จาก ทราย สู่ CPU (Central Processing Unit)

31 สิงหาคม 2553 (16:26) โพสท์โดย Aun-22

จุดเริ่มต้น ของ CPU

1. ทราย
ทรายสื่งที่พบเห็นได้ทั่วไปตามที่ต่างๆ ในทรายนั้นมีสิ่งต่างๆมากมาย หนึ่งในนั้นคือ ซิลิคอน(Si) ในทรายจะมีซิลิคอนอยู่ประมาณ 25% ซิลิคอนเป็นธาตุที่พบมากเป็นอันดับสองในเปลือกโลก ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของซิลิคอนไดออกไซด์หรือซิลิกา (SIO2) ซิลิกาพบมากในแร่ควอร์ตซ์ และซิลิคอนนั้นเป็นส่วนประกอบขั้นพื้นฐานที่สำคัญในการผลิต Semiconductor

2. ซิลิคอนที่หลอมละลาย
ระดับ: Wafer(แผ่นชิพ)(~300mm/12 นิ้ว)
ซิลิคอนจากทรายหรือควร์อตซ์นั้นจะผ่านการชำระล้างหลายขั้นตอน จนได้ซิลิคอนบริสุทธิ์ที่มีคุณภาพมากพอและเหมาะกับการใช้สำหรับงานด้าน อิเล็กทรอนิกส์(Electronic Grade Silicon) หรือ EGS ใน EGS นั้นจะมีแต่อะตอมของซิลิคอนแต่อาจจะพบอะตอมอื่นๆอยู่บ้าง โดยใน 1 พันล้านอะตอมของซิลิคอน อาจพบ อะตอมอื่นๆแค่ 1 เท่านั้น จากรูป จะเห็นแท่งคริสตัลกำลังก่อตัวขึ้นจากซิลิคอนบริสุทธิ์ที่หลอมละลาย เรียกว่า อิงกัท(Ingot)

.....รูปที่ 2. แท่งคริสตัลกำลังก่อตัวขึ้นจากซิลิคอนบริสุทธิ์ที่หลอมละลาย เรียกว่า อิงกัท(Ingot)

3. อิงกัท
ระดับ: Wafer(แผ่นชิพ)(~300mm/12 นิ้ว)
อิงกัทนั้นทำมาจาก EGS อิงกัท 1 อันนั้น จะหนักประมาณ 100 กิโลกรัม และมีความบริสุทธ์ของซิลิคอน ถึง 99.9999%

.....รูปที่ 3. อิงกัท

4. ตัดอิงกัท
ระดับ: Wafer(แผ่นชิพ)(~300mm/12 นิ้ว)
อิงกัทจะถูกแล่ออกมาเป็นแผ่นบางๆ เรียกว่า Wafer หรือแผ่นชิพ(กินไม่ได้นะคับและไม่ได้เคลือบช็อคโกแลตด้วย)

.....รูปที่ 4. อิงกัทถูกแล่ออกมาเป็นแผ่นๆ

5. Wafer(แผ่นชิพ)ระดับ: Wafer(~300mm/12 นิ้ว)
เจ้าแผ่น Wafer จะถูกขัดจนเงาวับและราบเรียบราวกับกระจก บริษัทอินเทลนั้น ไม่ได้ทำแผ่น Wafer เอง แต่ซื้อมาจากบริษัทอื่น แผ่น Wafer ที่อินเทลใช้ผลิต CPU ในระดับ 45nm อย่าง Core i7 นั้น มีขนาดประมาณ 300 มิลลิเมตร หรือ 12 นิ้ว

.....รูปที่ 5. แผ่น Wafer

6. เคลือบสารไวแสง
ระดับ: Wafer(แผ่นชิพ)(~300mm/12 นิ้ว)
หลังจากได้แผ่น Wafer แล้ว แผ่น Wafer จะถูกเคลือบด้วยสารไวแสง(ของเหลวสีฟ้า)ในขณะที่แผ่น Wafer นั้นกำลังหมุนอยู่ ที่ต้องหมุนแผ่น Wafer เวลาเคลือบ ก็เพื่อความเสมอกันและความบางของชั้นสารไวแสง

