CPU’nun nasıl üretildiği çizimlerle anlatılıyor

• Kaya ve kumdan başlayan silikon hammaddesinin, wafer, fotolitografi, aşındırma ve paketleme aşamalarından geçerek CPU’ya dönüşmesinin tüm akışı çizimlerle izleniyor
• Hammadde, yaklaşık %98 saflıktaki silikon dioksitten %99,9 silikon dioksite ve %99,9999999 polisilikona arıtıldıktan sonra 1698 °K’de eritilip tek kristal olarak büyütülüyor
• İnce dilimlenen tek kristal silikon wafer’a dönüşüyor; yüzeydeki devre desenleri doping ile fotoresist ve fotomaske süreçleri üzerinden oluşturuluyor
• Gerçek çip yapısı; epitaksi, difüzyon doping, bakır ara bağlantı katmanları, kimyasal-mekanik parlatma, pozlama ve asit aşındırma gibi adımların tekrar tekrar uygulanmasıyla katman katman inşa ediliyor
• Modern CPU üretimi çok daha karmaşık; ayrıntılı kimyasal bileşimler tescilli ve gerçek kimyasallar tehlikeli olduğundan apartman dairesinde entegre devre üretimini taklit etmeye çalışmamak gerekiyor

---

Kayadan yüksek saflıkta silikona

• Başlangıç noktası kaya; bunun parçalanması yaklaşık %98 yoğunlukta silikon dioksit elde edilen aşamaya götürüyor
• Silikon dioksit önce %99,9 saflığa arıtılıyor, ardından %99,9999999 saflıkta polisilikon metale kadar daha da saflaştırılıyor
• Polisilikon ingot bir potaya konulup 1698 °K’ye kadar ısıtılarak eritiliyor
  • Mutfağınızdaki fırında silikonu eritmeye çalışmamalısınız

Tek kristal büyütme ve wafer üretimi

• Eritilmiş silikona küçük bir tek kristal çekirdek daldırılıyor, ardından soğurken yavaşça yukarı çekilerek saf silikon tek kristali oluşturuluyor
  • İlgili konular için Boule) ve Czochralski Method incelenebilir
  • Eritilmiş silikona elinizi sokmamalısınız
• Tamamlanan silikon tek kristali ince dilimler halinde kesilerek silikon wafer haline geliyor
• Yeni kesilmiş wafer, seçime bağlı olarak Boron, Phosphorus veya başka katkı maddeleriyle doping işleminden geçirilebiliyor
  • Açıklamaya göre, Phosphorus elementi doğrudan satın alınmadığı için bunu kibrit üzerinden hayal etmeniz isteniyor

Fotolitografi ve aşındırma

• Wafer üzerine fotoresist uygulanıyor
• İstenen devre deseni kazınmış krom aşındırmalı fotolitografi amaçlı kuvars maskeden lazer geçirilerek devre deseni wafer üzerine yansıtılıyor
• Fotomaske tarafından oluşturulan gölge konumuna bağlı olarak wafer yüzeyindeki fotoresist kimyasal olarak değişiyor
  • Pozitif fotoresist ile negatif fotoresist farklı şekillerde tepki veriyor
• Sonrasında fotoresist geliştiriliyor ve açığa çıkan wafer bölümleri asitle aşındırılıyor

Çip yapısının oluşturulması ve paketleme

• Wafer üzerinde istenen yapıyı oluşturmak için çok sayıda süreç defalarca tekrar ediliyor
  • Homoepitaksi, heteroepitaksi, sözde epitaksi
  • Difüzyon doping
  • Bakır ara bağlantı katmanları
  • Kimyasal-mekanik parlatma
  • Fotoresist kaplama
  • Asit aşındırma
  • Fotomaske pozlama
• Tamamlanan silikon wafer birçok parçaya kesilerek silikon die haline getiriliyor
• Paketlemeden önce silikon die üzerindeki pad’ler bulunuyor; ardından bond wire eklenebiliyor ya da modern işlemcilerin çoğunda kullanılan flip-chip yöntemi uygulanabiliyor
• Bond wire veya lehim bilyeleri, çip paketinin pinleri ile silikon die üzerindeki pad’ler arasında elektriksel bağlantı kuruyor
• Gerçek bir Intel CPU’nun içine daha yakından bakmak isterseniz CPUs Are Smaller Than You Think bağlantısına göz atabilirsiniz

