# از شن شروع کنیم
اگر مسیر را تا ابتدا دنبال کنیم، به چیزی میرسیم که شاید انتظارش را نداشته باشید: شن. سیلیکون مورد استفاده در صنعت نیمهرسانا از موادی مانند سیلیس به دست میآید؛ مادهای که بخش بزرگی از شن و کوارتز را تشکیل میدهد.
اما فاصلهی بین یک دانه شن و پردازندهای که داخل کامپیوتر شما قرار دارد، فقط یک فرایند صنعتی ساده نیست. در این مسیر، شیمی، فیزیک، اپتیک، مهندسی مواد، نرمافزار، رباتیک و ماشینهایی با دقت فوقالعاده بالا کنار هم قرار میگیرند.
نکته کلیدی: چیزی که در پایان ساخته میشود میتواند میلیاردها ترانزیستور را در فضایی به اندازه چند سانتیمتر جای دهد. پس بیایید CPU را از جایی ببینیم که معمولاً دیده نمیشود.
# یک CPU دقیقاً چیست؟
CPU یا Central Processing Unit همان واحدی است که دستورهای برنامهها را اجرا میکند. وقتی یک برنامه را اجرا میکنید، پردازنده دائماً در حال دریافت، تفسیر و اجرای دستورهاست. در سادهترین نگاه:
1
دریافت — دستور از حافظه خوانده میشود
2
تفسیر — دستور رمزگشایی میشود
3
محاسبه — عملیات در ALU اجرا میشود
4
ذخیره — نتیجه در رجیستر یا حافظه نوشته میشود
اما CPU این کار را با چند قطعه بزرگ و قابل مشاهده انجام نمیدهد. در پایینترین سطح، همهچیز به ترانزیستورها برمیگردد. ترانزیستور را میتوان یک کلید الکترونیکی بسیار کوچک در نظر گرفت؛ کلیدی که میتواند جریان را کنترل کند.
T
Transistor
کلید الکترونیکی کوچک — کنترل جریان
G
Logic Gate
AND, OR, NOT, XOR — از ترکیب ترانزیستورها
C
Digital Circuit
مدارهای پیچیدهتر — جمعکننده، مولتیپلکسر
U
Processing Unit
ALU، رجیسترها، کنترلر
★
CPU Core
هسته پردازشی کامل با Cache
# قبل از CPU؛ کامپیوترها چگونه محاسبه میکردند؟
کامپیوترهای اولیه اصلاً چیزی شبیه پردازنده امروزی نداشتند. یکی از معروفترین نمونهها ENIAC بود؛ کامپیوتری که در دهه ۱۹۴۰ ساخته شد و از تعداد بسیار زیادی لامپ خلأ استفاده میکرد. چیزی که امروز در یک تراشه کوچک میبینیم، زمانی میتوانست اتاق بزرگی از تجهیزات الکترونیکی باشد.
لامپ خلأ — دهه ۱۹۴۰
بزرگ، شکننده، پرمصرف، عمر کوتاه
- یک اتاق پر از تجهیزات
- هزاران لامپ خلأ
- مصرف انرژی بسیار بالا
ترانزیستور — ۱۹۴۷
کوچک، بادوام، کممصرف، ارزان
- حجم بسیار کمتر
- مصرف انرژی پایین
- قابلیت اطمینان بالا
در سال ۱۹۴۷، والتر براتین، جان باردین و ویلیام شاکلی در Bell Labs ترانزیستور را توسعه دادند. اما هنوز یک مشکل وجود داشت: اگر بخواهیم هزاران ترانزیستور را با سیم به یکدیگر متصل کنیم، مدار خیلی سریع غیرقابل مدیریت میشود. راهحل، مدار مجتمع یا IC بود.
# اولین ریزپردازنده تاریخ: Intel 4004
در سال ۱۹۶۹، شرکت ژاپنی Busicom از Intel خواست برای ماشینحساب 141-PF مجموعهای از مدارهای مجتمع طراحی کند. اما مهندسان Intel ایدهای متفاوت را دنبال کردند: بهجای مجموعهای بزرگ از مدارهای اختصاصی، بخشی از عملکرد را به یک پردازنده قابلبرنامهریزی منتقل کنند.
