चित्रों के ज़रिए CPU बनाने का तरीका

 (blog.robertelder.org)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2023-10-23 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • चट्टान और रेत से शुरू होने वाला silicon raw material wafer, photolithography, etching और packaging से गुजरकर CPU में कैसे बदलता है, इसकी पूरी flow को चित्रों के जरिए दिखाया गया है
  • raw material को 98% स्तर के silicon dioxide से 99.9% silicon dioxide, फिर 99.9999999% polysilicon तक refine किया जाता है, जिसके बाद यह 1698 °K पर पिघलकर single crystal के रूप में बढ़ता है
  • पतला काटा गया single-crystal silicon wafer बनता है, और doping व photoresist·photomask processes के जरिए surface पर circuit pattern बनता है
  • असली chip structure epitaxy, diffusion doping, copper interconnect layers, chemical-mechanical polishing, exposure, acid etching जैसे steps को बार-बार दोहराकर तैयार किया जाता है
  • आधुनिक CPU manufacturing कहीं ज्यादा जटिल है और detailed chemical composition भी proprietary होती है; असली chemicals खतरनाक होते हैं, इसलिए apartment में integrated circuit fabrication की नकल नहीं करनी चाहिए

चट्टान से high-purity silicon तक

  • शुरुआत चट्टान से होती है; इसे तोड़ने पर लगभग 98% concentration वाला silicon dioxide पाने के चरण तक पहुंचा जाता है
  • silicon dioxide को पहले 99.9% purity तक refine किया जाता है, और फिर 99.9999999% purity वाले polysilicon metal में और refine किया जाता है
  • polysilicon ingot को crucible में रखकर 1698 °K तक गर्म किया जाता है ताकि यह पिघल जाए
    • kitchen oven से silicon पिघलाने की कोशिश नहीं करनी चाहिए

single crystal growth और wafer बनाना

  • पिघले हुए silicon में एक छोटा single-crystal seed डुबोया जाता है, फिर ठंडा होते समय उसे धीरे-धीरे ऊपर खींचकर pure silicon single crystal बनाया जाता है
    • संबंधित विषयों के लिए Boule) और Czochralski Method देखे जा सकते हैं
    • पिघले हुए silicon में हाथ नहीं डालना चाहिए
  • तैयार silicon single crystal को पतले slices में काटकर silicon wafer बनाया जाता है
  • नए कटे हुए wafer को वैकल्पिक रूप से Boron, Phosphorus या दूसरे dopants से dope किया जा सकता है
    • इसमें यह स्पष्टीकरण जोड़ा गया है कि element Phosphorus सीधे नहीं खरीदा गया था, इसलिए उसे माचिस से कल्पना करने को कहा गया है

photolithography और etching

  • wafer पर photoresist लगाया जाता है
  • मनचाहा circuit pattern उकेरे हुए chromium-etched photolithography quartz mask से laser गुजारकर wafer पर circuit pattern project किया जाता है
  • photomask द्वारा बनाई गई shadow positions के आधार पर wafer surface का photoresist chemically बदलता है
    • positive photoresist और negative photoresist के reaction तरीके अलग होते हैं
  • इसके बाद photoresist को develop किया जाता है, और exposed wafer हिस्सों को acid से etch किया जाता है

chip structure बनाना और packaging

  • wafer पर desired structure बनाने के लिए कई processes को अनगिनत बार दोहराया जाता है
    • homoepitaxy, heteroepitaxy, pseudoepitaxy
    • diffusion doping
    • copper interconnect layers
    • chemical-mechanical polishing
    • photoresist coating
    • acid etching
    • photomask exposure
  • तैयार silicon wafer को कई टुकड़ों में काटकर silicon dies बनाया जाता है
  • packaging से पहले silicon die पर pads ढूंढे जाते हैं, और bond wires जोड़े जा सकते हैं या आधुनिक processors के अधिकांश मामलों में इस्तेमाल होने वाली flip-chip method अपनाई जा सकती है
  • bond wires या solder balls chip package के pins और silicon die के pads के बीच electrical connection बनाते हैं
  • अगर असली Intel CPU के अंदर और देखना हो, तो CPUs Are Smaller Than You Think देखा जा सकता है

