วิธีสร้าง CPU แบบดูเป็นภาพ
(blog.robertelder.org)- ติดตามภาพรวมทั้งหมดของการเปลี่ยน วัตถุดิบซิลิคอน ที่เริ่มจากหินและทราย ให้กลายเป็น CPU ผ่านเวเฟอร์ โฟโตลิโทกราฟี การกัด และการแพ็กเกจจิง
- วัตถุดิบถูกทำให้บริสุทธิ์จาก ซิลิคอนไดออกไซด์ ราว 98% ไปเป็นซิลิคอนไดออกไซด์ 99.9% และโพลีซิลิคอน 99.9999999% ก่อนจะหลอมที่ 1698 °K และเติบโตเป็นผลึกเดี่ยว
- ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่ถูกตัดเป็นแผ่นบางจะกลายเป็นเวเฟอร์ และมีการสร้างลวดลายวงจรบนผิวผ่านกระบวนการ โดปปิง และโฟโตเรซิสต์·โฟโตมาสก์
- โครงสร้างชิปจริงถูกสร้างขึ้นแบบซ้อนทับซ้ำ ๆ ผ่านขั้นตอนอย่างเอพิแทกซี การโดปปิงแบบแพร่ ชั้นเดินสายทองแดง การขัดเชิงกลเคมี การฉายแสง และ การกัดด้วยกรด
- การผลิต CPU สมัยใหม่ซับซ้อนกว่านี้มาก และรายละเอียดองค์ประกอบทางเคมีก็เป็นความลับทางการค้า อีกทั้งสารเคมีจริงยังอันตราย จึงไม่ควรลองทำ วงจรรวม เลียนแบบในอพาร์ตเมนต์
จากหินสู่ซิลิคอนความบริสุทธิ์สูง
- จุดเริ่มต้นคือ หิน และเมื่อบดแล้วจะเข้าสู่ขั้นตอนที่ได้ซิลิคอนไดออกไซด์ความเข้มข้นประมาณ 98%
- ซิลิคอนไดออกไซด์จะถูกทำให้บริสุทธิ์เป็น 99.9% ก่อน แล้วจึงทำให้บริสุทธิ์ต่อเป็นโลหะโพลีซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์ 99.9999999%
- อินกอตโพลีซิลิคอนถูกใส่ในเบ้าหลอมและให้ความร้อนจนถึง 1698 °K เพื่อให้ละลาย
- ไม่ควรพยายามหลอมซิลิคอนด้วยเตาอบในครัว
การเติบโตของผลึกเดี่ยวและการทำเวเฟอร์
- นำ เมล็ดผลึกเดี่ยว ขนาดเล็กจุ่มลงในซิลิคอนหลอมเหลว แล้วค่อย ๆ ดึงขึ้นอย่างช้า ๆ ระหว่างที่มันเย็นตัวลง เพื่อสร้างผลึกเดี่ยวซิลิคอนบริสุทธิ์
- สำหรับหัวข้อที่เกี่ยวข้อง ดู Boule) และ Czochralski Method
- อย่าเอามือลงไปในซิลิคอนหลอมเหลว
- ผลึกเดี่ยวซิลิคอนที่ได้จะถูกตัดเป็นแผ่นบาง ๆ กลายเป็น ซิลิคอนเวเฟอร์
- เวเฟอร์ที่เพิ่งตัดใหม่สามารถ โดปปิง แบบเลือกได้ด้วย Boron, Phosphorus หรือโดปันต์ชนิดอื่น
- มีคำอธิบายแนบว่า เนื่องจากไม่ได้ซื้อธาตุ Phosphorus มาโดยตรง จึงขอให้นึกภาพจากไม้ขีดไฟแทน
โฟโตลิโทกราฟีและการกัด
- บนเวเฟอร์จะมีการเคลือบ โฟโตเรซิสต์
- ฉายเลเซอร์ผ่านมาสก์ควอตซ์สำหรับโฟโตลิโทกราฟีที่สลักลวดลายวงจรที่ต้องการด้วยการกัดโครเมียม เพื่อฉายลวดลายวงจรลงบนเวเฟอร์
- โฟโตเรซิสต์บนผิวเวเฟอร์จะเปลี่ยนแปลงทางเคมีตาม ตำแหน่งเงา ที่โฟโตมาสก์สร้างขึ้น
- โฟโตเรซิสต์แบบบวกและแบบลบมีวิธีตอบสนองต่างกัน
- หลังจากนั้นจึงล้างลายโฟโตเรซิสต์ออก และ กัด ส่วนของเวเฟอร์ที่ถูกเปิดออกด้วย กรด
