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 که من در این مقاله قصد دارم این مراحل را عنوان کنم. 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. پس کمربند خود را ببندید و در این سفر با ما همراه باشید...

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- 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- 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- 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- 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.

در شکل زیر، یک ویفر صیقل داده شده را مشاهده می نمایید.
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- 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 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- 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- 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- بعداز کنده کاری (Photo Resist)PR برداشته شده و شکل مطلوب آن پدیدار 
می شود (مطابق شکل)

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- 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- 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- 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- 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- در نهایت یون های مس، به شکل یک لایه نازک بر روی سطح ویفر نشست می کنند.
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- 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 ااین 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- 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- 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- 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- 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.

نمای Die پردازنده Core i7 از نمایی دیگر.
در شکل بعد دیاگرام Die یک پردازنده Core 7 را مشاهده می کنید.

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- 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- در طول مرحله پایانی تست، ویژگی های کلیدی پردازنده تست می شوند (ویژگی های مهمی مانند اتلاف قدرت، حداکثر فرکانس و غیره) .

27- با توجه به نتایج تستها و همچنین مدل و قابلیت پردازنده آنها در جعبه های مخصوص به خود جهت حمل و نقل قرار می گیرند. 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- 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.♦♣☺☺♣♦