Wie eine CPU hergestellt wird – anschaulich erklärt

 (blog.robertelder.org)
1 Punkte von GN⁺ 2023-10-23 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Der gesamte Ablauf, wie aus Silizium-Rohmaterial aus Gestein und Sand über Wafer, Fotolithografie, Ätzen und Packaging eine CPU wird, wird anhand von Illustrationen nachverfolgt
  • Das Rohmaterial wird von Siliziumdioxid mit etwa 98 % über 99,9 % Siliziumdioxid bis zu 99,9999999 % reinem Polysilizium veredelt und schmilzt dann bei 1698 °K, um zu einem Einkristall heranzuwachsen
  • Dünn geschnittener Einkristall aus Silizium wird zum Wafer, und durch Dotierung sowie Prozesse mit Fotolack und Fotomaske werden Schaltungsmuster auf der Oberfläche erzeugt
  • Die eigentliche Chipstruktur wird durch wiederholtes Aufbauen von Schritten wie Epitaxie, Diffusionsdotierung, Kupfer-Verdrahtungsschichten, chemisch-mechanischem Polieren, Belichtung und Säureätzen gebildet
  • Die Herstellung moderner CPUs ist deutlich komplexer, und die genauen chemischen Zusammensetzungen sind proprietär; außerdem sind die realen Chemikalien gefährlich, daher sollte man die Herstellung integrierter Schaltkreise nicht in einer Wohnung nachahmen

Von Gestein zu hochreinem Silizium

  • Der Ausgangspunkt ist Gestein; wird es zerkleinert, führt das zu einem Schritt, in dem Siliziumdioxid mit etwa 98 % Konzentration gewonnen wird
  • Das Siliziumdioxid wird zunächst auf 99,9 % Reinheit gereinigt und anschließend weiter zu Polysilizium-Metall mit 99,9999999 % Reinheit veredelt
  • Ein Polysilizium-Ingot wird in einen Tiegel gegeben und auf 1698 °K erhitzt, bis es schmilzt
    • Man sollte nicht versuchen, Silizium in einem Küchenofen zu schmelzen

Einkristallzucht und Waferherstellung

  • In das geschmolzene Silizium wird ein kleiner Einkristall-Keim getaucht und dann während des Abkühlens langsam herausgezogen, sodass ein reiner Silizium-Einkristall entsteht
    • Zu diesem Thema kann man Boule) und die Czochralski-Methode nachschlagen
    • Man sollte die Hand nicht in geschmolzenes Silizium halten
  • Der fertige Silizium-Einkristall wird in dünne Scheiben geschnitten und so zum Silizium-Wafer
  • Ein frisch geschnittener Wafer kann gezielt mit Bor, Phosphor oder anderen Dotierstoffen dotiert werden
    • Es wird ergänzt, dass das Element Phosphor nicht direkt gekauft wurde und man sich stattdessen Streichhölzer vorstellen solle

Fotolithografie und Ätzen

  • Auf den Wafer wird Fotolack aufgetragen
  • Durch eine laserbasierte Projektion durch eine Quarzmaske für die Fotolithografie mit in Chrom geätztem gewünschtem Schaltungsmuster wird das Schaltungsmuster auf den Wafer projiziert
  • Je nach Schattenposition, die die Fotomaske erzeugt, verändert sich der Fotolack auf der Waferoberfläche chemisch
    • Positiver und negativer Fotolack reagieren unterschiedlich
  • Danach wird der Fotolack entwickelt, und die freiliegenden Bereiche des Wafers werden mit Säure geätzt

Aufbau der Chipstruktur und Packaging

  • Um die gewünschte Struktur auf dem Wafer zu erzeugen, werden zahlreiche Prozesse immer wieder wiederholt
    • Homoepitaxie, Heteroepitaxie, Pseudoepitaxie
    • Diffusionsdotierung
    • Kupfer-Verdrahtungsschichten
    • chemisch-mechanisches Polieren
    • Auftragen von Fotolack
    • Säureätzen
    • Belichtung mit Fotomasken
  • Der fertige Silizium-Wafer wird in mehrere Stücke geschnitten, die zu Silizium-Dies werden
  • Vor dem Packaging werden auf dem Silizium-Die Pads lokalisiert; anschließend können Bond-Drähte angebracht oder das bei den meisten modernen Prozessoren verwendete Flip-Chip-Verfahren eingesetzt werden
  • Bond-Drähte oder Lotkugeln verbinden die Pins des Chip-Packages elektrisch mit den Pads auf dem Silizium-Die
  • Wer einen genaueren Blick in eine echte Intel-CPU werfen möchte, kann CPUs Are Smaller Than You Think lesen

