CPU چگونه ساخته می‌شود؟

لیتوگرافی نوری چیست؟

لیتوگرافی نوری یا فتولیتوگرافی (Optical Lithography) یک فرآیند کلیدی در تولید مدارهای یکپارچه (Integrated Circuits - ICs)، اسکنرهای فیلم، نمایشگرهای مایع و سایر تکنولوژی‌های مرتبط است. این فرآیند از ترکیب دو عنصر اصلی، یعنی نور و ماسک (یا قالب) استفاده می‌کند تا الگوهای مورد نظر را بر روی سطحی مشخص اعمال کند. لیتوگرافی نوری به این صورت کار می‌کند که ابتدا طراحی ماسک انجام می‌شود. در ابتدا، یک ماسک (یا قالب) با الگوهای مورد نظر برای تولید ساخته می‌شود. طراحی ماسک شامل استفاده از نرم‌افزارهای طراحی است که الگوهای دقیق را بر اساس نیازهای فرآیند ساخت ایجاد می‌کند. در ادامه نوبت به پوشش‌دهی می‌رسد. سطحی که می‌خواهیم الگوها را بر روی آن اعمال کنیم، با یک لایه نازکی از ماده آشنا به نور پوشانده می‌شود. این لایه معمولا یک رزین حساس به نور است که در برابر نور تغییر شیمیایی ایجاد می‌کند. ماسکی که با الگوهای طراحی شده ساخته شده است، بر روی لایه حساس به نور قرار می‌گیرد. نور به وسیله یک منبع نوری به ماسک تابانده می‌شود و الگوها را بر روی لایه حساس به نور پخش می‌کند. در نتیجه، الگوهای ماسک بر روی لایه حساس به نور اعمال می‌شوند.

پس از اعمال الگوها، فرآیند تقویت انجام می‌شود. در این مرحله، لایه حساس به نور تحت تاثیر حرارت یا مواد شیمیایی قرار می‌گیرد تا الگوهای اعمال شده تقویت شده و پایدار شوند. در برخی از فرآیندهای لیتوگرافی، پس از تقویت الگوها، یک مرحله تخلخل (Porosity) انجام می‌شود. در این مرحله، بخش‌های غیرمورد نیاز از لایه حساس به نور حذف می‌شوند تا فقط الگوهای مورد نظر باقی بمانند. مراحل یاد شده، یک طرح کلی از فرآیند لیتوگرافی نوری است، به طوری که در عمل جزئیات بیشتر و مراحل دقیق‌تری وجود دارند که بسته به فرآیند و تکنولوژی مورد استفاده متفاوت هستند.

مشکلات لیتوگرافی نوری در مقیاس نانو

لیتوگرافی نوری در مقیاس نانو با مشکلاتی مختلفی روبرو است. اولین مورد کاهش دقت است. با کاهش اندازه المان‌ها و الگوها در مقیاس نانو، دقت لیتوگرافی نوری نیز کاهش می‌یابد که ممکن است باعث ایجاد خطاهایی در ساختارهای نانویی شود و باعث کاهش کارایی و عملکرد تجهیزات الکترونیکی شود. با کاهش اندازه المان‌ها، محدودیت‌های نوری مانند پراکندگی نور بیشتر می‌شود. این موضوع باعث می‌شود که نور به طور ناخواسته در اطراف المان‌ها پراکنده شده و دقت الگوی لیتوگرافی را کاهش دهد. در لیتوگرافی نوری، استفاده از ماسک‌های تک بعدی (2D) استاندارد است. اما در مقیاس نانو، پدیده‌هایی مانند انکسار نور و تداخل میان نورها باعث می‌شود که ماسک‌های ساده دو بعدی دقت کافی نداشته باشند. برای حل این مشکل، استفاده از ماسک‌های سه بعدی (3D) ضروری است که پیچیده‌تر و هزینه‌برتر هستند. در فرآیند لیتوگرافی نوری، استفاده از مواد حساس به نور برای ایجاد الگوها استفاده می‌شود. اما در مقیاس نانو، مواد حساس به نور به مواد شیمیایی بهبود یافته‌ای نیاز دارند تا بتوانند با اندازه‌های کوچکتر و فناوری‌های پیشرفته‌تر سازگار شوند. لیتوگرافی نوری در مقیاس نانو هزینه‌بر است و نیاز به تجهیزات پیچیده و قدرتمند دارد. همچنین، با کاهش اندازه المان‌ها، تعداد مراحل و پیچیدگی فرآیند لیتوگرافی نیز افزایش می‌یابد که هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. این مشکلات، باعث شده‌اند تا نیازمند روش‌های جدید و پیشرفته‌تری مانند لیتوگرافی اشعه EUV lithography  برای ساختارهای نانویی باشیم. این روش‌ها با استفاده از طول موج کوتاهتر نور (معمولا اشعه ایکس فرابنفش) و فناوری‌های پیشرفته‌تر در ماسک‌سازی و مواد حساس به نور، مشکلات لیتوگرافی نوری در مقیاس نانو را به حداقل می‌رسانند. این روش‌ها به دقت بیشتر، تفکیک الگوها بهتر و افزایش کارایی ساختارهای نانویی کمک می‌کنند.