.....รูปที่ 6. แผ่น Wafer ถูกเคลือบด้วยสารไวแสง

7. ฉายแสง
ระดับ: Wafer(แผ่นชิพ)(~300mm/12 นิ้ว)
หลังจากนั้น แผ่น Wafer จะถูกนำมาฉายด้วยแสง UV เพื่อพิมพ์วงจรต่างๆ โดยในขั้นตอนนี้จะเหมือนกับเวลาที่เรากดชัตเตอร์ถ่ายรูปด้วยกล้องที่ใช้ ฟิล์ม จากรูป แสง UV จะถูกฉายผ่านแผ่นต้นแบบ(แผ่นฉลุ)ของวงจร ผ่านเลนส์ที่ช่วยย่อขนาดของวงจรให้เล็กลงและฉายลงบนแผ่น Wafer โดยวงจรที่พิมพ์ลงบนแผ่น Wafer นั้นจะมีขนาดเล็กกว่าบนแผ่นต้นแบบประมาณ 4 เท่า

.....รูปที่ 7. ฉายแสง

8. ฉายแสง(ต่อ)
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
ภาพนี้เราขยายเข้ามาในแผ่น Wafer ที่ฉายแสงแล้ว โดยปกติแล้วแผ่น Wafer แผ่นเดียวสามารถสร้าง CPU ได้เป็นร้อยๆตัว แต่จากนี้ไปเราจะโฟกัสแค่ตัวเดียวเท่านั้น และต่อจากนี้ไปจะเป็นการสร้างตัว Transistor โดยนักวิจัยของอินเทลนั้นได้พัฒนาตัว Transistor ให้มีขนาดเล็กมาก เล็กขนาดที่สามารถวาง Transistor 30 ล้านตัว ไว้บนหัวเข็มได้เลยทีเดียว

.....รูปที่ 8. ฉายแสง(ในระดับ Transistor)

9. ล้างสารไวแสง
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
สารไวแสงที่เหนียวเหนอะหนะจะถูกละลายด้วยสารละลาย เพื่อให้ได้วงจรตามแผ่นต้นแบบ

.....รูปที่ 9. ล้างสารไวแสง

10. อิชชิ้ง(Etching)
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
ขั้นตอนนี้เป็นการแกะวงจร โดยใช้สารละลาย สารไวแสงที่เคลือบไว้นั้นจะช่วยป้องกันพื้นที่ๆต้องการไว้ไม่ให้ละลาย และส่วนที่ไม่ต้องการก็จะละลายออกไป โดยการทำอิชชิ้งนี้จะคล้ายกับการกัดกระจกนั้นเอง

.....รูปที่ 10. ขณะทำอิชชิ้ง

11. ลบสารไวแสง
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
หลังจากทำ อิชชิ้ง แล้ว สารไวแสงจะถูกขจัดออกไป สุดท้ายก็จะได้แบบวงจรตามที่ต้องการ พร้อมที่จะทำตัว Transistor ในลำดับต่อ

.....รูปที่ 11. สารไวแสงถูกชำระล้างออกจากตัว Transistor

12. เคลือบสารไวแสง(อีกครั้ง)
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
ตัว Transistor จะถูกฉาบด้วยสารไวแสง(สีฟ้า) อีกครั้งแต่คราวนี้จะฉาบเฉพาะบางที่เท่านั้น และต่อไปจะเป็นการฝังไอออนลงบนแผ่น Wafer

.....รูปที่ 12. เคลือบสารไวแสงอีกครั้ง

13. การฝังไอออน
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
ขั้นตอนนี้จะเป็นการฝังไอออนที่พื้นผิวของแผ่น Wafer เพื่อให้ตัว Transistor มีคุณสมบัติที่ต้องการ โดยการยิงไอออนด้วยความเร็วสูงประมาณ 300,000 km/h เข้าใส่แผ่น Wafer โดยพื้นที่สีเขียวจะได้รับไอออน แต่พื้นที่สีฟ้าจะไม่ได้รับไอออน เพราะมีสารไวแสงปกป้องไว้

....รูปที่ 13. ขณะฝังไอออน

14. ลบสารไวแสง
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
หลังจากฝังไอออนเรียบร้อยแล้ว สารไวแสงก็จะถูกลบออกไป

