بخشی از مقاله
نحوه بوجود آمدن و ساخت پردازنده
ماده اولیه:
امروزه همه مي دانند كه ماده اوليه پردازنده ها همچون ديگر مدارات مجتمع الكترونيكي، سيليكون است.در واقع سيليكون همان ماده سازنده شيشه است كه از شن استخراج مي شود. البته عناصر بسيار ديگري هد در اين فرايند به كار برده مي شوند و ليكن از نظر درصد وزني، سهم مجموع اين عناصر نسبت به سيليكون به كار رفته در محصول نهايي بسيار جزئي است.
آلمينيوم يكي از موارد ديگري است كه در فرايند توليد پردازنده هاي مدرن، مس به تد
ريج جايگزين آلمينيوم مي شود. علاوه بر آنكه فلز مس داراي ضريب هدايت الكتريكي بيشتري نسبت به آلمينيوم است،دليل مهم تري هم براي استفاده از مس در طراحي پردازنده هاي مدرن امروزي وجود دارد. يكي از بزرگ ترين مسائلي كه در طراحي پردازنده ها ي امروزي مطرح است، موضوع نياز به ساختارهاي فيزيكي ظريف تر است. به ياد داريد كه اندازه ها در پردازنده هاي امروزي در حد چند ده نانو متر هستند. پس از آنجايي كه با استفاده از فلز مس، مي توان اتصالات ظريف تري ايجاد كرد، اين فلز جايگزين آلومينوم شده است.
آماده سازی:
فرايندهاي توليد قطعات الكترونيكي از يك جهت با بسياري از فرايندهاي توليد ديگر متفاوت است. در فرايندهاي توليد قطعات الكترونيك، درجه خلوص مواد اوليه مورد نياز در حد بسيار بالايي اهميت بسيار زيادي دارند.
اهميت اين موضوع در حدي است كه از اصطلاح electronic grade براي اشاره به درجه خلوص بسيار بالايي مواد استفاده مي شود.
به همين دليل مرحله مهمي به نام آماده سازي در تمامي فراين
دهاي توليد قطعات الكترونيك وجود دارد. در اين مرحله درجه خلوص موارد اوليه به روش هاي گوناگون و در مراحل متعدد افزايش داده مي شود تا در نهايت به مقدار خلوص مورد نظر برسد. درجه خلوص مواد اوليه مورد نياز در اين صنعت به اندازه اي بالاست كه توسط واحدهايي مانند ppm به معني چند اتم نا خالصي در يك ميليون اتم ماده اوليه،بيان مي شوند.
آخرين مرحله خالص سازي ماده سيليكون،به اين صورت انجام مي شود كه يك بلور خالص سيليكون درون ظرف سيليكون مذاب خالص شده قرار داده مي شود، تا بلور باز هم خالص تري در اين ظرف رشد كند ( همان طور كه بلورهاي نبات در درون محلول اشباع شده به دور يك ريسمان نازك رشدمي كنند ) . در واقع به اين ترتيب، ماده سيليكون مورد نياز به صورت يك شمش تك كريستالي تهيه مي شود ( يعني تمام يك شمش بيست سانتي متري سيليكون، يك بلور پيوسته و بدون نقض بايد باشد!). اين روش در صنعت توليد چيپ به روش cz معروف است. تهيه چنين شمس تك بلوري سيليكون آن قدر اهميت دارد كه يكي از تحقيقات اخير اينتل و ديگر شركت هاي توليد كننده پردازنده، معطوف توليد شمش هاي سي سانتي متري سيليكون تك بلوري بوده است. در حالي
كه خط توليد شمش هاي بيست سانتي متري سيليكون هزينه اي معادل 5/1 ميليارد دلار در بر دارد، شركت هاي توليد كننده پردازنده ، براي بدست آوردن خط توليد شمش هاي تك بلوري
سيليكون سي سانتي متري، 5/3 ميليارد دلار هزينه مي كنند. موضوع جالب توجه در اين مورد ان است كه تغيير اندازه شمش هاي تك بلوري ، تاكنون سريع تر از يك بار در هر ده سال نبوده است. پس از آنكه يك بلور سيليكوني غول آسا به شكل يك استوانه تهيه گشت، گام بعدي ورقه ورقه بريدن اين بلور است. هر ورقه نازك از اين سيليكون، يك ويفر ناميده مي شود كه اساس ساختار
پردازنده ها را تشكيل مي دهد. در واقع تمام مدارات يا ترانزيستورهاي لازم،بر روي اين ويفر توليد مي شوند. هر چه اين ورقه ها نازك تر باشند،عمل برش بدون آسيب ديدن ويفر مشل تر خواهد
شد. از طرف ديگر اين موضوع به معني افزايش تعداد چيپ هايي است كه ميتوان با يك شمش سيليكوني تهيه كرد. در هر صورت پس از آنكه ويفرهاي سيليكوني بريده شدند.نوبت به صيقل كاري آنها مي رسد. ويفرها آنقدر صيقل داده مي شوند كه سطوح آنها آيينه اي شود. كوچكترين نقص در اين ويفرها موجب عدم كاركرد محصول نهايي خواهد بود. به همين دليل،يكي ديگر از مراحل بسيار دقيق بازرسي محصول در اين مرحله صورت مي گيرد. در اين گام،علاوه بر نقص هاي بلوري كه ممكن است در فرايند توليد شمش سيليكون ايجاد شده باشند، نقص هاي حاصل از فرايند برش كريستال نيز به دقت مورد كنكاش قرار مي گيرند.
