Cách chế tạo CPU qua hình minh họa

 (blog.robertelder.org)
1 điểm bởi GN⁺ 2023-10-23 | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Theo dõi bằng hình minh họa toàn bộ quy trình trong đó nguyên liệu silicon, bắt đầu từ đá và cát, được biến thành CPU qua các bước wafer, quang khắc, khắc ăn mòn và đóng gói
  • Nguyên liệu được tinh chế từ silic dioxide ở mức khoảng 98% lên silic dioxide 99,9%, rồi polysilicon 99,9999999%, sau đó được nung chảy ở 1698 °K và phát triển thành đơn tinh thể
  • Silicon đơn tinh thể được cắt mỏng thành wafer, và thông qua pha tạp cùng các quy trình photoresist・photomask, mẫu mạch được hình thành trên bề mặt
  • Cấu trúc chip thực tế được xây dựng bằng cách lặp lại các bước như epitaxy, pha tạp khuếch tán, lớp dây dẫn đồng, đánh bóng cơ-hóa học, phơi sáng và khắc axit
  • Sản xuất CPU hiện đại phức tạp hơn rất nhiều, thành phần hóa học chi tiết cũng là bí mật độc quyền; hóa chất thực tế rất nguy hiểm, nên không được bắt chước chế tạo mạch tích hợp trong căn hộ

Từ đá đến silicon độ tinh khiết cao

  • Điểm khởi đầu là đá; khi nghiền đá, quy trình tiếp theo sẽ thu được silic dioxide với nồng độ khoảng 98%
  • Silic dioxide trước tiên được tinh chế lên độ tinh khiết 99,9%, sau đó tiếp tục được tinh chế thành kim loại polysilicon có độ tinh khiết 99,9999999%
  • Thỏi polysilicon được đưa vào nồi nấu và gia nhiệt đến 1698 °K để làm nóng chảy
    • Không nên cố làm nóng chảy silicon bằng lò nướng trong bếp

Nuôi đơn tinh thể và chế tạo wafer

  • Nhúng một mầm đơn tinh thể nhỏ vào silicon nóng chảy, rồi từ từ kéo lên trong khi nó nguội đi để tạo ra đơn tinh thể silicon tinh khiết
    • Về các chủ đề liên quan, có thể tham khảo Boule) và Czochralski Method
    • Không được cho tay vào silicon nóng chảy
  • Đơn tinh thể silicon hoàn chỉnh được cắt thành lát mỏng để trở thành wafer silicon
  • Wafer mới cắt có thể được pha tạp tùy chọn bằng Boron, Phosphorus hoặc các chất pha tạp khác
    • Có kèm lời giải thích rằng vì tác giả không trực tiếp mua nguyên tố Phosphorus, hãy tưởng tượng bằng que diêm

Quang khắc và khắc ăn mòn

  • Phủ photoresist lên trên wafer
  • Cho laser đi qua mặt nạ thạch anh dùng cho quang khắc khắc chrome, trên đó có khắc mẫu mạch mong muốn, để chiếu mẫu mạch lên wafer
  • Tùy theo vị trí bóng do photomask tạo ra, photoresist trên bề mặt wafer sẽ biến đổi về mặt hóa học
    • Photoresist dương và photoresist âm có cơ chế phản ứng khác nhau
  • Sau đó, photoresist được hiện hình, và phần wafer bị lộ ra được khắc bằng axit

Hình thành cấu trúc chip và đóng gói

  • Để tạo cấu trúc mong muốn trên wafer, nhiều quy trình được lặp đi lặp lại vô số lần
    • Epitaxy đồng chất, epitaxy dị chất, epitaxy giả
    • Pha tạp khuếch tán
    • Lớp dây dẫn đồng
    • Đánh bóng cơ-hóa học
    • Phủ photoresist
    • Khắc axit
    • Phơi sáng photomask
  • Wafer silicon hoàn chỉnh được cắt thành nhiều mảnh để trở thành die silicon
  • Trước khi đóng gói, có thể tìm các pad trên die silicon rồi gắn dây bond, hoặc dùng phương pháp flip-chip được sử dụng trong phần lớn bộ xử lý hiện đại
  • Dây bond hoặc solder ball tạo kết nối điện giữa các chân của gói chip và các pad trên die silicon
  • Nếu muốn xem thêm bên trong một CPU Intel thực tế, có thể tham khảo CPUs Are Smaller Than You Think