نتیجه این تلاش، Intel 4004 بود که در نوامبر ۱۹۷۱ معرفی شد:
2,300
ترانزیستور
10μm
فرآیند ساخت
740 kHz
فرکانس کلاک
4-bit
عرض داده
امروز ۲۳۰۰ ترانزیستور عدد بسیار کوچکی به نظر میرسد. اما در سال ۱۹۷۱، قرار دادن چنین تعداد ترانزیستوری در یک تراشه، اتفاقی تاریخی بود. 4004 نشان داد که چیزی که قبلاً به مجموعه بزرگی از مدارها نیاز داشت، میتواند در یک تراشه کوچک قرار بگیرد.
# از ۲۳۰۰ ترانزیستور تا میلیاردها ترانزیستور
بعد از 4004، پردازندهها با سرعت زیادی تکامل پیدا کردند:
'71
Intel 4004
≈ 2,300 ترانزیستور — 10μm
'74
Intel 8080
≈ 4,500 ترانزیستور — 6μm
'78
Intel 8086
≈ 29,000 ترانزیستور — پایه معماری x86
'09
Intel Xeon
≈ 2,300,000,000 ترانزیستور
★
CPU های امروزی
میلیاردها ترانزیستور — فرآیند 3nm
این رشد فقط به معنای سریعتر شدن CPU نبود. ترانزیستورهای بیشتر یعنی امکان ساخت:
Cache بزرگتر
- L1, L2, L3
- دسترسی سریعتر
هستههای بیشتر
- چند هستهای
- پردازش موازی
گرافیک مجتمع
- GPU روی تراشه
- پردازش برداری
شتابدهنده AI
- NPU, TPU
- هوش مصنوعی
# سیلیکون، کریستال و ویفر
ماده اصلی بسیاری از تراشههای نیمهرسانا سیلیکون است. سیلیکون در طبیعت به شکل خالصی که برای ساخت تراشه لازم است در دسترس نیست. ابتدا باید سیلیکون استخراج و بهشدت خالص شود. چرا خلوص اینقدر مهم است؟ چون ما قرار است ساختارهایی در مقیاس نانومتری بسازیم و مقدار بسیار کمی ناخالصی میتواند ویژگی الکتریکی ماده را تغییر دهد.
ویفر (Wafer) چیست؟ ویفر یک دیسک بسیار نازک از سیلیکون تکبلوری است که سطح آن مانند آینه صیقلی شده. این دیسک نقش «بوم نقاشی» را برای ساخت تراشه ایفا میکند — تمام ترانزیستورها و مدارها روی همین سطح ساخته میشوند. ویفرهای پیشرفته معمولاً قطر ۳۰۰ میلیمتر دارند و میتوانند صدها تراشه را روی خود جای دهند.
سیلیکون خالص ذوب میشود و با روشهایی مانند Czochralski، یک کریستال تکبلوری بزرگ از سیلیکون رشد داده میشود. به این استوانه Silicon Ingot میگوییم. سپس Ingot به قطعات نازک برش داده میشود که به آنها Wafer میگویند.
1
شن / سیلیس — ماده اولیه از طبیعت
2
سیلیکون خالص — خلوص 99.9999999%
3
Silicon Ingot — کریستال تکبلوری استوانهای
4
Wafer — برش نازک و صیقلداده شده
300mm
قطر ویفر
9N
خلوص سیلیکون
~100
تراشه روی هر ویفر
میتوان ویفر را مثل یک بوم نقاشی تصور کرد. اما نقاشیای که قرار است روی آن انجام شود، با چشم دیده نمیشود و قلم نقاشی هم یک قلم معمولی نیست — نور است.
# کارخانهای که حتی گردوغبار هم دشمن آن است
ساخت تراشه در محیطی به نام Cleanroom انجام میشود. در این محیط، هوا، دما، رطوبت و میزان آلودگی بهشدت کنترل میشود. ویفرها نیز در بسیاری از مراحل بهصورت خودکار و توسط سیستمهای رباتیک جابهجا میشوند.
