図で見るCPUの作り方

 (blog.robertelder.org)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-10-23 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 岩石と砂から始まる シリコン原料 が、ウェハー、フォトリソグラフィ、エッチング、パッケージングを経てCPUに変わるまでの全体の流れを図でたどる
  • 原料は98%程度の 二酸化ケイ素 から99.9%の二酸化ケイ素、99.9999999%のポリシリコンへと精製された後、1698 °Kで溶かされ単結晶として成長する
  • 薄く切った単結晶シリコンはウェハーとなり、ドーピング とフォトレジスト・フォトマスク工程を通じて回路パターンが表面に形成される
  • 実際のチップ構造はエピタキシー、拡散ドーピング、銅配線層、化学機械研磨、露光、酸エッチング といった工程を繰り返して積み上げられる
  • 現代のCPU製造ははるかに複雑で、詳細な化学組成も独自技術であり、実際の化学物質は危険なので、集合住宅で 集積回路製造 をまねしてはいけない

岩石から高純度シリコンまで

  • 出発点は 岩石 であり、これを砕くと約98%濃度の二酸化ケイ素を得る段階へと進む
  • 二酸化ケイ素はまず 99.9%純度 に精製され、その後99.9999999%純度のポリシリコン金属へとさらに精製される
  • ポリシリコンのインゴットはるつぼに入れ、1698 °K まで加熱して溶かす
    • 台所のオーブンでシリコンを溶かそうとしてはいけない

単結晶成長とウェハー製造

  • 溶けたシリコンに小さな 単結晶の種 を浸した後、冷えながらゆっくり引き上げて純粋なシリコン単結晶を作る
    • 関連トピックとして Boule) と Czochralski Method を参照できる
    • 溶けたシリコンに手を入れてはいけない
  • 完成したシリコン単結晶は薄く切断されて シリコンウェハー になる
  • 新しく切り出したウェハーは、必要に応じて Boron、Phosphorus、または他のドーパントで ドーピング できる
    • 元素としての Phosphorus を直接購入していないため、マッチで想像してほしいという説明が添えられている

フォトリソグラフィとエッチング

  • ウェハーの上には フォトレジスト を塗布する
  • 目的の回路パターンが刻まれたクロムエッチング済みのフォトリソグラフィ用石英マスクにレーザーを通し、ウェハーに回路パターンを投影する
  • フォトマスクが作る 影の位置 に応じて、ウェハー表面のフォトレジストが化学的に変化する
    • ポジ型フォトレジストとネガ型フォトレジストでは反応の仕方が異なる
  • その後フォトレジストを現像し、露出したウェハー部分を 酸でエッチング する

チップ構造形成とパッケージング

  • 目的の構造をウェハー上に作るために、複数の工程を 何度も繰り返す
    • ホモエピタキシー、ヘテロエピタキシー、擬似エピタキシー
    • 拡散ドーピング
    • 銅配線層
    • 化学機械研磨
    • フォトレジスト塗布
    • 酸エッチング
    • フォトマスク露光
  • 完成したシリコンウェハーは複数の小片に切り分けられ、シリコンダイ になる
  • パッケージング前にはシリコンダイ上のパッドを見つけ、ボンドワイヤを取り付けるか、現代のプロセッサの多くで使われている フリップチップ方式 を使用できる
  • ボンドワイヤまたははんだボールは、チップパッケージのピンとシリコンダイのパッドの間を電気的に接続する
  • 実際の Intel CPU の内部をさらに見たい場合は CPUs Are Smaller Than You Think を参照できる