Độ phức tạp của sản xuất thực tế và cảnh báo an toàn

  • Quy trình sản xuất CPU hiện đại phức tạp và kém rõ ràng hơn rất nhiều so với phần giải thích bằng hình này
  • Các thế hệ chip mới thường thay đổi cách tạo cấu trúc trên wafer, và thay đổi không chỉ đơn giản là thu nhỏ kích thước feature
  • Nhiều kỹ thuật phổ biến và bước quan trọng đã bị lược bỏ, còn các chi tiết như thành phần hay nồng độ hóa học chính xác thì mang tính độc quyền rất cao, nên khó có thể được giải thích công khai trên HackerNews hay Reddit
  • Với nhiều bước như tìm nguồn silicon và tinh chế, thường có nhiều hơn một phương pháp được sử dụng
  • Các từ khóa để tìm hiểu thêm gồm “Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication”, “Lithographic Metrology”
  • Các feature tiên tiến ở thang nanomet khó tiếp cận đối với người làm hobby, nhưng việc chế tạo chip nghiệp dư ở thang micromet có vẻ khá khả thi
    • Tác giả chưa tự thử, và khuyên tham khảo kênh YouTube của Sam Zeloof
  • ‘Photoresist’ và ‘dung dịch hiện hình’ trong video là đạo cụ có màu; hóa chất thực tế thường độc hại
  • Việc chế tạo mạch tích hợp thực tế chỉ nên được xử lý với thiết bị an toàn phù hợp và trong không gian thông gió tốt hoặc tủ hút khí độc; không được thử theo cách tương tự trong căn hộ

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2023-10-23
Ý kiến trên Hacker News

  • Giờ tôi có thêm một giấc mơ. Có thể không ngầu bằng giấc mơ của người khác, nhưng đó là giấc mơ của tôi
    Tôi muốn làm một khóa học hoặc một chuỗi bài học về quá trình dựng lại thế giới. Kiểu có thể từ từ làm cùng trẻ em
    Nó khiến tôi nghĩ đến những cuốn sách như "The Knowledge" và các tài liệu liên quan, nhưng sau khi thử làm những việc như tự chế kính lục phân để đo chu vi Trái Đất, tôi chưa từng tưởng tượng rằng có thể làm được cả một CPU tự chế để chạy ngôn ngữ của mình, vậy mà giờ trông có vẻ thật sự khả thi
    Có thể bắt đầu từ lửa, rồi đến hệ Mặt Trời, vôi, và cuối cùng là CPU. Thế giới chúng ta sống vô cùng phức tạp, nhưng cũng là một thế giới có thể dựng lại được
    Cảm giác như được truyền cảm hứng từ câu Feynman để lại trên bảng: “Cái gì tôi không thể tái tạo, tôi chưa thật sự hiểu”

    • Nên bắt đầu từ cuốn sách này. Có cả tài liệu tham khảo
      http://the-knowledge.org/en-gb/
      https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
      Kênh YouTube Primitive Technology cũng đáng xem
      https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
    • Có lẽ bạn cũng sẽ thích anime Dr Stone. Nội dung đúng là có người làm những việc như thế này, được gói trong một hình thức vui nhộn và gần như kiểu bài giảng
    • Nên tìm hiểu Open Source Ecology và Global Village Construction Set
      Tôi đã tham gia vài workshop của Marcin, nên nếu tò mò có thể hỏi tôi. CollapseOS cũng liên quan
      Tôi cũng quan tâm từ góc nhìn kịch bản phục hồi sau thảm họa, và vừa bắt đầu hành trình radio nghiệp dư; nó trông giống như một cộng đồng đang cố dựng lại liên lạc khi mọi thứ khác đều thất bại
    • Tôi cũng chia sẻ cùng giấc mơ đó. Sẽ tuyệt vời nếu có một cẩm nang tổng hợp về cách làm mọi thứ từ nguyên liệu thô
      Để bắt đầu, có lẽ cần reverse-engineer các bước chế tạo, rồi từ đó xây dựng một cây phụ thuộc
      Ví dụ, một hướng dẫn làm CPU phụ thuộc vào việc dùng vài loại hóa chất, nên cũng phải giải thích cách thu được các hóa chất đó, rồi tiếp theo là cách làm ra thiết bị giúp tạo ra chúng. Cuối cùng phải lần xuống đến bước lấy nguyên liệu thô bằng các công cụ và quy trình nguyên thủy
    • Cũng có một cuốn sách hài hước hơn về cách xây dựng lại nền văn minh từ con số không, dưới góc nhìn một người du hành thời gian bị mắc kẹt trong quá khứ và chỉ có sách hướng dẫn máy du hành thời gian: How to Invent Everything: Rebuild All of Civilization của Ryan North
      https://www.howtoinventeverything.com/

  • Nếu quan tâm đến quang học và photolithography, tôi khuyên xem Huygens Optics trên YouTube. Tác giả Jeroen thật sự rất đắm chìm vào chủ đề này
    Quy trình của Jeri trông khá thô sơ so với phòng thí nghiệm của Sam
    [0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
    [1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM

  • Tôi hơi thắc mắc về bước 15. Trước đây tôi từng làm ở một viện nghiên cứu thuộc khối Liên Xô cũ chế tạo chip vào đầu thập niên 90, và theo tôi nhớ thì quá trình khắc diễn ra bằng cách cho khí gốc clo chảy qua wafer trong môi trường nhiệt độ cao, có lẽ khoảng 1200°C
    Nhiệt độ đó được tạo bằng gia nhiệt cảm ứng, cho dòng xoay chiều 8kHz chạy qua cuộn dây đồng làm mát bằng nước. Máy phát là loại cơ khí, một cỗ máy lớn làm mát bằng nước đặt dưới tầng hầm của tòa nhà vì quá ồn. Việc rò nước thường xuyên cũng là một lý do để đặt nó dưới tầng hầm
    Tôi phụ trách bảo trì thiết bị gia nhiệt và chuyển sang máy phát điện tử dùng thyristor, công việc gần như vừa là kỹ sư điện tử vừa là thợ ống nước

    • Khắc ở nhiệt độ cao bằng cách cho khí gốc clo chảy qua wafer là khắc plasma hoặc khắc khô
      Bước 15 đang mô tả khắc bằng axit hoặc khắc hóa học ướt
      Tôi không rõ ưu nhược điểm của từng cách, nhưng cả hai đều từng được dùng như những phương pháp khả thi để khắc mạch

  • Dành cho những ai đọc bình luận trước: bài này nói về chế tạo bán dẫn, không phải kiến trúc máy tính

    • Tôi đã mong chờ phiên bản geek của meme “cách vẽ con cú trong hai bước”. Bước 1: bắt đầu với vài cổng NAND. Bước 2: giờ thì làm nốt phần còn lại của CPU
      Ảnh tham khảo: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
    • Nếu định nghĩa CPU cụ thể là vi xử lý, thì dù sao phần khó nhất của “làm CPU” cũng nằm ở đó
      Đã có nhiều CPU hobbyist hoạt động được làm bằng các công nghệ dễ tiếp cận hơn nhiều, như relay, đèn chân không, transistor rời, IC cổng logic. Về cơ bản, bất cứ thứ gì có thể hoạt động như một trong các cổng logic phổ dụng, chẳng hạn NAND hay XOR, đều có thể trở thành thành phần của CPU
    • Tôi đã làm theo hướng dẫn rất cẩn thận, nhưng hình như dùng nhầm thứ kiểu “mặt nạ thạch anh photolithography khắc chrome”, nên rốt cuộc chỉ tạo ra một đống RAM. Người bán trên eBay bảo đó là i7, mà mất thời gian kinh khủng
    • Nếu muốn biết cách làm CPU trên breadboard, tôi khuyên đọc But How Do It Know? và kiến trúc Scott CPU

  • Bài này chủ yếu nói về cách làm wafer silicon. Video này cho thấy chi tiết hơn cách làm phần còn lại của quy trình trong phòng thí nghiệm tại nhà: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
    Blog ở đây: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/

  • Nó làm tôi nhớ đến một file văn bản “cách tự chế bom nguyên tử” từng thấy trên BBS hồi thập niên 1990. Bước đầu tiên đại khái là “kiếm 50 pound plutonium cấp vũ khí”
    Cảm giác như có thể ra cửa hàng đồ quân dụng dư thừa trong khu phố mua cả thùng đem về, và đến lúc đó thì khá rõ toàn bộ chỉ là trò đùa

    • Tiểu phẩm Today on how to do it của Monty Python có lẽ là kinh điển của thể loại này. Chắc chắn đáng bỏ ra 1 phút trong ngày để xem
      https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
    • Hồi đó cũng có kiểu “cách phá hủy Trái Đất”. Nhiều phương pháp được đề xuất, trong đó có một cách dùng hố đen: kiểu “Bước 1: lấy một hố đen có kích thước phù hợp. Bước 2...”

  • Khác biệt cốt lõi giữa CPU hiện nay và CPU 20 năm trước là gì? Có thể nhét nhiều transistor hơn vào không gian nhỏ hơn, nhưng xung nhịp thì đã chững lại
    Có phải toàn bộ đổi mới chỉ nằm ở pipeline và dự đoán nhánh không?

    • Thêm vào đó là thực thi ngoài thứ tự, hyper-threading, SIMD, cache tốt hơn và lớn hơn, nhiều nhân hơn, hiệu suất năng lượng tốt hơn
    • Tôi nghĩ việc chọn tập lệnh thông minh cũng là một yếu tố. x86-64 ngày nay hoàn toàn khác với những gì 8088 làm được, còn Apple Silicon làm được nhiều việc hơn hẳn trong một chu kỳ xung nhịp so với thế hệ trước

  • Tôi vừa xem Outlander và đang nghĩ nếu quay về quá khứ thì mình có thể mang lại giá trị gì. May mà giờ đã lướt qua bài này, nên chắc tôi làm được máy tính rồi :)

  • Cái này giống chế tạo chip hơn là CPU. Nhưng bản thân nó vẫn cực kỳ ngầu. Tự làm ingot thì đúng là mức điên rồ

  • Tôi ước gì bước 16 được chia nhỏ hơn nhiều nữa, giải thích theo kiểu ELI5 dễ hiểu xem từng cấu trúc riêng lẻ được tạo ra như thế nào