Gerçek üretimin karmaşıklığı ve güvenlik uyarısı

• Modern CPU üretim süreci bu çizimli anlatımdan çok daha karmaşık ve daha az net
• Yeni çip nesilleri genellikle wafer üzerinde yapı oluşturma yöntemini değiştiriyor; değişim yalnızca özellik boyutunu küçültmekle sınırlı kalmıyor
• Pek çok genel teknik ve önemli adım atlanmış durumda; tam kimyasal bileşimler veya derişimler gibi ayrıntılar oldukça tescilli olduğundan HackerNews ya da Reddit’te açıkça anlatılmaları zor
• Silikon tedariki ve arıtımı gibi çeşitli aşamalar için yaygın olarak kullanılan birden fazla yöntem bulunuyor
• Daha fazla öğrenmek için şu arama ifadeleri öneriliyor: “Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication”, “Lithographic Metrology”
• En ileri nanometre ölçekli yapılar hobi amaçlı üreticiler için erişmesi zor olsa da, mikron ölçeğinde amatör çip üretimi oldukça mümkün görünüyor
  • Bunun bizzat denenmediği belirtiliyor ve Sam Zeloof YouTube kanalı öneriliyor
• Videodaki ‘fotoresist’ ve ‘geliştirici’ renkli aksesuarlar; gerçek kimyasalların çoğu ise zararlı
• Gerçek entegre devre üretimi yalnızca uygun güvenlik ekipmanı ve iyi havalandırılan bir ortamda ya da bir çeker ocak altında ele alınmalı; apartman dairesinde aynı şekilde denenmemeli

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Artık bir hayalim var. Başkasının gördüğü rüyalar kadar havalı olmayabilir ama benim hayalim
  Dünyayı yeniden kurma sürecini ele alan bir ders ya da ders dizisi hazırlamak istiyorum. Çocuklarla yavaş yavaş yapılabilecek türden bir şey
  Bu bana "The Knowledge" gibi kitapları ve ilgili kaynakları hatırlatıyor ama bizzat sekstant yapıp Dünya'nın çevresini ölçmek gibi şeyler deneyince, kendi dilimi çalıştıracak ev yapımı bir CPU bile yapabileceğimi hiç düşünmemiştim; ama gerçekten mümkün görünüyor
  Ateşten başlayıp Güneş Sistemi'ne, kirece ve oradan CPU'ya kadar gidilebilir. İçinde yaşadığımız dünya inanılmaz derecede karmaşık ama aynı zamanda yeniden kurulabilir bir dünya
  Feynman'ın tahtada bıraktığı “Yeniden üretemediğim şeyi anlamış sayılmam” cümlesinden ilham almış gibi hissettiriyor

  • Bu kitaptan başlamak iyi olabilir. Kaynakça da var
    http://the-knowledge.org/en-gb/
    https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
    Primitive Technology YouTube kanalı da bakmaya değer
    https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
  • Dr Stone animesini de sevebilirsin. Tam olarak bunu yapan birini anlatıyor; eğlenceli ve neredeyse ders gibi paketlenmiş
  • Open Source Ecology ve Global Village Construction Set konularına bakmak iyi olabilir
    Marcin'in atölyelerine birkaç kez katıldım; merak ettiklerini sorabilirsin. CollapseOS da bununla ilgili
    Afet sonrası toparlanma senaryoları açısından da ilgimi çekiyor ve kısa süre önce amatör telsiz yolculuğuma başladım; her şey çöktüğünde iletişimi yeniden kurmaya çalışan bir topluluk gibi görünüyor
  • Ben de aynı hayali paylaşıyorum. Her şeyi hammaddeden başlayarak yapmayı anlatan kapsamlı bir rehber harika olurdu
    Başlamak için üretim adımlarını tersine mühendislikle çıkarmak ve oradan bir bağımlılık ağacı kurmak gerekir gibi geliyor
    Örneğin CPU yapım rehberi bazı kimyasalların kullanımına dayanıyorsa, o kimyasalların nasıl elde edileceğini ve ardından bunu mümkün kılan ekipmanın nasıl yapılacağını da anlatmalı. Sonunda ilkel araçlar ve süreçlerle hammaddelerin elde edildiği aşamaya kadar inmek gerekir
  • Geçmişte mahsur kalmış bir zaman yolcusunun yanında yalnızca zaman makinesi kullanım kılavuzu olduğu fikrinden hareketle, uygarlığı sıfırdan yeniden kurmayı daha mizahi biçimde ele alan bir kitap da var: Ryan North'un How to Invent Everything: Rebuild All of Civilization
    https://www.howtoinventeverything.com/