پس از اين مرحله،نوبت به ساخت ترانزيستورها بر روي ويفر سيليكوني مي رسد.
براي اين كار لازم است كه مقدار بسيار دقيق و مشخصي از ماده ديگري به درون بلور سيليكون تزريق شود. بدين معني كه بين هر مجموعه اتم سيليكون در ساختار بلوري دقيقا” يك اتم از ماده ديگر قرار گيرد. در واقع در اين مرحله نخستين گام فرايند توليد ماده نيمه هادي محسوب مي شود كه اساس ساختمان قطعات الكترونيك مانند ترانزيستور را تشكيل مي دهد. ترانزيستورهايي كه در پردازنده هاي امروزي به كار گرفته مي شوند،توسط تكنولوژي CMOS توليد مي شوند.CMOS مخخف عبارتComplementary Metal Oxide Semiconductor است . در اينجا منظور از واژه Complementary آن است كه در اين تكنولوژي از تعامل نيمه هادي هاي نوع n و p استفاده مي شود.
بدون آنكه بخواهيم وارد جزئيات فني چگونه توليد ترانزيستور بر روي ويفرهاي سيليكوني بشويم،تنها اشاره مي كنيم كه در اين مرحله، بر اثر تزريق مواد گوناگون و همچنين ايجاد پوشش هاي فلزي
فوق نازك ( در حد ضخامت چند اتم ) در مراحل متعدد، يك ساختار چند لايه اي و ساندويچي بر روي ويفر سيليكوني اوليه شكل مي گيرد. در طول اين فرايند ، ويفر ساندويچي سيليكوني در كوره اي قرار داده مي شود تا تحت شرايط كنترل شده و بسيار دقيق ( حتي در اتمسفر مشخص) پخته مي شود و لايه اي از sio2 بر روي ويفر ساندويچي تشكيل شود. در جديد ترين فناوري اينتل به تكنولوژي 90 نانو متري معروف است، ضخامت لايه sio2 فقط 5 اتم است! اين لايه در مراحل بعدي
دروازه يا Gate هر ترانزيستور واقع در چيپ پردازنده خواهد بود كه جريان الكتريكي عبوري را در كنترل خود دارد ( ترانزيستورهاي تشكيل دهنده تكنولوژي CMOS از نوع ترازيستورهاي اثر ميداني field Efect Transistor:FET ناميده مي شوند. جريان الكتريكي از اتصالي بنام Source به اتصال ديگري به نام Drain جريان مي يابد. وظيفه اتصال سوم به نام Gate در اين ترانزيستور، كنترل و مديريت بر مقدار و چگونگي عبور جريان الكتريكي از يك اتصال به اتصال ديگر است ).
اخرين مرحله آماده سازي ويفر، قرار دادن پوشش ظريف ديگري بر روي ساندويچ سيليكوني است كه photo-resist نام دارد. ويژگي اين لايه آخر همان طور كه از نام آن مشخص مي شود، مقاومت در برابر نور است. در واقع اين لايه از مواد شيميايي ويژه اي ساخته شده است كه اگر در معرض تابش نور قرار گرفته شود، مي توان آن را در محلول ويژه اي حل كرده و شست و در غير اين صورت ( يعني اگر نور به اين پوشش تابانده نشده باشد)، اين پوشش در حلال حل نخواهد شد. فلسفه استفاده از چنين ماده اي را در بخش بعدي مطالعه خواهيد كرد.
