ซอฟต์แวร์
แอปพลิเคชันบนมือถือ
เช็คความเร็วเน็ต (Speedtest)
เช็คไอพี (Check IP)
เช็คเลขพัสดุ
สุ่มออนไลน์ (Online Random)
มินิเกม
CPU สร้างขึ้นมาจากอะไร ทำมาจากอะไร ? เทคโนโลยีการผลิต CPU มีขั้นตอนอะไรบ้าง ?
nearikii
CPU ทำมาจากอะไร ? การผลิต CPU มีขั้นตอนอะไรบ้าง ?
เพื่อนๆ เคยสงสัยไหมว่า "หน่วยประมวลผลกลาง หรือ ซีพียู (CPU)" ที่เราใช้ในคอมพิวเตอร์ หรือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ที่เราใช้อยู่ทุกวัน มันถูกสร้าง หรือผลิตขึ้นมาได้อย่างไร ? เรารู้ว่ามันทำงานคิดคำนวณเชิง ประมวลผลคำสั่งได้ แต่เราอาจจะไม่เคยเห็นว่าจริงๆ แล้วกว่าจะมาเป็น CPU สักตัว ภายในนั้น เบื้องหลังมันต้องผ่านอะไรมาบ้าง
- SPI คืออะไร ? รู้จักโปรโตคอลสื่อสารบน Microcontroller อีกตัวที่มีประสิทธิภาพสูง !
- DaaS คืออะไร ? รู้จักบริการที่ให้ผู้ใช้งานเข้าถึง เดสก์ท็อปเสมือน ได้จากทุกที่
- SaaS คืออะไร ? รู้จักซอฟต์แวร์บริการ ใช้ตามความต้องการของผู้ใช้งาน
- PaaS คืออะไร ? รู้จักแพลตฟอร์มเพื่อผู้พัฒนา ให้สร้าง ทดสอบ จัดการแอปฯ บนคลาวด์
- IaaS คืออะไร ? รู้จักบริการเช่าโครงสร้างพื้นฐานบนคลาวด์ ว่าเป็นอย่างไร ?
ซึ่งในบทความนี้เอง เราจะพามาดูเบื้องหลังของ ขั้นตอนการสร้างและผลิตชิป CPU ตั้งแต่วัตถุดิบแรกเริ่มก่อนจะกลายมาเป็น CPU แบบในรูปภาพนี้ อย่างละเอียดทุกขั้นตอน ถ้าพร้อมแล้วไปดูกันเลย
ความหมายของ หน่วยประมวลผลกลาง หรือ CPU คืออะไร ?
คำว่า CPU นั้นย่อมาจากคำว่า "Central Processing Unit" หรือ แปลเป็นไทยตรงๆ ได้ว่า "หน่วยประมวลผลกลาง" มีหน้าที่ในการทำงานประมวลผลคำสั่ง คำนวณ วิเคราะห์ตรรกะข้อมูลต่างๆ ในคอมพิวเตอร์ พูดง่ายๆ CPU นั้นทำงานคล้ายสมองที่อยู่ในร่างกายของมนุษย์นั่นเอง เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการทำงานของคอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ
รายละเอียดเพิ่มเติมของ CPU
วัตถุดิบหลักในการสร้าง หรือ ผลิต CPU
หลายคนอาจจะไม่เคยรู้ หรือ บางคนอาจจะรู้ว่า CPU นั้นมี วัตถุดิบหลักมาจาก "ทราย" เพราะในทรายทั่วๆ ไปนั้นมีแร่ซิลิคอน (Silicon หรือ Si) อยู่เป็นจำนวนมาก แต่ในการผลิต CPU จำเป็นที่จะต้องใช้ซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์ที่สูงกว่า 99.99%
และก่อนที่จะนำทรายไปผลิตเป็น CPU ได้ต้องผ่านการแยก หลอมทรายในเตาจนกลายเป็นแร่ซิลิคอน และเข้ากระบวนการผลิตมากกว่า 1,000 ขั้นตอน ! จึงจะเป็นชิ้นส่วนหลักที่นำไปผลิต CPU ที่ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์
รูปภาพทรายซิลิคอน
ขอบคุณรูปภาพจาก : Universal Minerals & Chemicals
วัตถุดิบหลัก หรือ วัตถุดิบตั้งต้น ในการสร้าง CPU นั่นก็คือ
"แร่ซิลิคอน (Silicon)" ที่อยู่ใน "ทราย (Sand)"
ทำไมถึงใช้แร่ซิลิคอนในการผลิต CPU ?