การสร้างโครงสร้างชิปและการแพ็กเกจจิง
- เพื่อสร้างโครงสร้างที่ต้องการบนเวเฟอร์ จะต้องทำหลายกระบวนการ ซ้ำแล้วซ้ำอีกนับครั้งไม่ถ้วน
- โฮโมเอพิแทกซี, เฮเทอโรเอพิแทกซี, ซูโดเอพิแทกซี
- การโดปปิงแบบแพร่
- ชั้นเดินสายทองแดง
- การขัดเชิงกลเคมี
- การเคลือบโฟโตเรซิสต์
- การกัดด้วยกรด
- การฉายแสงผ่านโฟโตมาสก์
- ซิลิคอนเวเฟอร์ที่เสร็จสมบูรณ์จะถูกตัดออกเป็นหลายชิ้น กลายเป็น ซิลิคอนได
- ก่อนการแพ็กเกจจิง ต้องหาตำแหน่งแพดบนซิลิคอนได และสามารถติด bond wire หรือใช้ วิธีฟลิปชิป ที่ใช้ในโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ได้
- bond wire หรือลูกบอลบัดกรีจะเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างขาของแพ็กเกจชิปกับแพดบนซิลิคอนได
- หากต้องการดูภายในของ Intel CPU จริงเพิ่มเติม สามารถดู CPUs Are Smaller Than You Think
ความซับซ้อนของการผลิตจริงและคำเตือนด้านความปลอดภัย
- กระบวนการผลิต CPU สมัยใหม่มีความ ซับซ้อนกว่าและไม่ชัดเจนกว่า คำอธิบายแบบภาพนี้มาก
- ชิปรุ่นใหม่มักเปลี่ยนวิธีสร้างโครงสร้างบนเวเฟอร์ และการเปลี่ยนแปลงก็ไม่ได้จำกัดอยู่แค่การย่อขนาดฟีเจอร์เท่านั้น
- มีการละเว้นเทคนิคทั่วไปและขั้นตอนสำคัญไว้มากมาย และรายละเอียดอย่างองค์ประกอบทางเคมีหรือความเข้มข้นที่แน่นอนก็มีความ เป็นกรรมสิทธิ์สูง จึงยากที่จะอธิบายกันอย่างเปิดเผยบน HackerNews หรือ Reddit
- หลายขั้นตอน เช่น การจัดหาซิลิคอนและการทำให้บริสุทธิ์ มักมีวิธีที่ใช้กันจริงมากกว่าหนึ่งแบบ
- คำค้นสำหรับศึกษาต่อ ได้แก่ “Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication”, “Lithographic Metrology”
- ฟีเจอร์ระดับนาโนเมตรที่ล้ำสมัยเข้าถึงได้ยากสำหรับนักทำของอดิเรก แต่การทำชิปสมัครเล่นในระดับไมครอนก็ดูเหมือนจะพอเป็นไปได้ทีเดียว
- ผู้เขียนไม่ได้ลองทำเอง และแนะนำให้ดูช่อง YouTube ของ Sam Zeloof
- ‘โฟโตเรซิสต์’ และ ‘น้ำยาล้างลาย’ ในวิดีโอเป็นอุปกรณ์ประกอบฉากที่มีสี ส่วนสารเคมีจริงมัก เป็นอันตราย
- การผลิตวงจรรวมจริงควรทำเฉพาะเมื่อมีอุปกรณ์ป้องกันความปลอดภัยที่เหมาะสม และอยู่ในพื้นที่ที่มีการระบายอากาศดีหรือมีตู้ดูดควันเท่านั้น และไม่ควรพยายามทำแบบเดียวกันในอพาร์ตเมนต์
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
ตอนนี้ผมมีความฝันอย่างหนึ่งแล้ว ถึงจะไม่เจ๋งเท่าความฝันของคนอื่น แต่มันก็เป็นความฝันของผม
ผมอยากทำคอร์สหรือชุดบทเรียนต่อเนื่องที่ว่าด้วยกระบวนการสร้างโลกขึ้นมาใหม่ แบบที่ค่อย ๆ ทำกับเด็ก ๆ ได้