ماسك كردن:
اين مرحله از توليد پردازنده ها، به نوعي از مراحل قبلي كار نيز مهم تر است. در اين مرحله عمل فتوليتو گرافي ( photolithography ) بر وروي ويفر ساندويچي انجام مي شود. در واقع آنچه در اين مرحله انجام مي شود آن است كه بر روي ويفر سيليكوني، نقشه و الگوي استنسل مشخصي با استفاده از فرايند فتو ليتو گرافي چاپ مي شود، تا بتوان در مرحله بعدي با حل كردن و شستن ناحيه هاي نور ديده به ساختار مورد نظر رسيد ( از آنجايي كه قرار است نقشه پيچيده اي بر روي مساحت كوچكي چاپ شود، از روش فتو ليتو گرافي كمك گرفته مي شود. در اين روش نقشه مورد نظر در مقياس هاي بزرگتر – يعني در اندازه هايي كه بتوان در عمل آنرا توليد كرد، مثلا” در مربعي به مساحت يك متر مربع – تهيه مي شود.سپس با تاباندن نور به الگو و استفاده از روش هاي اپتيكي، تصوير الگو را بر روي ناحيه بسيار كوچك ويفر مي تاباند. مثلا” الگويي كه در مساحت يك متر مربع تهيه شده بود به تصوير كوچكي در اندازه هاي چند ميليمتر مربع تبديل مي شود!) در اين موارد چند نكته جالب توجه وجود دارد. نخست آنكه الگوها و نقشه هايي كه بايد بر وري ويفر چاپ شوند.
آنقدر پيچيده هستند كه براي توصيف آنها به 10 گيگابايت داده نياز است. در واقع مي توان اين موضوع را به حالتي تشبيه كرد كه در آن قرار است نقشه اي مانند يك شهر بزرگ با تمام جزئيات شهري و ساختماني آن بر روي ويفر سيليكوني به مساحت چند ميلي متر مربع چاپ شود. نكته ديگر آنكه در ساختمان چيپ هاي پردازنده بيش از بيست لايه مختلف وجود دارد كه براي هر يك از آنها لازم است چنين نقشه هايي ليتو گرافي شود. موضوع ديگر بد نيست در اينجا ذكر شود آن است كه همانطور كه از دروس دبيرستاني ممكن است به ياد داشته باشيد. نور در لبه هاي اجسام دچار انحراف از مسير راست مي شود.
پديده اي كه به پراش يا Diffraction معروف است. هر چه لبه هاي اجسامي كه در مسير تابش واقع شده اند،كوچكتر يا ظريف تر باشند،پديده پراش شديدتر خواهد بود . در واقع يكي از بزرگ ترين موانع توليد پردازنده هايي كه در آنها از ساختارهاي ظريف تري استفاده شده باشد، همين موضوع پراكندگي يا تفريق نور است كه باعث مات شدن تصويري مي شود كه قرار است بر روي ويفر چاپ شود . براي مقابله با اين مسئله، يكي از موثرترين روش ها، آن است كه از نوري در عمل فتوليتو گرافي استفاده كنيم كه دارا ي طول موج كوچكتري است( بر اساس اصول اپتيك،هر چه طول موج
نور تابنده شده كوچك تر باشد، شدت پديده پراكندگي نور در لبه هاي اجسام كمتر خواهد بود.) براي همين منظور در توليد پردازنده ها، از نور uv ( ماوراي بنفش ) استفاده مي شود. در واقع براي آنكه بتوان تصوير شفاف و ظريفي در اندازه ها و مقياس آنچناني بر روي ويفرها توليد كرد، تنها طول موج ماوراي بنفش جوابگو خواهد بود. اما اگر بخواهيم در نسل بعدي پردازنده ها، از الگوها ي پيچيده تري استفاده كنيم تكليف چه خواهد بود؟ در تئوري مي توان از تابشي با طول موج كوتاه تر به معني استفاده از نوعي اشعه ايكس است. مي دانيد كه چنين اشعه اي بيشتر از آنكه قادر
باشد تصويري از نقشه مورد نظر بر روي ويفر ايجاد كند، به علت قابليت نفوذ زياد، از تمامي نواحي الگو به طور يكسان عبور خواهد كرد! از موارد فوق بگذريم،پس از آنكه نقشه مورد نظر بر روي ويفر چاپ شود،ويفر در درون محلول شيميايي ويژه اي قرار داده مي شود تا جاهايي كه در معرض تابش واقع شده اند، در آن حل شوند. بدين ترتيب شهر مينياتوري را بروي ويفر سيليكوني تجسم كنيد كه در اين شهر خانه ها داراي سقفي از جنس sio2 هستند ( مكان هايي كه نور نديده اند و در نتيجه لايه مقاوم در برابر حلال مانع از حل شدن (sio2 بوده است).خيابان هاي اين شهر فرضي نواحي كه مورد تابش نور واقع شده اند و لايه مقاوم آن و همچنين لايه sio2 در حلال حل شده اند ) از جنس سيليكون هستند.
تكرار:
پس از اين مرحله، لايه photo-resist باقي مانده از روي ويفر بر داشته مي شود. در اين مرحله ويفري در اختيار خواهيم داشت كه در آن ديواره اي از جنس sio2 در زميني از جنس سيليكون واقع شده اند. پس از اين گام، يكبار ديگر يك لايه sio2 به همراه پلي سيليكون (polysilicon ) بر روي ويفر ايجاد شده و بار ديگر لايه photo-resist جديدي بر روي ويفر پوشانده مي شود.