Komplexität der realen Fertigung und Sicherheitshinweise

  • Die Fertigungsprozesse moderner CPUs sind viel komplexer und weniger eindeutig als diese bildhafte Erklärung
  • Neue Chipgenerationen verändern in der Regel die Art, wie Strukturen auf dem Wafer erzeugt werden; die Änderungen beschränken sich nicht nur auf kleinere Feature-Größen
  • Viele allgemeine Techniken und wichtige Schritte wurden ausgelassen, und Details wie exakte chemische Zusammensetzungen oder Konzentrationen sind stark proprietär, sodass sie auf Hacker News oder Reddit kaum öffentlich erklärt werden
  • Für viele Schritte wie die Beschaffung und Reinigung von Silizium gibt es oft mehr als nur eine gebräuchliche Methode
  • Als Suchbegriffe zum Weiterlernen werden „Advanced Optics For Photolithography“, „Chemical Deposition Nanofabrication“ und „Lithographic Metrology“ genannt
  • Modernste Features im Nanometerbereich sind für Hobbybastler schwer zugänglich, aber amateurhafte Chipfertigung im Mikrometerbereich scheint durchaus möglich zu sein
    • Es wird darauf hingewiesen, dass dies nicht selbst ausprobiert wurde; empfohlen wird der YouTube-Kanal von Sam Zeloof
  • Der im Video gezeigte „Fotolack“ und „Entwickler“ sind farbige Requisiten; die echten Chemikalien sind meist gesundheitsschädlich
  • Echte integrierte Schaltkreise sollten nur mit geeigneter Schutzausrüstung und in gut belüfteten Räumen oder unter einem Abzug hergestellt werden; man sollte das nicht auf dieselbe Weise in einer Wohnung versuchen

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2023-10-23
Meinungen auf Hacker News

  • Jetzt habe ich einen Traum. Vielleicht nicht so großartig wie der Traum, den jemand anderes hatte, aber es ist meiner.
    Ich möchte einen Kurs oder eine Kursreihe über den Prozess, die Welt neu zu erschaffen, machen. Etwas, das man langsam mit Kindern durchgehen kann.
    Es erinnert mich an Bücher wie „The Knowledge“ und die dazugehörigen Materialien, aber nachdem ich Dinge ausprobiert habe wie selbst einen Sextanten zu bauen und den Erdumfang zu messen, hätte ich nie gedacht, dass es möglich wäre, am Ende sogar eine selbstgebaute CPU zu bauen, die meine eigene Sprache ausführen kann – doch es scheint tatsächlich machbar.
    Man könnte mit Feuer beginnen und dann über das Sonnensystem, Kalk und schließlich bis zur CPU gehen. Die Welt, in der wir leben, ist unglaublich komplex, aber sie ist auch eine Welt, die man wieder neu erschaffen kann.
    Es fühlt sich inspiriert an von Feynmans Satz an der Tafel: „Was ich nicht reproduzieren kann, habe ich nicht verstanden.“

    • Dieses Buch ist ein guter Ausgangspunkt. Es enthält auch Literaturhinweise.
      http://the-knowledge.org/en-gb/
      https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
      Der YouTube-Kanal Primitive Technology ist ebenfalls sehenswert.
      https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
    • Der Anime Dr Stone dürfte dir auch gefallen. Darin macht jemand genau so etwas, und das Ganze ist unterhaltsam und fast wie ein Kurs aufbereitet.
    • Schau dir Open Source Ecology und das Global Village Construction Set an.
      Ich war ein paar Mal bei Marcins Workshops, also frag ruhig, wenn du etwas wissen willst. CollapseOS passt auch dazu.
      Mich interessiert das auch aus Sicht von Katastrophen-Wiederaufbau-Szenarien, und ich habe gerade meine Reise in den Amateurfunk begonnen; das wirkt wie eine Community, die Kommunikation wiederherstellen will, wenn alles andere ausfällt.
    • Diesen Traum teile ich auch. Ein umfassender Leitfaden, wie man alles aus Rohmaterialien herstellt, wäre fantastisch.
      Um anzufangen, müsste man wohl die Herstellungsschritte per Reverse Engineering nachvollziehen und daraus dann einen Abhängigkeitsbaum aufbauen.
      Ein Leitfaden zum Bau einer CPU hängt zum Beispiel von der Verwendung bestimmter Chemikalien ab, also müsste er auch erklären, wie man diese Chemikalien gewinnt, und anschließend, wie man die Ausrüstung baut, die das ermöglicht. Am Ende muss man bis zu den Schritten hinuntergehen, bei denen man mit primitiven Werkzeugen und Verfahren Rohmaterialien gewinnt.
    • Es gibt auch ein humorvolleres Buch darüber, wie man die Zivilisation von Grund auf neu aufbaut, aus der Perspektive eines in der Vergangenheit gestrandeten Zeitreisenden, der nur die Anleitung für die Zeitmaschine dabeihat: Ryan Norths How to Invent Everything: Rebuild All of Civilization
      https://www.howtoinventeverything.com/

  • Wenn dich Optik und Photolithografie interessieren, empfehle ich Huygens Optics auf YouTube. Der Macher Jeroen ist wirklich tief in dieses Thema eingetaucht.
    Jeris Prozess wirkt im Vergleich zu Sams Labor ziemlich grob.
    [0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
    [1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM

  • Bei Schritt 15 habe ich gewisse Zweifel. Ich habe früher in einem Forschungslabor im ehemaligen Ostblock gearbeitet, das Anfang der 90er Chips herstellte, und soweit ich mich erinnere, wurde geätzt, indem man chlorbasierte Gase über den Wafer leitete, in einer Hochtemperaturumgebung, vermutlich bei etwa 1200 °C.
    Diese Temperatur wurde durch Induktionsheizung erzeugt, bei der 8-kHz-Wechselstrom durch wassergekühlte Kupferspulen floss. Der Generator war mechanisch und eine große wassergekühlte Maschine, die wegen des Lärms im Keller des Gebäudes stand. Häufige Lecks waren ein weiterer Grund, sie dort unterzubringen.
    Ich war für die Wartung der Heizanlage und die Umstellung auf einen elektronischen Generator auf Thyristorbasis zuständig – im Grunde eine Mischung aus Elektroniker und Klempner.

