Como um CPU é fabricado, em ilustrações
(blog.robertelder.org)- O texto acompanha em ilustrações todo o fluxo em que a matéria-prima de silício, que começa em rochas e areia, passa por wafer, fotolitografia, corrosão e encapsulamento até se transformar em um CPU
- A matéria-prima é refinada de cerca de 98% de dióxido de silício para 99,9% de dióxido de silício e depois para polissilício de 99,9999999%, sendo então derretida a 1698 °K e transformada em um monocristal
- O silício monocristalino cortado em lâminas finas vira um wafer, e padrões de circuito são formados na superfície por meio de dopagem e dos processos de fotoresiste e fotomáscara
- A estrutura real do chip é construída repetindo etapas como epitaxia, dopagem por difusão, camadas de interconexão de cobre, polimento químico-mecânico, exposição e corrosão ácida
- A fabricação de CPUs modernas é muito mais complexa, os detalhes das composições químicas são proprietários, e como os produtos químicos reais são perigosos, não se deve tentar imitar a fabricação de circuitos integrados em um apartamento
Das rochas ao silício de alta pureza
- O ponto de partida são rochas, que ao serem trituradas levam à obtenção de dióxido de silício com concentração de cerca de 98%
- O dióxido de silício é primeiro refinado para 99,9% de pureza e depois ainda mais purificado até virar polissilício metálico com pureza de 99,9999999%
- O lingote de polissilício é colocado em um cadinho e aquecido até 1698 °K para derreter
- Não se deve tentar derreter silício em um forno de cozinha
Crescimento do monocristal e fabricação do wafer
- Uma pequena semente monocristalina é mergulhada no silício derretido e depois puxada lentamente para cima enquanto esfria, formando um monocristal de silício puro
- Como temas relacionados, é possível consultar Boule) e Czochralski Method
- Não se deve colocar a mão no silício derretido
- O monocristal de silício concluído é cortado em fatias finas e se torna um wafer de silício
- O wafer recém-cortado pode ser dopado seletivamente com Boro, Fósforo ou outros dopantes
- Há uma observação dizendo para imaginar o elemento Fósforo usando fósforos de acender, já que ele não comprou fósforo elementar de verdade
Fotolitografia e corrosão
- Aplica-se fotoresiste sobre o wafer
- Um laser é passado por uma máscara de quartzo para fotolitografia, com gravação em cromo do padrão de circuito desejado, projetando esse padrão sobre o wafer
- O fotoresiste na superfície do wafer muda quimicamente de acordo com a posição da sombra criada pela fotomáscara
- Fotoresistes positivos e negativos reagem de maneiras diferentes
- Depois, o fotoresiste é revelado e as partes expostas do wafer são corroídas com ácido
Formação da estrutura do chip e encapsulamento
- Para criar a estrutura desejada no wafer, diversos processos são repetidos inúmeras vezes
- Homoepitaxia, heteroepitaxia, pseudoepitaxia
- Dopagem por difusão
- Camadas de interconexão de cobre
- Polimento químico-mecânico
- Aplicação de fotoresiste
- Corrosão ácida
- Exposição com fotomáscara
- O wafer de silício concluído é cortado em várias partes e se transforma em dies de silício
- Antes do encapsulamento, encontram-se os pads no die de silício e pode-se fixar fios de ligação ou usar o método flip-chip, empregado na maioria dos processadores modernos
- Os fios de ligação ou esferas de solda conectam eletricamente os pinos do encapsulamento do chip aos pads do die de silício
- Se quiser ver mais do interior de um CPU real da Intel, é possível consultar CPUs Are Smaller Than You Think
Complexidade da fabricação real e aviso de segurança
- O processo de fabricação de CPUs modernas é muito mais complexo e menos claro do que esta explicação ilustrada
- Cada nova geração de chips normalmente muda a forma de construir estruturas sobre o wafer, e as mudanças não se limitam a simplesmente reduzir o tamanho dos recursos
- Muitas técnicas gerais e etapas importantes foram omitidas, e detalhes como composições químicas exatas ou concentrações são extremamente proprietários, então é difícil vê-los explicados publicamente em lugares como HackerNews ou Reddit
- Em várias etapas, como obtenção e purificação do silício, há com frequência mais de um método comumente usado
- Alguns termos de busca para estudar mais são “Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication” e “Lithographic Metrology”
- Recursos em escala nanométrica de ponta são difíceis de alcançar para hobbyistas, mas a fabricação amadora de chips em escala de mícrons parece bastante viável
- Ele não tentou fazer isso pessoalmente e recomenda consultar o canal no YouTube de Sam Zeloof
- O ‘fotoresiste’ e o ‘revelador’ no vídeo são adereços coloridos, e os produtos químicos reais costumam ser nocivos
- A fabricação real de circuitos integrados só deve ser realizada com equipamento de segurança adequado e em um espaço bem ventilado ou com capela de exaustão; não se deve tentar fazer isso da mesma forma em um apartamento
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Agora ganhei um sonho. Talvez não seja tão legal quanto o sonho que outra pessoa teve, mas é o meu sonho.