แร่ซิลิคอน (Si) เป็นวัตถุดิบชั้นดีที่จะนำมาผลิต CPU ได้ เพราะซิลิคอนทนต่ออุณหภูมิที่สูง นำประจุไฟฟ้าได้ดี แถมเป็นแร่ที่หาได้ง่าย จึงเป็นที่นิยมในการนำมาสร้างสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ในวงการเทคโนโลยี พบเห็นได้ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และหน่วยประมวลผลกลาง อย่าง CPU นี้เอง
ตัวอย่างแร่ซิลิคอน
ขอบคุณรูปภาพจาก : https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon
ส่วนนี่คือวิดีโอตัวอย่างการผลิต CPU จากค่ายอินเทล (Intel) ด้วยเทคโนโลยีขนาด 22 นาโนเมตร ในปัจจุบันอาจจะมีรายละเอียดและขั้นตอนที่เพิ่มมากขึ้น แต่โดยรวมการผลิต CPU มีขั้นตอนที่คล้ายกัน สามารถดูได้ที่นี่
ตัวอย่างวิดีโอ การผลิต CPU
ขอบคุณวิดีโอจาก : www.intel.com
CPU เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ซับซ้อนที่สุดของมนุษย์
และถูกผลิตอยู่ในห้องที่มีความสะอาดที่สุดในโลก
ขั้นตอนการผลิตชิป CPU ทีละขั้นตอน
และมาถึงส่วนนี้สำหรับใครที่อยากหาคำอธิบายแต่ละขั้นตอนแบบละเอียด ตั้งแต่แรกเริ่ม จากทรายไปจนเสร็จสิ้นกระบวนการและกลายมาเป็น CPU ที่วางขายในท้องตลาดได้ ส่วนใหญ่จะเป็นขั้นตอนการผลิตแผ่นชิป และลายแผงวงจรที่ทำซ้ำๆ นับร้อยนับพันครั้ง ซึ่งส่วนใหญ่จะมีขั้นตอนต่างๆ ดังต่อไปนี้ในแต่ละขั้นตอนจะมีการแบ่งขนาดความละเอียดของการผลิตอยู่ในขั้นต่างๆ เช่น ระดับ Wafer (~300 มิลเมตร / 12 นิ้ว) และ ระดับ Transistor (~50-200 นาโนเมตร) เป็นต้น
ขั้นตอนเตรียมทราย (Sand) และ Ingot
| ทราย (Sand) ขั้นแรกคือการเตรียมวัตถุดิบ คือ ทราย ที่มีซิลิคอนความบริสุทธิ์สูง ใช้ในการผลิตสารกึ่งตัวนำ และสามารถควบคุมการไหลของกระแสประจุไฟฟ้าได้ผ่านการเจือจางความบริสุทธิ์ด้วยแร่ธาตุอื่นๆ | Melted Silicon ก่อนจะนำไปผลิตชิปคอมพิวเตอร์ ซิลิคอนจำเป็นต้องมีความบริสุทธิ์น้อยกว่า 1 อะตอมต่อสัดส่วนพันล้าน ในขั้นตอนนี้เป็นการนำซิลิคอนที่ได้ไปหลอมรวมกันให้กลายเป็นแท่งโลหะคริสตัล หรือ ที่รู้จักกันในนาม Ingot | Monocrystalline หลังจากหลอมรวมกัน และเจียระไน จะได้เป็นแท่งซิลิคอนหนึ่งแท่ง ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. และหนักประมาณ 100 กิโลกรัม |
ขั้นตอนการหั่น Ingot เพื่อเป็น Wafer
| Ingot Slicing นำแท่งซิลิคอนที่ได้ไปผ่าเป็นชิ้นส่วนแยกกันเป็นแผ่นๆ ซึ่งเรียกว่า แผ่นเวเฟอร์ (Wafer) โดยแผ่นเวเฟอร์แต่ละแผ่นนั้นจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มิลลิเมตร (มม.) และหนาประมาณ 1 มิลลิเมตร | Wafer หลังจากได้เวเฟอร์เป็นแผ่น จะนำแผ่นเวเฟอร์ไปขัดจนมีพื้นผิวเรียบเนียน ไร้รอยต่อเหมือนกับแผ่นกระจก เพื่อพร้อมใช้ในขั้นตอนต่อไป |