بسته‌بندی CPU 

فرآیند بسته‌بندی CPU به حالتی گفته می‌شود که تراشه سیلیکونی ظریف به یک PCB  سرنام (Printed Circuit Board) که ما عمدتا تحت عنوان CPU آن‌را می‌شناسیم متصل می‌شود. به بیان دقیق‌تر، بسته‌بندی CPU شامل قرار دادن تراشه سیلیکونی درون یک محفظه محافظتی و اتصال آن به PCB است. این فرآیند به این صورت انجام می‌شود که ابتدا فرآیند قالب‌بندی و طراحی محفظه انجام می‌شود. به طوری که یک محفظه (package) برای قرار دادن تراشه سیلیکونی طراحی می‌شود. این محفظه معمولا از مواد مقاوم بوده و هدایت حرارت خوبی بالایی دارند، مانند سرامیک یا پلاستیک ویژه. طراحی محفظه باید با توجه به اندازه و شکل تراشه سیلیکونی و اتصالات مورد نیاز بر روی PCB انجام شود. مرحله بعد نوبت به قرار دادن تراشه در محفظه می‌رسد. تراشه سیلیکونی دقیقا درون محفظه قرار داده می‌شود. این محفظه محافظتی و عایقی برای تراشه ایجاد می‌کند و از آسیب دیدن تراشه در اثر ضربه، گرد و غبار و رطوبت جلوگیری می‌کند. پس از قرار دادن تراشه در محفظه، پایه‌های تراشه به پین‌های متناظر بر روی PCB متصل می‌شوند. این اتصالات معمولا با استفاده از فناوری wire bonding یا با استفاده از فناوری SMT سرنام (Surface Mount Technology) که شامل استفاده از مهره‌های خاص بر روی PCB است، انجام می‌شود. در مرحله بعد نوبت به اتصال حرارتی می‌رسد که یک لایه حرارتی (heat spreader) روی محفظه قرار داده می‌شود تا حرارت تولید شده توسط تراشه بهتر منتقل شود و از گرم شدن زیاد تراشه جلوگیری کند. این لایه معمولا از موادی با انتقال‌دهندگی بالای حرارتی مثل مس یا آلومینیوم تشکیل شده است. پس از بسته‌بندی و اتصال تراشه به PCB، مراحل تست و بررسی انجام می‌شود تا عملکرد درست CPU اطمینان حاصل شود. این تست‌ها شامل بررسی اتصالات، عملکرد الکتریکی و عملکرد حرارتی می‌شوند. در نهایت، با تکمیل مراحل یاد شده، CPU آماده استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی می‌شود. بسته‌بندی مناسب CPU اهمیت زیادی دارد، زیرا محافظت از تراشه سیلیکونی در برابر آسیب‌های محیطی، بهبود حرارت‌دهی و اتصالات موثر با PCB باید با بالاترین دقت ممکن انجام شود.

CPU چگونه ساخته می‌شود؟

با توجه به توضیحاتی که ارائه کردیم اکنون می‌توانیم فرآیند ساخت پردازنده مرکزی را به شکل ساده و به دور از پیچیدگی‌های فنی شرح دهیم. به طور کلی فرآیند ساخت پردازنده‌های مرکزی کامپیوترها به این صورت است که ابتدا یک تیم طراحی مهندسی کامپیوتر و مهندسان معماری سخت‌افزار طراحی مفهومی و سطح بالای CPU را انجام می‌دهند. آنها مشخص می‌کنند که پردازنده مرکزی چگونه باید کار کند، چه نوع عملیات‌ها و واحدهای پردازشی را انجام دهد و چگونه ارتباط با سایر قطعات سیستم مانند حافظه و دستگاه‌های ورودی/خروجی را برقرار کند.

پس از طراحی اولیه، مدارها و ساختار پردازنده مرکزی با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی آزمایش‌ها و بررسی‌های فنی انجام می‌شود. در این مرحله، کارایی، قدرت مصرفی، دما، و قابلیت اطمینان پردازنده مرکزی تحت شرایط مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد. بعد از تایید طراحی، چاپی تک تک مدارات موجود در پردازنده مرکزی تولید می‌شود. این مرحله شامل استفاده از فناوری‌های پیشرفته ساخت مدار یکپارچه (Integrated Circuit - IC) است. این فناوری شامل تولید لایه‌های نازک سیلیکون است که مدارهای الکتریکی را درون آن قرار می‌دهد. پس از اتمام فاز چاپ، آزمون‌های بسیار دقیقی انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که عملکرد آنها درست است. این آزمون‌ها شامل تست‌های الکتریکی و عملکردی می‌شوند. پس از تست و تایید، نمونه اولیه به بخش ساخت تراشه‌ و مراحل مونتاژ می‌روند. در این مرحله، نمونه اولیه در کارخانه به مرحله تولید انبوه رسیده  و سایر بخش‌های فنی آن کامل می‌شود.