همانند مراحل قبلي، چندين بار ديگر مراحل تابش نور و در حلال قرار دادن ويفر انجام مي شوند. بدين ترتيب پس از دست يافتن به ساختار مناسب،ويفر در معرض بمباران يوني مواد مختلف واقع
مي شود تا نيمه هادي نوع n و p بر روي نواحي سيليكوني باقي مانده تشكيل شوند. به اين وسيله،مواد مشخصي در مقادير بسيار كم و دقيق به درون بلور سيليكون نفوذ داده مي شوند تا خواص نيمه هادي نوع n و p به دست آيند. تا اينجاي كار، يك لايه كامل از نقشه الكترونيكي ترانزيستوري دو بعدي بر روي ويفر سيليكوني تشكيل شده است. با تكرار مراحل فوق، عملا” ساختار لايه اي سه بعدي از مدارات الكترونيكي درون پردازنده تشكيل مي شود. در بين هر چند لايه، از لايه اي فلزي استفاده مي شود كه با حك كردن الگوها ي مشخصي بر روي آنها به همان
روش هاي قبلي، لايه هاي سيم بندي بين المان ها ساخته شوند. پردازنده هاي امروزي اينتل، مثلا” پردازنده پنتيوم چهار ، از هفت لايه فلزي در ساختار خود بهره مي گيرد. پردازنده AMD Athlon 64 از 9 لايه فلزي استفاده مي كند.
غربال كردن:
توليد ساندويچ هاي پيچيده تشكيل شده از لايه هاي متعدد سيليكون، فلز و مواد ديگر،فرايندي است كه ممكن است روزها و حتي هفته ها به طول انجامد. در تمامي اين مراحل ، آزمايش هاي بسيار دقيقي بر روي ويفر سيليكوني انجام مي شود تا مشخص شود كه آيا در هر مرحله عمليات مربوطه به درستي انجام شده اند يا خير. علاوه بر آن در اين آزمايش ها كيفيت ساختار بلوري و بي نقصي ماندن ويفر نيز مرتبا” آزمايش مي شود. پس از اين مراحل چيپ هايي كه نقص داشته باشند، از ويفر بريده مي شوند و براي انجام مراحل بسته بندي و نصب پايه ها ي پردازنده ها به بخش ها ي ويژه ا ي هدايت مي شوند. اين مراحل واپسين هم داراي پيچيدگي ها ي فني خاصي است. به عنوان مثال پردازنده هاي امروزي به علت سرعت بسيار بالايي كه دارند در حين كار گرم
مي شود. با توجه به مساحت كوچك ويفر پردازنده ها و ساختمان ظريف آنها، در صورتي كه تدابير ويژه اي براي دفع حرارتي چيپ ها انديشيده نشود، گرماي حاصل به چيپ ها آسيب خواهد رساند. بدين معني كه تمركز حرارتي چيپ به حدي است كه قبل از جريان يافتن شار حرارتي به رادياتور خارجي پردازنده، چيپ دچار آسيب خواهد شد. براي حل اين مشكل، پردازنده هاي امروزي در درون خود داراي لايه هاي توزيع دما هستند تا اولا” تمركز حرارتي در بخش هاي كوچك چيپ ايجاد نشود و ثانيا” سرعت انتقال حرارت به سطح چيپ و سپس خنك كننده خارجي، افزايش يابد.
اما چيپ هاي آزمايش شده باز هم براي تعيين كيفيت و كارايي چندين بار آزمايش مي شوند.
واقعيت آن است كه كيفيت پردازنده ها ي توليد شده حتي در پايان يك خط توليد و د ر يك زمان ، ثابت نيست و پردازنده ها در اين مرحله درجه بندي مي شوند! ( مثل ميوه هايي كه در چند درجه از نظر كيفيت طبقه بندي مي شوند.) برخي از پردازنده ها در پايان خط توليد واجد خصوصياتي مي شوند كه مي توانند مثلا” تحت ولتاژ يا فركانس بالاتري كار كنند. اين موضوع يكي از دلايل اصلي تفاوت قيمت پردازنده ها است.
گروه ديگري از پردازنده ها ، دچار نقص در بخش هايي مي شوند كه همچنان آنها را قابل استفاده نگاه مي دارد. به عنوان مثال ، ممكن است برخي از پردازنده ها در ناحيه حافظه نهان ( cache ) دچار نقص باشند. در اين مورد، مي توان به روش هايي بخش هاي آسيب ديده را از مدار داخلي پردازنده خارج ساخت. بدين ترتيب پردازنده هايي به دست مي ايند كه مقدار حافظه نهان كمتري دارند.
بدين ترتيب پردازنده هايي مانند celeron در اينتل و sempron در شركت AMD ، در خط توليد پردازنده هاي Full cache اين شركت ها نيز توليد مي شوند!