असली manufacturing की जटिलता और safety warning

  • आधुनिक CPU manufacturing process इस चित्रात्मक explanation से कहीं ज्यादा जटिल और कम स्पष्ट है
  • नई chip generation आम तौर पर wafer पर structures बनाने का तरीका बदलती है, और बदलाव सिर्फ feature size घटाने तक सीमित नहीं रहता
  • कई common techniques और important steps छोड़ दिए गए हैं, और exact chemical composition या concentration जैसी details बहुत proprietary होती हैं, इसलिए HackerNews या Reddit पर सार्वजनिक रूप से समझाई जाना मुश्किल है
  • silicon sourcing और refining जैसे कई steps के लिए अक्सर एक से ज्यादा commonly used methods होते हैं
  • आगे सीखने के लिए search terms में “Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication”, “Lithographic Metrology” शामिल हैं
  • cutting-edge nanometer-scale features hobby makers की पहुंच से बाहर हैं, लेकिन micron-scale amateur chip fabrication काफी संभव लगती है
    • खुद इसे आजमाया नहीं गया है, और Sam Zeloof का YouTube channel देखने की सलाह दी गई है
  • video में दिखाए गए ‘photoresist’ और ‘developer’ रंगीन props हैं; असली chemicals आम तौर पर हानिकारक होते हैं
  • असली integrated circuit fabrication को केवल उचित safety equipment और अच्छी ventilation वाली जगह या fume hood में ही संभालना चाहिए; apartment में इसी तरह कोशिश नहीं करनी चाहिए

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2023-10-23
Hacker News की राय

  • अब मेरा एक सपना बन गया है। भले ही वह किसी और के देखे सपने जितना शानदार न हो, लेकिन यह मेरा सपना है।
    मैं दुनिया को फिर से बनाने की प्रक्रिया पर कोई कोर्स या कोर्सों की शृंखला बनाना चाहता हूं। कुछ ऐसा, जिसे बच्चों के साथ धीरे-धीरे किया जा सके।
    यह “The Knowledge” जैसी किताब और संबंधित सामग्री की याद दिलाता है, लेकिन जब मैंने खुद sextant बनाकर पृथ्वी की परिधि मापने जैसी चीजें कीं, तब भी मैंने कल्पना नहीं की थी कि अपनी भाषा चलाने वाला अपना बनाया CPU तक बनाया जा सकता है—लेकिन अब यह सच में संभव लगता है।
    आग से शुरू करके सौर मंडल, चूना, और फिर CPU तक पहुंचा जा सकता है। जिस दुनिया में हम रहते हैं वह बेहद जटिल है, लेकिन ऐसी दुनिया भी है जिसे फिर से बनाया जा सकता है।
    ऐसा लगता है जैसे Feynman के ब्लैकबोर्ड पर लिखे वाक्य “जिसे मैं पुनर्निर्मित नहीं कर सकता, उसे मैंने समझा नहीं है” से प्रेरणा मिली हो।

    • शुरुआत इस किताब से करना अच्छा रहेगा। इसमें references भी हैं।
      http://the-knowledge.org/en-gb/
      https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
      Primitive Technology YouTube चैनल भी देखने लायक है।
      https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
    • शायद तुम्हें anime Dr Stone भी पसंद आएगा। उसमें कोई बिल्कुल यही काम करता है, लेकिन उसे मजेदार और लगभग कोर्स जैसे format में पेश किया गया है।
    • Open Source Ecology और Global Village Construction Set के बारे में देखना अच्छा रहेगा।
      मैं Marcin की workshops में कुछ बार शामिल हुआ हूं, इसलिए कुछ जानना हो तो पूछ सकते हो। CollapseOS भी संबंधित है।
      disaster recovery scenario के नजरिए से भी मेरी रुचि है, और मैंने अभी-अभी amateur radio की यात्रा शुरू की है; यह ऐसा community लगता है जो सब कुछ fail हो जाने पर communications को फिर से खड़ा करना चाहता है।
    • मैं भी यही सपना साझा करता हूं। किसी भी चीज को raw materials से बनाने की comprehensive guide हो तो शानदार होगा।
      शुरुआत करने के लिए शायद बनाने के steps को reverse-engineer करना होगा, और फिर उससे dependency tree बनाना होगा।
      उदाहरण के लिए, CPU बनाने की guide कुछ chemicals के इस्तेमाल पर निर्भर करती है, इसलिए यह भी बताना होगा कि वे chemicals कैसे मिलें, और फिर उन्हें संभव बनाने वाले उपकरण कैसे बनाए जाएं। आखिरकार हमें primitive tools और processes से raw materials हासिल करने तक उतरना होगा।
    • अतीत में फंसे time traveler के नजरिए से, जिसके पास सिर्फ time travel machine का manual है, सभ्यता को शुरुआत से फिर से बनाने का एक ज्यादा humorous अंदाज वाली किताब भी है: Ryan North की How to Invent Everything: Rebuild All of Civilization
      https://www.howtoinventeverything.com/

  • अगर आपकी रुचि optics और photolithography में है, तो YouTube पर Huygens Optics recommend करूंगा। इसके creator Jeroen इस विषय में सचमुच डूबे हुए हैं।
    Sam की lab की तुलना में Jeri की process काफी rough लगती है।
    [0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
    [1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM

  • step 15 को लेकर मुझे थोड़ा शक है। पहले मैं 90s की शुरुआत में chips बनाने वाली पूर्व सोवियत ब्लॉक की research lab में काम करता था, और मेरी याद के मुताबिक wafer के ऊपर chlorine-based gas बहाते हुए high-temperature environment में, शायद करीब 1200°C पर etching होती थी।
    वह temperature water-cooled copper coil में 8kHz AC बहाकर की जाने वाली induction heating से बनाया जाता था। generator mechanical था—noise की वजह से building के basement में रखी एक बड़ी water-cooled machine। leaks आम थे, इसलिए भी उसे basement में रखा गया था।
    मेरा काम heating equipment की maintenance और electronic thyristor-based generator पर migration करना था; काम लगभग electronics engineer और plumber के बीच का था।

    • wafer के ऊपर chlorine-based gas बहाकर की जाने वाली high-temperature etching plasma etching या dry etching है।
      step 15 acid etching या wet chemical etching दिखाता है।
      इनके अपने-अपने pros और cons मुझे ठीक से नहीं पता, लेकिन circuits etch करने के viable तरीकों के रूप में दोनों इस्तेमाल हुए हैं।

  • जो लोग comments पहले पढ़ते हैं, उनके लिए: यह article computer architecture के बारे में नहीं, semiconductor manufacturing के बारे में है।

    • geek version वाले “दो steps में owl कैसे draw करें” meme की उम्मीद थी। step 1: कुछ NAND gates से शुरू करें। step 2: अब बाकी CPU बना लें।
      reference image: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
    • अगर CPU को खास तौर पर microprocessor के रूप में define करें, तो वैसे भी “CPU बनाने” का सबसे कठिन हिस्सा वही है।
      relays, vacuum tubes, discrete transistors, logic gate ICs जैसी कहीं ज्यादा accessible technologies से भी काम करने वाले hobby CPUs बहुत बनाए गए हैं। मूल रूप से जो भी universal logic gates में से किसी एक—जैसे NAND या XOR—की तरह behave कर सके, वह CPU का building block बन सकता है।
    • मैंने instructions बहुत ध्यान से follow किए, लेकिन “chromium etch photolithography quartz mask” जैसी कोई चीज गलत इस्तेमाल कर दी, और बहुत सारी RAM ही बन गई। eBay seller ने कहा था कि वह i7 है, लेकिन इसमें बहुत समय लगा।
    • अगर breadboard पर CPU बनाना सीखना चाहते हैं, तो But How Do It Know? और Scott CPU architecture recommend करूंगा।

  • यह article ज्यादातर silicon wafer बनाने की कहानी था। बाकी process home lab में कैसे की जाती है, यह video ज्यादा detail में दिखाता है: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
    blog यहां है: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/

  • 1990s में BBS पर देखा हुआ “अपना atomic bomb कैसे बनाएं” text file याद आ गया। पहला step कुछ ऐसा था: “weapons-grade plutonium के 50 pounds हासिल करें।”
    ऐसा लगता था जैसे मोहल्ले के military surplus store में जाकर पूरा crate खरीद ला सकते हों, और उस point पर काफी साफ हो गया था कि पूरी चीज मजाक है।

    • Monty Python का Today on how to do it sketch शायद इस genre का classic होगा। दिन का 1 minute खर्च करने लायक तो पक्का है।
      https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
    • उस दौर में “पृथ्वी को नष्ट कैसे करें” जैसी चीज भी थी। कई methods सुझाए गए थे, जिनमें से एक black hole इस्तेमाल करने वाला था: “step 1: suitable size का black hole लाएं। step 2...” जैसा।

  • आज के CPU और 20 साल पहले के CPU में core difference क्या है? छोटे space में ज्यादा transistors तो रख सकते हैं, लेकिन clock speed stagnate हो गई है।
    क्या innovation पूरी तरह pipelines और branch prediction में ही है?

    • इसमें out-of-order execution, hyperthreading, SIMD, बेहतर और बड़े caches, ज्यादा cores, और बेहतर power efficiency भी जोड़ दें।
    • smart instruction set choice भी एक factor लगता है। आज का x86-64, 8088 जो कर सकता था उससे पूरी तरह अलग है, और Apple Silicon पिछली generation की तुलना में एक clock cycle में कहीं ज्यादा काम करता है।

  • अभी Outlander देखते हुए सोच रहा था कि अगर मैं अतीत में वापस चला जाऊं तो कौन-सी value साथ ले जा सकता हूं। शुक्र है, अब मैंने यह article scan कर लिया है, तो computer बना सकूंगा :)

  • यह CPU से ज्यादा chip manufacturing के करीब है। फिर भी अपने आप में बेहद शानदार है। खुद ingot बनाना तो सचमुच insane level है।

  • काश step 16 को बहुत छोटे हिस्सों में तोड़कर, individual structures कैसे बनती हैं, यह आसान ELI5 तरीके से समझाया जाता।