มันทำให้นึกถึงหนังสืออย่าง "The Knowledge" และแหล่งข้อมูลที่เกี่ยวข้อง แต่หลังจากได้ลองทำอะไรอย่างการสร้างเซ็กซ์แทนต์ด้วยตัวเองเพื่อวัดเส้นรอบวงโลก ก็เริ่มรู้สึกว่าการไปไกลถึงขั้นสร้าง CPU ทำเอง สำหรับรันภาษาของตัวเองนั้นอาจเป็นไปได้จริง ทั้งที่ก่อนหน้านี้ไม่เคยคิดเลย
เราสามารถเริ่มจากไฟ ไปจนถึงระบบสุริยะ ปูนขาว และต่อเนื่องไปถึง CPU ได้ โลกที่เราอาศัยอยู่นั้นซับซ้อนอย่างมาก แต่ก็เป็นโลกที่เราสร้างขึ้นใหม่ได้เช่นกัน
ให้ความรู้สึกเหมือนได้แรงบันดาลใจจากประโยคที่ Feynman เขียนไว้บนกระดานว่า “สิ่งใดที่ฉันสร้างขึ้นใหม่ไม่ได้ แสดงว่าฉันยังไม่เข้าใจมัน”
http://the-knowledge.org/en-gb/
https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
ช่อง YouTube Primitive Technology ก็น่าดูมาก
https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
ผมเคยไปเวิร์กช็อปของ Marcin อยู่หลายครั้ง ถ้ามีอะไรสงสัยก็ถามได้ CollapseOS ก็เกี่ยวข้องเหมือนกัน
ผมสนใจมันในมุมของสถานการณ์ฟื้นฟูหลังภัยพิบัติด้วย และเพิ่งเริ่มเข้าสู่วงการวิทยุสมัครเล่น ซึ่งมันดูคล้ายชุมชนที่พยายามสร้างการสื่อสารกลับขึ้นมาใหม่เมื่อทุกอย่างล้มเหลว
วิธีเริ่มน่าจะเป็นการไล่ย้อนขั้นตอนการผลิตเพื่อดูว่าต้องมีอะไรบ้าง แล้วสร้างเป็น dependency tree จากตรงนั้น
ตัวอย่างเช่น คู่มือสร้าง CPU ต้องพึ่งการใช้สารเคมีบางชนิด ก็ต้องอธิบายต่อว่าหาสารเคมีนั้นได้อย่างไร และจะสร้างอุปกรณ์ที่ทำให้ได้สารเคมีนั้นอย่างไร สุดท้ายก็ต้องไล่ลงไปถึงขั้นได้มาซึ่งวัตถุดิบด้วยเครื่องมือและกระบวนการแบบดั้งเดิม
https://www.howtoinventeverything.com/
ถ้าสนใจเรื่อง optics และ photolithography ขอแนะนำ Huygens Optics บน YouTube ผู้สร้างชื่อ Jeroen ทุ่มเทกับหัวข้อนี้มากจริง ๆ
กระบวนการของ Jeri ดูหยาบพอสมควรเมื่อเทียบกับแล็บของ Sam
[0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
[1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM
ผมค่อนข้างสงสัยกับขั้นตอนที่ 15 เมื่อก่อนผมเคยทำงานที่ สถาบันวิจัยในอดีตกลุ่มโซเวียต ที่ผลิตชิปช่วงต้นยุค 90 เท่าที่จำได้ การกัดลายเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงราว ๆ 1200°C โดยปล่อยก๊าซตระกูลคลอรีนไหลผ่านเหนือเวเฟอร์
อุณหภูมินั้นสร้างด้วย induction heating โดยป้อนกระแสสลับ 8kHz เข้าไปในขดลวดทองแดงระบายความร้อนด้วยน้ำ เครื่องกำเนิดเป็นแบบกลไก และเพราะเสียงดังมากจึงต้องวางเป็นเครื่องขนาดใหญ่ระบายความร้อนด้วยน้ำไว้ในชั้นใต้ดิน การรั่วก็เกิดบ่อย ซึ่งเป็นอีกเหตุผลที่ต้องไว้ใต้ดิน