.....รูปที่ 14. สารไวแสงถูกล้างออกไป

15. พร้อมแล้วสำหรับ Transistor
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
ต่อมาตัว transistor จะถูกเคลือบด้วยชั้นฉนวน(สีม่วงแดง) โดยในชั้นฉนวนนั้นจะมีช่อง 3 ช่องไว้สำหรับใส่ทองแดงในลำดับต่อไป โดยทองแดงจะทำหน้าเป็นตัวเชื่อมต่อกับ Transistor ตัวอื่นๆ

.....รูปที่ 15. ตัว Transistor ที่ใกล้เสร็จสมบูรณ์

16. Electroplating (ชุบโลหะด้วยไฟฟ้า)
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
ในขั้นตอนนี้แผ่น Wafer จะถูกชุบด้วยสารละลาย Copper Sulphate โดยตัว ไอออนของทองแดงจะถูกวางไว้เหนือตัว Transistor และไอออนของทองแดงจะวิ่งจากขั้ว+ (Anode) ไปหาขั้ว-(Cathode)

.....รูปที่ 16. กำลังชุบ Transistor

17. เสร็จสิ้นการทำ Electroplating
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
หลังจากเสร็จขั้นตอน Electroplating ผิวหน้าของแผ่น Wafer จะเต็มไปด้วยชั้นบางๆของไอออนทองแดง (สีครีม) รวมไปถึง ช่อง 3 ช่องที่เจาะไว้ก่อนหน้านี้

.....รูปที่ 17. Transistor หลังทำ Electroplating

18. ขัดๆถูๆ
ระดับ: Transistor(~50-200nm)
ส่วนของพื้นนผิวที่เกินมาก็จะถูกขัดออกไป

.....รูปที่ 18. ชั้นไอออนของทองแดงที่เกินมาถูกขัดออกไป

19. ชั้นโลหะ
ระดับ: Transistor(Transistor 6 ตัวต่อกัน~500nm)

หลังจากได้ตัว Transistor แล้ว ก็มาถึงขั้นตอนการเชื่อมต่อ Transistor แต่ละตัวเข้าด้วยกัน โดยชั้นโลหะทองแดง(เส้นๆสีครีม) จะทำหน้าที่เชื่อมต่อ Transistor เข้าด้วยกัน(ในรูป Transistor 6 ตัว ถูกต่อเข้าด้วยกัน) แต่จะถูกเชื่อมต่อแบบไหนนั้น ก็ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมและทีมผู้ออกแบบ ว่า CPU นี้จะมีคุณสมบัติแบบไหนบ้าง ตัว Chip ของคอมพิวเตอร์นั้นเราอาจจะคิดทำไมมันบางจังแต่จริงๆแล้ว Chip ตัวนั้นอาจจะมีชั้นต่างๆมากกว่า 20 ชั้นด้วยกันเสร็จจากขั้นตอนนี้เราก็จะได้แผ่น Wafer ที่เต็มไปด้วย Die หลายร้อยตัว

ดังภาพ

.....รูปที่ 19. เชื่อมต่อ Transistor เข้าด้วยกัน...........รูปที่ 19.1. แผ่น Wafer ของ Intel(i7)...........รูปที่ 19.2. แผ่น Wafer ของ AMD

20. ทดสอบแผ่น Wafer
ระดับ: Die (~10 mm / ~0.5 นิ้ว)
ขั้นตอนต่อมาก็คือ การทดสอบการทำงานของ Chip ทุกตัวบนแผ่น Wafer โดยตัวทดสอบจะดูการทำงานและการตอบสนองของ Chip นั้น ว่าให้คำตอบที่ถูกต้องเพียงใด

.....รูปที่ 20. ทดสอบแผ่น Wafer

21. ตัดแผ่น Wafer
ระดับ: Wafer(แผ่นชิพ)(~300mm/12 นิ้ว)
หลังจากผ่านการทดสอบแผ่น Wafer แล้ว ก็มาถึงขั้นตอนการตัดแผ่น Wafer ออกมาเป็นชิ้นๆ หรือที่เรารู้จักกันดีว่า Die