Quero criar um curso, ou uma série de cursos, sobre o processo de reconstruir o mundo. Algo que eu possa fazer aos poucos com crianças.
Isso me lembra livros como "The Knowledge" e materiais relacionados, mas, depois de fazer coisas como construir meu próprio sextante e medir a circunferência da Terra, eu nunca imaginei que também seria possível chegar a uma CPU caseira capaz de executar a minha linguagem — e agora isso parece realmente possível.
Dá para começar pelo fogo e seguir até o sistema solar, a cal e, por fim, a CPU. O mundo em que vivemos é incrivelmente complexo, mas também é um mundo que pode ser reconstruído.
Parece inspirado pela frase que Feynman deixou no quadro-negro: “O que não posso recriar, não compreendo.”
http://the-knowledge.org/en-gb/
https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
O canal Primitive Technology no YouTube também vale a pena.
https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
Participei algumas vezes dos workshops do Marcin, então pode perguntar se tiver curiosidade. CollapseOS também tem relação com isso.
Também me interesso por esse tema do ponto de vista de cenários de recuperação após desastres e acabei de começar minha jornada no radioamadorismo, que parece ser uma comunidade tentando restabelecer comunicações quando todo o resto falha.
Para começar, acho que o processo seria fazer engenharia reversa das etapas de fabricação e, a partir daí, montar uma árvore de dependências.
Por exemplo, um guia para fabricar uma CPU depende do uso de alguns produtos químicos, então também precisaria explicar como obter esses produtos químicos e, em seguida, como construir os equipamentos que tornam isso possível. No fim, seria preciso descer até a etapa de obter matérias-primas com ferramentas e processos primitivos.
https://www.howtoinventeverything.com/
Se você tem interesse em óptica e fotolitografia, recomendo o Huygens Optics no YouTube. O criador, Jeroen, é realmente obcecado por esse assunto.
O processo da Jeri parece bem tosco quando comparado ao laboratório do Sam.
[0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
[1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM
Tenho algumas dúvidas sobre a etapa 15. Antigamente, trabalhei em um laboratório do antigo bloco soviético que fabricava chips no começo dos anos 90 e, pelo que me lembro, a corrosão era feita em alta temperatura, talvez por volta de 1200°C, com gases à base de cloro passando sobre o wafer.
Essa temperatura era obtida por aquecimento por indução, fazendo passar corrente alternada de 8 kHz por uma bobina de cobre resfriada a água. O gerador era mecânico, uma máquina grande resfriada a água que ficava no subsolo do prédio por causa do barulho. Vazamentos eram comuns, o que também era um motivo para deixá-la no subsolo.
Eu cuidava da manutenção do equipamento de aquecimento e da migração para um gerador eletrônico baseado em tiristores; era praticamente um trabalho de engenheiro eletrônico e encanador ao mesmo tempo.
A etapa 15 mostra corrosão ácida ou corrosão química úmida.
Não conheço bem as vantagens e desvantagens de cada uma, mas ambas já foram usadas como métodos viáveis para corroer circuitos.
Para quem lê os comentários primeiro: este artigo é sobre fabricação de semicondutores, não sobre arquitetura de computadores.
Imagem de referência: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
Muitas CPUs de hobby funcionais já foram feitas com tecnologias bem mais acessíveis, como relés, válvulas, transistores discretos e CIs de portas lógicas. Basicamente, qualquer coisa que possa se comportar como uma das portas lógicas universais, como NAND ou XOR, pode ser um bloco de construção de uma CPU.
O artigo era, em grande parte, sobre como fabricar um wafer de silício. Este vídeo mostra com mais detalhes como fazer o restante do processo em um laboratório caseiro: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
O blog está aqui: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/
Isso me lembrou um arquivo de texto que vi em um BBS nos anos 1990, “como construir sua própria bomba atômica”. O primeiro passo era algo como “obtenha 50 libras de plutônio grau militar”.
Dava a impressão de que você podia simplesmente ir à loja de excedentes militares do bairro e comprar uma caixa disso; naquele ponto, ficava bem claro que a coisa toda era uma piada.
https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
Qual é a principal diferença entre as CPUs de hoje e as de 20 anos atrás? Dá para colocar mais transistores em um espaço menor, mas a velocidade de clock estagnou.
A inovação está toda em pipeline e previsão de desvios?
Eu estava assistindo a Outlander agora há pouco e pensando em que valor eu poderia levar comigo se voltasse ao passado. Felizmente, agora que li este artigo por alto, já posso construir um computador :)
Isso está mais para fabricação de chips do que para CPU. Ainda assim, é extremamente legal por si só. Fazer o próprio lingote é um nível de loucura impressionante.
Eu gostaria que a etapa 16 fosse dividida em partes muito menores, explicando nesse estilo fácil de ELI5 como cada estrutura individual é formada.