Bilgisayar Endüstri Fizik

Kumun Anakarta Yolculuğu:İşlemci

Bilgisayarlarımızın ana bileşenlerinden biri olan işlemci, CPU (central process unit) ve merkezi işlem birimi olarak da bilinir. Bilgisayarın beyni olarak tanımlanan işlemcinin en temel görevi veri akışını ve işlenmesini yönetmek, veriler üzerindeki işlemleri gerçekleştirmektir. Bu yazımda işlemcilerin kasalarımıza girmeden önceki yolculuğuna eşlik edeceğim.
İşlemcilerin yolculuğunun ilk aşaması kumdur. Çünkü kum, yapısında yüksek oranda silikon içerir ve silikon yarıiletken madde üretiminin ana maddesi olduğundan işlemcilerin de ana bileşeninin kum olduğunu söyleyebiliriz. Kum eritilir ve içindeki silikonun kullanılabilmesi için gerekli olan saflığa erişebilmesi için belirli işlemlerden geçer. Bu saflık derecesi bir milyar atomda bir yabancı atomdur. (1/1000000000)

Gerekli işlemlerden geçen ve istenilen saflık derecesine ulaşan erimiş silikon kristalleştirilir ve sonucunda monokristalin silikon, yani tek kristalli silindir silisyum külçesi elde edilir. Bu külçe (Intel’in kendi verilerine göre) 300mm çapında, yaklaşık 100 kg ağırlığında ve %99’luk bir saflık derecesine sahiptir. Silindirler tamamen tozdan arındırılmış bir ortamda muhafaza edilir ve eldiven, bone, maske takılmadan herhangi bir işlemde bulunulmaz. Ayrıca bu silindirin 300 mm çapında elde edilmesi keyfi değildir. Intel çip yapmaya başladığında 50 mm çapında külçeler kullanılıyordu ve bugün gelinen noktada bu değer en fazla 300 mm olmakta. Çapın genişlemesi ise yıllar içerisinde maliyeti düşürmüştür.

Plakalar

 

Elde edilen silindir külçe elmas kesicilerle kesilerek 1mm kalınlığında plakalar (wafer) haline getirilir. Plakalar tamamen pürüzsüz bir yüzeye sahip olana kadar parlatılır ve sonunda ayna kıvamındaki pürüzsüzlükte plakalar elde edilir. Intel bu sürece kadar olan kısmı tedarikçilerden sağlar ve plakaları satın alır. Plakalardan işlemci elde edene kadar  300’den fazla işlem vardır fakat en önemlilerinden bahsetmek yeterli olacaktır.

Fotolitografi

Fotolitografi aşamasında elektronik baskı devrelerin üretiminde kullanılan fotorezist adındaki ışığa duyarlı madde kullanılır. Maddenin özelliği mor ötesi ışık (UV) altında polimerize olup dayanıklılığını artırması (negatif fotorezist) veya tam tersine gevşemesidir. (pozitif fotorezist) Devre kartlarında pozitif fotorezist kullanılır. Levha dönerken bu madde dökülür ve sertleştirilir. Sonra levha, devre desenlerinin bulunduğu bir maske arkasından morötesi ışığa maruz bırakılır ve ışığın çarptığı bölgedeki fotorezist maddeler çözünür ve istediğimiz deseni elde ederiz. Tabi bu işlem defalarca uygulanır ve birçok katman elde edilir. Sonra doping adı verilen işlemle fotorezistle kaplı olmayan bölge iyon yağmuruna tutulur.(297.000 km/saat’lik bir ivmeyle) Böylece iyon yağmuruna tutulan bölgenin iletkenliği artırılır ve aşındırılır. (Yazının başında belirttiğim gibi yarı iletkendi.) Bu bölgelerin iletkenliğinin artması CPU’nun üzerinde kontrol edilebilir bir elektrik akımı olmasını sağlar. İyon implantasyonu yapıldıktan sonra fotorezist kaldırılır ve sonuç olarak üzerine transistörlerin yerleştirileceği doping işlemine maruz kalmış bir plaka elde edilir.

2. Nesil Intel® Core™ i5 İşlemcinin Mimarisi

Kısa devreleri engellemek amacıyla bu yollara yabancı atomlar eklenir ve bir yalıtım katmanı hazırlanır. Transistörler arası iletişimi sağlamak için de bu boşluklar bakırla doldurulur. Artan bakır cilalanır ve ince bir bakır yüzeyi kalır. Elde edilen bu parçalar mimari ve tasarım takımının kararıyla özel bir mimari kullanılarak birleştirilir. Bu birleştirme işlemi levhalar arasındaki iletişimi sağlayacağından özel bir mimari gerekir. Buna ‘kablolama’ diyebilir. Bilgisayar çipleri çok küçük görünseler de ortalama 30 tabakadan oluşurlar. Çok yakından bakıldığında yollardan ve transistörlerden oluşan karmaşık bir ağ olarak görünür.

Bundan sonraki aşama ise kontrol aşamasıdır. Birçok metal ucu olan bir cihaz çipin üzerine yerleşir ve mikroskobik düzeyde elektriksel bir test yapar. Her bir uçtan cevap alınır ve karşılaştırılır. Sonra bu levhalar kesilerek parçalara ayrılır.

Son olarak kesilerek ayrılan parçalara ısı dağıtıcısı eklenir tam bir işlemci elde edilir. Resimde gördüğünüz yeşil kısım işlemcinin bilgisayarla olan bağlantısını sağlayan, elektriksel ve mekanik işlemlerin yapıldığı kısım, gümüş renginde olan kısım ise ısının belirli bir seviyede tutulmasına yardımcı olan termal işlemlerin yapıldığı kısımdır.

 

Yüzden fazla işlemi barındıran ve dünyadaki en karmaşık üretime sahip olan ürünlerden bir tanesi olan işlemci son olarak performans, işlevsellik ve güç testlerine tabi tutulur. Bu aşamada yetersiz ve hatalı olan ürünler elenir ki bu oran çok yüksektir. (Bu işlemcinin fiyatını da artırmaktadır.) Yeterli görülen işlemciler ise paketlenip dağılır.

Aşağıdaki linklerdeki videolardan daha ayrıntılı bilgiler alabilirsiniz.

https://youtu.be/aCOyq4YzBtY (Sand to Silicon – the Making of a Chip | Intel)

https://youtu.be/qm67wbB5GmI (How CPU is made)

Kaynaklar
  1. https://newsroom.intel.com/press-kits/from-sand-to-silicon-the-making-of-a-chip/
  2. https://www.geek.com/chips/from-sand-to-hand-how-a-cpu-is-made-832492/
  3. http://www.globalfoundries.com/resources/document-center

 

Yorumla

Yorum yazmak için buraya tıklayın...

Arşivler