ขั้นตอน Photolithography
| Applying Photoresist เริ่มจากการเคลือบน้ำยาไวแสงบนแผ่นเวเฟอร์ หมุนไปเรื่อยๆ จนเต็มแผ่นสม่ำเสมอจนเกิดเป็นชั้นฟิลม์ที่ทนต่อการกัดกร่อน เพื่อจะนำไปสู่กระบวนการฉายเพื่อผลิตวงจรด้วยแสง และใช้เคมีชำระล้างส่วนที่ไม่ต้องการ | Exposure เมื่อแผ่นเวเฟอร์เคลือบน้ำยาแข็งตัวได้ที่ ให้บางส่วนโดนแสง UV เพื่อละลาย จากนั้นใช้การฉายแสงผ่านแผ่นกั้นและควบคุมด้วยเลนส์ เพื่อสร้างรูปแบบของวงจรแบบเฉพาะลงบนแผ่นเวเฟอร์ ด้วยขนาดและระยะที่พอเหมาะ ทำซ้ำไปเรื่อยๆ จนเต็มแผ่น | Resist Development ส่วนนี้จะเป็นการใช้สารเคมีชำระล้างส่วนที่ละลายออกจากแผ่นได้ หลังจากแผ่นการฉายแสงด้วยแผ่นภาพวงจร และตรวจสอบซ้ำอีกครั้ง |
ขั้นตอน Ion Implantation
| Ion Implantation ฉายลำแสงไอออนเพื่อฝังประจุไอออนลงบนแผ่นเวเฟอร์ที่มีลวดลายแผงวงจรอยู่ เพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของซิลิคอน (ขึ้นอยู่กับประเภทไอออนที่ใช้) | Removing Photoresist หลังจากการฝังประจุไอออน ในกระบวนการนี้จะลบส่วนที่ยังมีชั้นฟิล์มของน้ำยาไวแสงเหลืออยู่ และจะได้ร่องรอยของแผ่นเวเฟอร์ที่มีทรานซิสเตอร์ขึ้นมา | Begin Transistor Formation เมื่อขยายเข้าไปดูส่วนเล็กๆ เราจะพบว่าทรานซิสเตอร์เริ่มสร้างตัว สีเขียวที่เห็นคือส่วนของซิลิคอนที่ได้รับการกระตุ้น |
ขั้นตอน Etching
| Etch เป็นการกัดสลัก เพื่อต้องการสร้างส่วนครีบสำหรับทรานซิสเตอร์แบบสามช่อง ส่วนสีน้ำเงิน คือ แผ่นกั้นแบบแข็งที่ฉายลงบนซิลิคอน จากนั้นใช้สารเคมีชำระส่วนที่ไม่ต้องการออก เหลือไว้เพียงส่วนครีบที่สลักไว้ | Removing Photoresist ส่วนสีน้ำเงินบนครีบที่สลักไว้ จะถูกลบออกด้วยสารเคมีอีกครั้ง เหลือเพียงส่วนที่ยื่นออกมาของช่องทรานซิสเตอร์ |
ขั้นตอน Temporary Gate Formation
| Silicon Dioxide Gate Dielectric ใช้ขั้นตอนฉายแสงอีกครั้ง และทำให้บางส่วนของทรานซิสเตอร์เคลือบน้ำยา Photoresist และชั้น Silicon Dioxide (สีแดง) บางๆ สร้างขึ้นโดยใช้วิธีหลอมในเตาที่เติมออกซิเจน | Polysilicon Gate Electrode ขั้นตอนนี้เป็นการสร้างชั้น Polysilicon แบบชั่วราว ขึ้นมาผ่านการฉายแสงอีกรอบ | Insulator และในปฏิกิริยาออกซิเดชันขั้นอื่นๆ ชั้น Silicon Dioxide จะถูกสร้างขึ้นเพื่อครอบคลุมแผ่นเวเฟอร์ทั้งหมด (กรอบสีแดงใสๆ) เพื่อเป็นการป้องกันทรานซิสเตอร์ภายในจากองค์ประกอบแร่ธาตุอื่นๆ |
ขั้นตอน “Gate-Last” High-k และ Metal Gate Formation