.....รูปที่ 21. ตัดแผ่น Wafer

22. หา Dies ที่ไม่สมบูรณ์
ระดับ: Wafer(แผ่นชิพ)(~300mm/12 นิ้ว)
Die ที่สอบผ่านก็จะถูกส่งไป สู่ขั้นตอนต่อไป (Packaging) Dies ที่สอบตกก็คงจะถูกเธอทิ้ง

.....รูปที่ 22. หา Dies ที่ไม่สมบูรณ์

23. Die เดี่ยวๆ ที่เดียวดาย
ระดับ: Die (~10 mm / ~0.5 นิ้ว)
Die ของ i7 ที่ถูกตัดออกมา

.....รูปที่ 23. Die ของ i7

24. ประกอบร่าง
ระดับ: บรรจุภัณฑ์(~20 mm / ~1 นิ้ว)
ตัว Substrate, Die และ ตัวกระจายความร้อน จะถูกนำมาประกอบเข้าด้วยกัน กลายเป็น CPU ที่เราใช้กัน

.....รูปที่ 24. ประกอบตัว CPU

25. โพรเซสเซอร์
ระดับ: บรรจุภัณฑ์(~20 mm / ~1 นิ้ว)
หลังจากประกอบเสร็จก็จะกลายเป็น CPU ที่สมบูรณ์ (รูปข้างต้นนั้นเป็นรูปของ i7) แต่ยังไม่พร้อมใช้ ยังเหลือขั้นตอนอีกนิดหน่อยการผลิต CPU นั้นเป็นอุตสาหกรรมที่มีความสลับซับซ้อนมากที่สุดในโลกเลยทีเดียว จะต้องผ่านขั้นตอนต่างๆนาๆ หลายร้อยขั้นตอน กว่าจะมาเป็น CPU ที่เราใช้กัน

.....รูปที่ 25. CPU

26. ทดสอบแยกประเภท
ระดับ: บรรจุภัณฑ์(~20 mm / ~1 นิ้ว)
เมื่อประกอบเสร็จเรียบร้อย ต่อมาก็เป็นการทดสอบหาคุณสมบัติเฉพาะ ของ CPU ในแต่ละตัว เช่น มีความเร็วเท่าไหร่ ใช้พลังงานเท่าไหร่

.....รูปที่ 26. ทดสอบคุณสมบัติ

27. แบ่งรุ่น
ระดับ: บรรจุภัณฑ์(~20 mm / ~1 นิ้ว)
ทดสอบเสร็จแล้ว ก็จัด CPU ที่มีคุณสมบัติเหมือนกันไว้ด้วยกัน และพร้อมใช้งาน พูดง่ายๆก็คือจัดรุ่นเดียวกันไว้ด้วยกัน

.....รูปที่ 27. แบ่งรุ่น CPU

28. บรรจุกล่องพร้อมใช้
ระดับ: บรรจุภัณฑ์(~20 mm / ~1 นิ้ว)
CPU ที่จัดหมวดหมู่แล้วก็จะส่งไปตามโรงงานต่างๆ ในแบบถาด หรือ แบบกล่อง ที่ส่งไปตามร้านต่างๆ และจากร้านก็สู่มือเราๆท่านๆ นำไปใช้กัน

.....รูปที่ 28. บรรจุลงกล่องส่งขาย

เป็นไงบ้างครับกับกระบวนการผลิต CPU จาก ทรายธรรมดาๆ ที่พบเห็นได้ทั่วไป กลายเป็น อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ ที่สำคัญ จริงๆแล้วขั้นตอนการผลิตมีเป็นร้อย แต่สรุปสั้นๆ ก็มี 28 ขั้นตอน ผิดพลาดประการใดก็ขออภัย ตรงไหนไม่ถูกต้องโปรดชี้แนะด้วยครับ เพราะศัพท์ทางเทคนิคเยอะพอควร ส่วนเพื่อนๆบางคนอ่านแล้วงงนี้ คงเป็นเพราะผมเรียบเรียงไม่ค่อยดีเท่าไหร่ เหอๆ และหากเจอ สาระดีๆอีกจะนำมาแปลให้อ่านกันอีกทีครับ สวัสดีครับ