実際の製造の複雑さと安全警告

  • 現代のCPU製造工程は、この図解よりはるかに 複雑で不明瞭 である
  • 新しいチップ世代では通常、ウェハー上に構造を作る方法が変わり、その変化は単なるフィーチャサイズの縮小だけにとどまらない
  • 多くの一般的な技法や重要な工程が省略されており、正確な化学組成や濃度のような詳細情報は非常に 独自性が高く、HackerNews や Reddit で公に説明するのは難しい
  • シリコンの調達と精製のような複数の段階には、一般的に使われる方法が1つ以上ある
  • さらに学ぶための検索語としては、“Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication”, “Lithographic Metrology” がある
  • 最先端のナノメートルスケールのフィーチャには趣味製作では手が届きにくいが、マイクロンスケールのアマチュアによるチップ製造はかなり可能性がありそうだ
    • 自分では試しておらず、Sam Zeloof の YouTube チャンネルを参照するよう勧めている
  • 動画内の「フォトレジスト」と「現像液」は色付きの小道具であり、実際の化学物質はたいてい 有害 である
  • 実際の集積回路製造は、適切な安全装備と換気の良い空間、またはドラフトチャンバーでのみ扱うべきであり、集合住宅で同じ方法を試してはいけない

関連記事

1件のコメント

 
GN⁺ 2023-10-23
Hacker Newsのコメント

  • これで新しい夢ができた。ほかの人が見る夢ほどすごくはないかもしれないけど、自分の夢だ。
    世界をもう一度作るプロセスを扱う講座、あるいは連続講座を作ってみたい。子どもたちと一緒にゆっくり進められるようなものだ。
    『The Knowledge』のような本や関連資料を思い出すけれど、自分で六分儀を作って地球の外周を測ってみたことで、自作のCPUを作って自分の言語を動かす、なんてことまで本当に可能なのかと驚いたが、実際できそうに思える。
    火から始めて、太陽系、石灰、そしてCPUへとつなげていける。私たちが生きる世界はものすごく複雑だが、作り直せる世界でもある。
    Feynmanが黒板に残した「私が再現できないものは、理解したとは言えない」という言葉に触発された感じだ

    • まずはこの本から始めるとよさそう。参考文献もある。
      http://the-knowledge.org/en-gb/
      https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
      Primitive Technology のYouTubeチャンネルも見る価値がある。
      https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
    • アニメ Dr. Stone も気に入りそう。まさにこういうことをする内容で、面白く、ほとんど講座のような形式で作られている
    • Open Source Ecology と Global Village Construction Set を調べてみるといい。
      Marcinのワークショップに何度か参加したことがあるので、気になることがあれば聞いてくれていい。CollapseOSも関連している。
      災害復旧シナリオの観点からも関心があって、ちょうどアマチュア無線を始めたところなのだが、すべてが失敗したときに通信を再構築しようとするコミュニティのように見える
    • 自分も同じ夢を共有している。何であれ原材料から作るための総合ガイドがあったらものすごいと思う。
      始めるには、製造ステップをリバースエンジニアリングで把握して、そこから依存関係ツリーを組み立てることになりそうだ。
      たとえばCPU製造ガイドはいくつかの化学物質の使用に依存しているので、それらをどう入手するか、さらにそれを可能にする装置をどう作るかも説明しなければならない。最終的には、原始的な道具と工程で原材料を得る段階までさかのぼる必要がある
    • 過去に閉じ込められたタイムトラベラーが、タイムマシンの取扱説明書だけを持っているという視点から、文明をゼロから作り直す方法をもっとユーモラスに扱った本もある。Ryan Northの How to Invent Everything: Rebuild All of Civilization だ。
      https://www.howtoinventeverything.com/

  • 光学とフォトリソグラフィに興味があるなら、YouTubeのHuygens Opticsをおすすめする。作者のJeroenはこのテーマに本当にのめり込んでいる。
    Jeriのプロセスは、Samのラボと比べるとかなり大ざっぱに感じる。
    [0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
    [1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM

  • 15段階目には少し疑問がある。昔、90年代初頭にチップを作っていた旧ソ連圏の研究所で働いていたが、記憶ではウェハー上に塩素系ガスを流し、高温環境、おそらく1200°C前後でエッチングしていた。
    その温度は、水冷銅コイルに8kHzの交流を流す誘導加熱で作っていた。発振器は機械式で、騒音が大きいため建物の地下に置かれた大型の水冷機だった。漏水が頻繁だったのも地下に置いていた理由だ。
    自分は加熱設備の保守と、電子式サイリスタベースの発振器への切り替えを担当していたが、ほとんど電子技術者兼配管工のような仕事だった

    • ウェハー上に塩素系ガスを流す高温エッチングはプラズマエッチングまたはドライエッチングだ。
      15段階目は酸エッチング、あるいは湿式化学エッチングを示している。
      それぞれの長所と短所はよく分からないが、回路をエッチングする実行可能な方法として、どちらも使われてきた

  • コメントから先に読む人のために言うと、この記事はコンピュータアーキテクチャではなく半導体製造についての話だ

    • オタク版の「フクロウを2段階で描く方法」ミームを期待していた。1段階目: NANDゲートをいくつか用意する。2段階目: あとは残りのCPUを作る。
      参考画像: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
    • CPUを具体的にマイクロプロセッサと定義するなら、結局「CPUを作る」でいちばん難しい部分はそこだ。
      リレー、真空管、個別トランジスタ、ロジックゲートICのような、はるかに手が届きやすい技術でも動作する趣味用CPUはたくさん作られてきた。基本的に、NANDやXORのような汎用ロジックゲートの1つとして動作できるものなら、CPUの構成要素になり得る
    • 指示をきっちり守ったのに、「クロムエッチングフォトリソグラフィ石英マスク」みたいなところを間違えたせいで、RAMばかり大量にできてしまった。eBayの売り手はそれがi7だと言っていたけど、ものすごく時間がかかった
    • ブレッドボードでCPUを作る方法を知りたいなら、But How Do It Know? とScott CPU architectureをおすすめする

  • この記事は大部分がシリコンウェハーの作り方の話だった。残りの工程を家庭用ラボでどうやるかについては、この動画のほうが詳しく見せている: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
    ブログはこちら: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/

  • 1990年代にBBSで見た「原子爆弾を自作する方法」のテキストファイルを思い出した。最初のステップはだいたい「兵器級プルトニウムを50ポンド用意する」だった。
    まるで近所の軍放出品店に行って箱ごと買ってこられるみたいな感じで、その時点で全体がジョークだとはかなり明らかだった

    • Monty Pythonの Today on how to do it スケッチは、たぶんこのジャンルの古典だと思う。1分使う価値は間違いなくある。
      https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
    • 当時は「地球を破壊する方法」みたいなのもあった。いくつか方法が提案されていて、その1つがブラックホールを使うものだった。「1段階目: 適切なサイズのブラックホールを用意する。2段階目: ...」という感じだ

  • 今のCPUと20年前のCPUの核心的な違いは何だろう？ より小さな空間により多くのトランジスタを詰め込めるようにはなったが、クロック速度は頭打ちになっている。
    革新はすべてパイプライン化と分岐予測にあるのだろうか？

    • そこにアウト・オブ・オーダー実行、ハイパースレッディング、SIMD、より高性能で大きなキャッシュ、より多くのコア、より優れた電力効率が加わる
    • 巧妙な命令セットの選択も一因だと思う。今日のx86-64は8088ができたこととはまったく異なるし、Apple Siliconは以前の世代より1クロック周期の中ではるかに多くの仕事をこなす

  • ちょうどOutlanderを見ながら、自分が過去に戻ったらどんな価値を持ち込めるだろうと考えていたところだった。幸い、今この文章をざっと読んだので、コンピュータを作れそうだ :)

  • CPUというよりはチップ製造に近い。でもそれだけでもものすごくすごい。自分でインゴットを作るなんて本当に狂気じみている

  • 16段階目をもっと細かく分解して、個々の構造がどう作られるのかを、このわかりやすいELI5風のやり方で説明してほしい