หน้าที่ของผมคือดูแลบำรุงรักษาอุปกรณ์ให้ความร้อนและเปลี่ยนไปใช้เครื่องกำเนิดแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ thyristor เรียกได้ว่าเกือบเป็นทั้งวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์และช่างประปาในคนเดียว
ขั้นตอนที่ 15 ในบทความแสดงการกัดด้วยกรดหรือการกัดเคมีแบบเปียก
ผมไม่ค่อยรู้ข้อดีข้อเสียของแต่ละแบบนัก แต่ทั้งสองวิธีก็ถูกใช้มาแล้วจริงในฐานะวิธีที่ใช้ได้สำหรับกัดลายวงจร
สำหรับคนที่ชอบอ่านคอมเมนต์ก่อน: บทความนี้พูดถึงการผลิตสารกึ่งตัวนำ ไม่ใช่ computer architecture
รูปอ้างอิง: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
มี CPU งานอดิเรกที่ใช้งานได้จำนวนมากซึ่งถูกสร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยีที่เข้าถึงง่ายกว่ามาก เช่น รีเลย์ หลอดสุญญากาศ ทรานซิสเตอร์แยกชิ้น หรือ logic gate IC โดยพื้นฐานแล้ว อะไรก็ตามที่ทำหน้าที่เป็นหนึ่งในเกตลอจิกอเนกประสงค์อย่าง NAND หรือ XOR ได้ ก็สามารถเป็นองค์ประกอบของ CPU ได้
บทความนี้ส่วนใหญ่เป็นเรื่องการสร้าง silicon wafer มากกว่า ส่วนกระบวนการที่เหลือว่าจะทำในแล็บที่บ้านอย่างไร วิดีโอนี้แสดงละเอียดกว่า: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
บล็อกอยู่ที่นี่: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/
มันทำให้นึกถึงไฟล์ข้อความ “วิธีสร้างระเบิดปรมาณูด้วยตัวเอง” ที่เคยเห็นบน BBS ในยุค 1990 ขั้นแรกประมาณว่า “หา plutonium เกรดอาวุธมา 50 ปอนด์”
อารมณ์เหมือนคุณสามารถเดินไปที่ร้านขายของทหารปลดประจำการแถวบ้านแล้วซื้อยกกล่องกลับมาได้ และถึงตรงนั้นก็ค่อนข้างชัดแล้วว่าทั้งหมดเป็นมุกตลก
https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
อะไรคือความต่างหลักระหว่าง CPU ปัจจุบันกับ CPU เมื่อ 20 ปีก่อน? เราใส่ทรานซิสเตอร์ได้มากขึ้นในพื้นที่เล็กลงก็จริง แต่ clock speed กลับแทบไม่ไปไหน
นวัตกรรมทั้งหมดอยู่ที่ pipeline กับ branch prediction อย่างเดียวหรือเปล่า?
เมื่อกี้ผมเพิ่งดู Outlander แล้วก็คิดว่าถ้าผมย้อนเวลากลับไปได้ จะเอาคุณค่าอะไรกลับไปได้บ้าง ดีที่ตอนนี้ผมได้กวาดตาบทความนี้แล้ว งั้นผมคงสร้างคอมพิวเตอร์ได้แล้ว :)
มันใกล้เคียงกับ การผลิตชิป มากกว่าจะเป็น CPU แต่ก็ยังเจ๋งมากอยู่ดี การทำ ingot เองนี่ระดับบ้าคลั่งจริง ๆ
อยากให้แตกขั้นตอนที่ 16 ออกย่อยกว่านี้มาก ๆ แล้วอธิบายว่าการสร้างโครงสร้างแต่ละอย่างทำอย่างไรในสไตล์ ELI5 แบบเข้าใจง่ายนี้