| Removal of Sacrificial Gate ในขั้นนี้จะใช้ขั้นตอนแผ่นกั้น เพื่อกำจัดชั้นของ ช่อง Electrode และ ช่อง Dielectric แบบชั่วคราวออกไป จนกลายเป็นช่องทาง Gate ที่ใช้จริง รู้กันในชื่อว่า Gate Last | Applying High-k Dielectric ระดับ : Transistor Level (~50-200nm) ในโมเลกุลแต่ละชั้นจะถูกเคลือบลงไปบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ ในกระบวนการที่เรียกว่า "การสะสมชั้นอะตอม" ชั้นสีเหลืองที่เห็น นั้นแสดงถึงสองสิ่งนี้ จากนั้นใช้การฉายแสงเพื่อ ทำให้ส่วนประกอบ High-K อยู่ในพื้นที่ๆ ต้องการ | Metal Gate ช่องโลหะ electrode (สีน้ำเงิน) ถูกสร้างขึ้นมาบนชั้นเวเฟอร์ด้วยวิธีการพิมพ์ Lithography รวมกับชั้นสีเหลืองบางๆ ลดการรั่วไหลของประจุทำให้ทรานซิสเตอร์มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้นกว่าเดิม |
ขั้นตอน Metal Deposition
| Ready Transistor ใกล้จะได้ทรานซิสเตอร์ที่พร้อมแล้ว! เจาะทะลุชั้นฉนวนลงไป 3 รูด้านบนทรานซิสเตอร์ และจะเติมด้วยแร่ทองแดง หรือ วัสดุแร่ธาตุอื่นๆ ในการทำเชื่อมต่อเข้ากับทรานซิสเตอร์ส่วนอื่นๆ | Electroplating ขั้นตอนนี้ คือ การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า โดยการนำแผ่นเวเฟอร์ลงไปชุบในสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต ซึ่งไอออนของสารทองแดงจะฝังไว้บนทรานซิสเตอร์ | After Electroplating จนได้แผ่นทองแดงบางๆ ที่มีไอออนรวมตัวอยู่บนพื้นผิวเวเฟอร์ ดังที่เห็น |
ขั้นตอน Metal Layers
| Polishing ขั้นตอนนี้ คือ การขัดเงา โดยการขัดพื้นผิวส่วนที่เกินออกไป ให้เห็นเฉพาะส่วนที่มีทองแดงอยู่บนแผ่นเวเฟอร์ | Metal Layers การเชื่อมต่อด้วยชั้นโลหะ ชั้นโลหะนี้ถูกสร้างขึ้นมาหลายชั้นเพื่อเชื่อมต่อกัน (ให้นึกถึงการเชื่อมต่อสายไฟ) โดยการเชื่อมต่อจะถูกออกแบบมาขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมที่เลือกใช้ เพื่อให้ฟังก์ชันการทำงานเป็นไปตามที่ผู้ออกแบบหน่วยประมวลผลต้องการ ชั้นแต่ละชั้นเชื่อมต่อกันอย่างซับซ้อนซึ่งอาจจะมีมากกว่า 30 ชั้นในแผงวงจรตัวเดียว |
ขั้นตอน Wafer Sort และ Singulation
| Wafer Sort บนแผ่นเวเฟอร์ที่พร้อมสำหรับการใช้งาน จะถูกทดสอบทางไฟฟ้า โดยจะป้อนไฟฟ้าเข้าไปบนชิปทุกตัว เพื่อตรวจสอบค่าการทำงานเปรียบเทียบให้ได้ ค่าและคำตอบที่ถูกต้อง ตามที่กำหนดไว้ | Wafer Slicing เมื่อแผ่นเวเฟอร์ถูกตรวจสอบเรียบร้อย จะถูกนำไปตัดเป็นชิ้นแยกกัน เรียกว่า ได (Die) หรือ ชิ้นวงจรไฟฟ้า โดยจะถูกชื่อรุ่นของสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันไป | Selecting Die for Packgaing ทำการคัดเลือกชิ้นส่วนได วงจรไฟฟ้าที่ผ่านการตรวจทดสอบที่ถูกต้อง เพื่อจะนำไปบรรจุต่อไป |
ขั้นตอน Packaging