    • Hochtemperaturätzen mit chlorbasierten Gasen über dem Wafer ist Plasmaätzen beziehungsweise Trockenätzen.
      Schritt 15 zeigt Säureätzen beziehungsweise nasschemisches Ätzen.
      Die jeweiligen Vor- und Nachteile kenne ich nicht genau, aber beide wurden als praktikable Methoden zum Ätzen von Schaltungen eingesetzt.

  • Für alle, die zuerst die Kommentare lesen: In diesem Artikel geht es nicht um Computerarchitektur, sondern um Halbleiterfertigung.

    • Ich hatte die Geek-Version des Memes „Wie man eine Eule in zwei Schritten zeichnet“ erwartet. Schritt 1: Mit ein paar NAND-Gattern anfangen. Schritt 2: Jetzt den Rest der CPU bauen.
      Referenzbild: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
    • Wenn man CPU konkret als Mikroprozessor definiert, ist das ohnehin der schwierigste Teil von „eine CPU bauen“.
      Es wurden schon viele Hobby-CPUs gebaut, die mit deutlich zugänglicheren Technologien funktionieren: Relais, Vakuumröhren, diskrete Transistoren oder Logikgatter-ICs. Im Grunde kann alles, was sich wie eines der universellen Logikgatter, etwa NAND oder XOR, verhalten kann, ein Baustein einer CPU sein.
    • Ich habe die Anweisungen sorgfältig befolgt, aber irgendetwas mit der „chromgeätzten photolithografischen Quarzmaske“ falsch gemacht und am Ende nur jede Menge RAM hergestellt. Der eBay-Verkäufer sagte, es sei ein i7, aber es hat ewig gedauert.
    • Wenn du wissen willst, wie man eine CPU auf dem Breadboard baut, empfehle ich But How Do It Know? und die Scott-CPU-Architektur.

  • Der Artikel handelte größtenteils davon, wie man einen Siliziumwafer herstellt. Wie die restlichen Schritte in einem Heimlabor funktionieren, zeigt dieses Video ausführlicher: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
    Der Blog dazu ist hier: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/

  • Das erinnert mich an die Textdatei „Wie man selbst eine Atombombe baut“, die ich in den 1990ern in einer BBS gesehen habe. Der erste Schritt war ungefähr: „Besorge dir 50 Pfund waffenfähiges Plutonium.“
    Es klang so, als könne man einfach zum örtlichen Army-Surplus-Laden gehen und eine Kiste davon kaufen, und an dem Punkt war ziemlich klar, dass das Ganze ein Witz war.

    • Monty Pythons Sketch Today on how to do it ist wohl ein Klassiker dieses Genres. Eine Minute deines Tages ist er definitiv wert.
      https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
    • Damals gab es auch so etwas wie „Wie man die Erde zerstört“. Es wurden mehrere Methoden vorgeschlagen, eine davon verwendete ein Schwarzes Loch: „Schritt 1: Nimm ein Schwarzes Loch geeigneter Größe. Schritt 2 ...“ und so weiter.

  • Was ist der Kernunterschied zwischen heutigen CPUs und CPUs von vor 20 Jahren? Man kann mehr Transistoren auf kleinerer Fläche unterbringen, aber die Taktrate stagniert.
    Liegt die ganze Innovation nur noch in Pipelines und Sprungvorhersage?

    • Dazu kommen Out-of-Order Execution, Hyper-Threading, SIMD, bessere und größere Caches, mehr Kerne und höhere Energieeffizienz.
    • Ich würde auch die clevere Wahl des Befehlssatzes dazuzählen. Das heutige x86-64 ist etwas völlig anderes als das, was ein 8088 konnte, und Apple Silicon erledigt pro Taktzyklus deutlich mehr als frühere Generationen.

  • Ich habe gerade Outlander geschaut und darüber nachgedacht, welchen Wert ich mitbringen könnte, wenn ich in die Vergangenheit zurückginge. Zum Glück habe ich jetzt diesen Artikel überflogen, also kann ich wohl einen Computer bauen. :)

  • Das ist eher Chipfertigung als eine CPU. Trotzdem für sich genommen enorm cool. Einen eigenen Ingot herzustellen ist wirklich völlig irre.

  • Ich wünschte, Schritt 16 würde viel feiner aufgeschlüsselt und in diesem einfachen ELI5-Stil erklären, wie die einzelnen Strukturen hergestellt werden.