پس با اسید اون‌هارو مطابق همون طرحی که روی ماسک داشتیم تحت خوردگی موضعی قرار می‌دیم. اسید HF استفاده می‌شه.

6. اسید سر راهش قسمت‌هایی از اکسید سیلیکون که منطبق با نقشه تراشه بودند رو هم می‌خوره و پیشروی می‌کنه.

7. باقیمونده ماده Photo resist به کمک اسید مناسب دیگه‌ای حل می‌شه

 

نتیجه: ترکیب سیلیکون و اکسید سیلیکون مطابق نقشه‌ای که برای تراشه کشیده بودیم. همونطور که گفته شد، اینکه این ترکیب چطور عمل می‌کنه می‌مونه برای قسمت‌های بعدی. فعلا فقط فرآیند ساختش رو بررسی کردیم. اما عجالتا به طور خلاصه مکانیزمش مطابق شکل زیر هست:

 

 

پایان قسمت اول

باشد که در هنگام استفاده از کامپیوتر بدونیم چه تکنولوژی پشتشه 😁

سلام خیلی ممنون خیلی وقته دارم تحقیق میکنم تو سایتا یه چیزایی نوشته هیشکی سر در نمیاره😂

[ادامه فروش در دیوار 488]

در 2 ساعت قبل، amirali. گفته است :

سلام خیلی ممنون خیلی وقته دارم تحقیق میکنم تو سایتا یه چیزایی نوشته هیشکی سر در نمیاره😂

خواهش می‌کنم 😁