چرا اینهمه حساسیت؟ چون چیزی که برای انسان تقریباً نامرئی است، ممکن است در مقیاس ساخت تراشه یک مانع عظیم باشد. فرایند تولید تراشه شامل صدها مرحله است و میتواند از طراحی تا تولید به ماهها زمان نیاز داشته باشد.
# CPU را یکباره نمیسازند
این یکی از مهمترین نکات ساخت تراشه است. هیچکس یک ویفر را برنمیدارد و یکباره میلیاردها ترانزیستور روی آن چاپ نمیکند. تراشه لایهبهلایه ساخته میشود:
1
Deposition — رسوبدهی مواد روی سطح
2
Lithography — ایجاد الگو با نور
3
Etching — حذف بخشهای غیرضروری
4
Doping — تغییر ویژگیهای الکتریکی
5
Cleaning & Inspection — آمادهسازی و کنترل کیفیت
↻
تکرار — این چرخه صدها بار تکرار میشود
در واقع CPU را نمیتراشند؛ آن را لایهبهلایه شکل میدهند.
# لیتوگرافی؛ وقتی نور مدار را میکشد
یکی از مراحل کلیدی ساخت تراشه Photolithography است. سطح ویفر با مادهای حساس به نور به نام Photoresist پوشانده میشود. بعد یک الگوی بسیار دقیق با استفاده از نور روی آن ایجاد میشود.
هرچه بخواهیم جزئیات کوچکتری ایجاد کنیم، کنترل نور دشوارتر میشود. برای نسلهای پیشرفته تراشه، یکی از مهمترین فناوریها EUV — Extreme Ultraviolet Lithography است:
13.5nm
طول موج نور EUV
~10
آینههای دقیق
50,000×
پالس لیزر در ثانیه
در ماشینهای EUV، تولید نور خودش یک فرایند بسیار پیچیده است. قطرات بسیار کوچک قلع با پالسهای لیزر مورد اصابت قرار میگیرند و پلاسمایی ایجاد میکنند که نور EUV تولید میکند. این نور را نمیتوان مثل نور معمولی با لنزهای شیشهای هدایت کرد؛ به همین دلیل از سیستمهای آینهای بسیار خاص استفاده میشود.
اینجاست که ساخت CPU از یک فرایند الکترونیکی ساده، به ترکیبی از فیزیک پلاسما، لیزر، اپتیک و مهندسی مکانیک تبدیل میشود.
# حالا نوبت ساخت ترانزیستور است
در سادهترین نگاه، ترانزیستور یک کلید است:
خاموش
جریان عبور نمیکند
0
روشن
جریان کنترل میشود
1
با کنترل ویژگیهای الکتریکی ماده نیمهرسانا میتوان جریان را کنترل کرد. یکی از فرایندهای مهم در اینجا Doping است؛ مقدار بسیار کنترلشدهای از اتمهای خاص وارد ساختار سیلیکون میشود تا ویژگیهای الکتریکی آن تغییر کند.
2D
Planar MOSFET
ترانزیستور تخت — نسلهای قدیمی
3D
FinFET
ساختار سهبعدی بالهای — کنترل بهتر جریان
★
Gate-All-Around (GAA)
گیت همهجانبه — پیشرفتهترین ساختار امروزی
# ترانزیستورها هنوز CPU نیستند
فرض کنید میلیاردها ترانزیستور ساختهایم. آیا CPU آماده است؟ نه. ترانزیستورها باید با یکدیگر ارتباط داشته باشند. اینجا بخش دیگری از تراشه وارد داستان میشود: Interconnects یا اتصالات داخلی.
M3
Metal Layer 3 — خیابانهای اصلی
اتصالات بلند مسیر — انتقال سیگنال بین بخشهای دور
M2
Metal Layer 2 — خیابان فرعی
اتصالات متوسط — ارتباط بینمحلهای
M1
Metal Layer 1 — کوچهها
اتصالات کوتاه — ارتباط مستقیم با ترانزیستورها
T
Transistors — ساختمانها
میلیاردها کلید الکترونیکی
Si
Silicon Substrate — زمین
پایه سیلیکونی ویفر
ترانزیستورها ساختمانهای این شهر هستند. اتصالات فلزی خیابانها هستند و سیگنالهای الکتریکی در این شبکه حرکت میکنند. اگر این شبکه درست طراحی نشود، حتی میلیاردها ترانزیستور قدرتمند هم نمیتوانند یک CPU خوب بسازند.