| Individual Die ชิ้นส่วนได (Die) ที่ถูกคัดเลือกมา ชิ้นนี้คือหน่วยประมวลผลขนาดเล็ก (Microprocessor) ที่ใช้เทคโนโลยีขนาด 22 นาโนเมตร ก่อนจะนำไปบรรจุลงบนแผ่นชิป | Packaging ประกอบรวมเข้ากับตัวกระจายความร้อนด้านบน (ฝาครอบเหล็ก) และ ส่วนต่อประสานกลไกไฟฟ้าสำหรับหน่วยประมวลผลด้านล่าง (แผ่นสีเขียว) | Processor ได้หน่วยประมวลผลที่เสร็จสมบูรณ์ ! จากกระบวนการการผลิต ที่ซับซ้อนที่สุดของมนุษย์ ใช้เวลาหลายร้อยขั้นตอนกว่าจะได้ CPU แต่ละชิ้น |
ขั้นตอน Class Testing และ Completed Processor
| Class Testing ในขั้นสุดท้ายนี้ หน่วยประมวลผลจะถูกทดสอบอย่างละเอียดในด้านประสิทธิภาพ การทำงาน และ พลังงานที่ใช้ | Binning หน่วยประมวลผลที่ผ่านการทดสอบ ที่มีความสามารถเท่านั้นจะถูกบรรจุไว้ในถาดพร้อมสำหรับการจัดส่งไปยังลูกค้า | Retail Package พร้อมวางขายและจำหน่ายให้กับร้านค้าปลีก ตัวแทนจำหน่ายและ ลูกค้าตามที่ต่างๆ |
ภาพตัวอย่าง CPU ที่ออกแบบเสร็จแล้ว
เทคโนโลยีการผลิต CPU ในปัจจุบัน
สำหรับใครที่อยากดูว่าเทคโนโลยีในการผลิต CPU ในปัจจุบันนั้น ต่างจากเมื่อ 10 กว่าปีก่อนไหม ขอแนะนำให้ดูตัวอย่างการผลิต CPU ในปัจจุบันได้ที่คลิปวิดีโอทางด้านล่างนี้
ตัวอย่างวิดีโอการผลิต CPU ในปัจจุบัน
ขอบคุณวิดีโอจาก : www.intel.com
ซึ่งการผลิต CPU ในปัจจุบันนี้ ก็ใช้หลักกระบวนการการผลิต มีขั้นตอนการผลิตคล้ายแบบเดิมกับสมัยก่อน อาจจะมีเปลี่ยนแปลงบ้างบางขั้นตอน ด้วยเทคโนโลยีที่ใหม่กว่าทำให้สามารถผลิต CPU ที่มีขนาดเล็กลงได้ สามารถทำให้ชิป CPU มีขนาดเล็กลงกว่านิ้วมือ กินไฟน้อยลง และนำไปใช้งานได้หลากหลายมากยิ่งขึ้น คอมพิวเตอร์มีความเร็วมากขึ้น นำไปใช้งานกับระบบที่ต้องการการประมวลผลสูงอย่างปัญญาประดิษฐ (AI) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดต่างๆ ได้ อีกมากมาย
สรุปเกี่ยวกับการผลิต CPU
หลายๆ คนคงหายข้องใจว่าการผลิต CPU นั้นเป็นอย่างไร อย่างที่เราเห็นการผลิต CPU นั้นเป็นอะไรที่ซับซ้อนมากๆ หลายๆ วงการในอุตสาหกรรมบอกว่า การสร้างหน่วยประมวลผล CPU เป็นสิ่งที่ซับซ้อนที่สุดในด้านการผลิตอันดับต้นๆ ของโลกเลย
ซึ่งไม่น่าเชื่อว่าทรายจะกลายมาเป็น CPU ได้ ถ้าไม่มีเทคโนโลยีการผลิตระดับสูง ที่มีความละเอียดในการผลิตในระดับนาโนเมตรขนาดนี้ เราก็อาจจะไม่ได้เห็นอุปกรณ์ที่มีเทคโนโลยีทันสมัย อย่างโน้ตบุ๊ค มินิคอมพิวเตอร์ หรือ สมาร์ทโฟน ต่างๆ ขนาดพกพาในชีวิตเรา ในปัจจุบันนี้เลยก็เป็นได้
ที่มา : www.howtogeek.com , download.intel.com , www.youtube.com , blogs.intel.com , www.infineon.com , en.wikipedia.org
คำสำคัญ »
|
|
It was just an ordinary day. |
ทิปส์ไอทีที่เกี่ยวข้อง
แสดงความคิดเห็น
ทิปส์ไอที ยอดนิยม
ทิปส์ไอทีแนะนำ
Thaiware.com is owned and operated by Thaiware Communication Co., Ltd.