# CPU قبل از ساخته شدن، اول طراحی میشود
کارخانه از خودش نمیداند کجا باید ترانزیستور قرار دهد. قبل از اینکه حتی یک ویفر وارد خط تولید شود، CPU باید طراحی شده باشد:
1
Architecture — CPU چه کاری باید انجام دهد
2
Instruction Set (ISA) — مجموعه دستورات
3
RTL Design — توصیف رفتار مدار
4
Simulation & Verification — شبیهسازی و تأیید
5
Physical Design — تبدیل به ساختار فیزیکی (EDA)
6
Mask Data → Manufacturing — ساخت ماسک و تولید
یعنی CPU قبل از اینکه یک قطعه سیلیکون باشد، ابتدا یک طراحی محاسباتی عظیم است.
# Yield، Dicing و Packaging
روی یک ویفر بزرگ، تعداد زیادی Die قرار میگیرند. بعد باید مشخص شود کدام Die سالم است. به درصد Dieهای قابل استفاده نسبت به کل Dieهای تولیدشده، Yield گفته میشود.
1
Wafer Test — تست همه Dieها روی ویفر
2
Dicing — برش و جداسازی Dieها
3
Packaging — قرار دادن Die در قاب محافظ
4
Final Testing — تست عملکرد، دما، فرکانس
Package فقط یک قاب محافظ نیست؛ باید اتصال الکتریکی، انتقال سیگنال، انتقال حرارت و محافظت مکانیکی را هم انجام دهد. امروزه با ایده Chiplet میتوان قسمتهای مختلف پردازنده را روی Dieهای جداگانه ساخت و در یک Package به هم متصل کرد.
Monolithic Die
همه چیز روی یک تکه سیلیکون
- طراحی یکپارچه
- Yield پایینتر برای Die بزرگ
Chiplet
چند Die کوچک در یک Package
- Yield بالاتر
- انعطافپذیری بیشتر
# قانون مور و چالشهای جدید
در سال ۱۹۶۵، گوردون مور مشاهدهای مطرح کرد که بعدها به قانون مور معروف شد: تعداد ترانزیستورهای قابل قرارگیری روی یک تراشه در طول زمان با سرعت زیادی افزایش خواهد یافت. این قانون یک قانون فیزیکی دقیق نبود؛ بیشتر یک مشاهده و پیشبینی درباره روند صنعت بود.
اما هرچه ساختارها کوچکتر شدند، مسائل جدیدی ظاهر شدند:
گرما
- مدیریت حرارت سختتر
نشتی جریان
- اتمها خیلی کوچک
هزینه تجهیزات
- ماشین EUV بسیار گران
محدودیت فیزیکی
- نزدیک به حد اتم
چرا CPU داغ میکند؟ هر بار که ترانزیستورها تغییر وضعیت میدهند، انرژی مصرف میشود و بخشی از آن به گرما تبدیل میشود. به همین دلیل CPU به Heatsink و سیستم خنککننده نیاز دارد.
# CPU از شن ساخته نشده؛ از اطلاعات ساخته شده
عجیبتر از همه اینکه CPU از شن ساخته نشده؛ از اطلاعات ساخته شده. ماده خام، سیلیکون است. ولی چیزی که آن را به CPU تبدیل میکند، الگوی طراحی، دستورهای ساخت، ماسکها، موقعیت ترانزیستورها و میلیاردها تصمیم مهندسی است.
ما فقط ماده را کوچکتر نکردهایم. ما اطلاعات را درون ماده نوشتهایم. از شن شروع شد؛ به محاسبه رسید.
takeaway.txt
گاهی برای ساختن یک ماشین محاسباتی، به چیزی بیشتر از یک تکه سیلیکون نیاز نیست؛
اگر بدانیم چگونه آن را در مقیاس میلیاردها ترانزیستور شکل دهیم.
اگر بدانیم چگونه آن را در مقیاس میلیاردها ترانزیستور شکل دهیم.