• Optik ve fotolitografiyle ilgileniyorsan, YouTube'daki Huygens Optics'i öneririm. İçerik üreticisi Jeroen bu konuya gerçekten kendini vermiş
  Jeri'nin süreci, Sam'in laboratuvarıyla karşılaştırıldığında epey kaba hissettiriyor
  [0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
  [1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM

• 15. adım biraz şüpheli geliyor. Eskiden 90'ların başında çip üreten eski Sovyet bloğu araştırma enstitülerinden birinde çalışıyordum; hatırladığım kadarıyla dağlama, wafer'ın üzerinden klor bazlı gazlar akıtılarak yüksek sıcaklıkta, muhtemelen yaklaşık 1200°C'de yapılıyordu
      Bu sıcaklık, su soğutmalı bakır bobinlerden 8kHz AC geçirilerek yapılan indüksiyon ısıtması ile sağlanıyordu. Jeneratör mekanikti ve gürültü nedeniyle binanın bodrumuna konmuş büyük, su soğutmalı bir makineydi. Sık sızıntı yaptığı için de bodrumda tutuluyordu
      Ben ısıtma tesisatının bakımından ve elektronik tristör tabanlı jeneratöre geçişten sorumluydum; iş neredeyse elektronik mühendisiyle tesisatçının birleşimi gibiydi
  • Wafer üzerinden klor bazlı gazlar akıtılarak yapılan yüksek sıcaklıklı dağlama plazma dağlama ya da kuru dağlamadır
    15. adım ise asitle dağlamayı ya da ıslak kimyasal dağlamayı gösteriyor
    Her birinin artılarını ve eksilerini iyi bilmiyorum ama devre dağlamak için ikisi de uygulanabilir yöntemler olarak kullanıldı

• Önce yorumları okuyanlar için: Bu yazı bilgisayar mimarisi hakkında değil, yarı iletken üretimi hakkında

  • İki adımda baykuş çizme mem'inin inek versiyonunu bekliyordum. 1. adım: Birkaç NAND kapısıyla başla. 2. adım: Şimdi CPU'nun geri kalanını yap
    Referans görsel: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
  • CPU'yu özellikle mikroişlemci olarak tanımlarsan, zaten “CPU yapmak” işinin en zor kısmı da orası
    Röleler, vakum tüpleri, ayrık transistörler, mantık kapısı IC'leri gibi çok daha erişilebilir teknolojilerle çalışan hobi amaçlı CPU'lar epey yapıldı. Temelde genel amaçlı mantık kapılarından biri olan NAND ya da XOR gibi davranabilen her şey CPU'nun bir bileşeni olabilir
  • Talimatları dikkatle izledim ama “krom dağlama fotolitografi kuvars maske” gibi bir şeyi yanlış yaptığım için elimde bir sürü RAM oldu. eBay satıcısı bunun i7 olduğunu söylemişti ama çok uzun sürdü
  • Breadboard üzerinde CPU yapmayı öğrenmek istiyorsan But How Do It Know? ile Scott CPU mimarisine bakmanı öneririm

• Bu yazı çoğunlukla silikon wafer yapımı hakkındaydı. Sürecin geri kalanının ev laboratuvarında nasıl yapıldığını bu video daha ayrıntılı gösteriyor: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
  Blog da burada: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/

• 1990'larda BBS'lerde gördüğüm “kendi atom bombasını yap” metin dosyasını hatırlattı. İlk adım kabaca “50 pound silah sınıfı plütonyum edin” gibi bir şeydi
  Sanki mahalledeki askeri fazla malzeme dükkânına gidip kasayla alınabilecek bir şeymiş hissi veriyordu; o noktada bunun bütünüyle şaka olduğu epey açıktı

  • Monty Python'ın Today on how to do it skeçi muhtemelen bu türün klasiğidir. Gününün 1 dakikasını ayırmaya kesinlikle değer
    https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
  • O zamanlar “Dünya nasıl yok edilir” gibi şeyler de vardı. Çeşitli yöntemler öneriliyordu; bunlardan biri de kara delik kullanmaktı: “1. adım: Uygun boyutta bir kara delik bulun. 2. adım...” gibi

• Bugünün CPU'ları ile 20 yıl önceki CPU'lar arasındaki temel fark ne? Daha küçük alana daha fazla transistör sığdırabiliyoruz ama saat hızı yerinde saydı
  Yeniliklerin tamamı yalnızca boru hattı ve dallanma tahmini tarafında mı?

  • Buna sırasız yürütme, hyper-threading, SIMD, daha iyi ve daha büyük önbellekler, daha fazla çekirdek ve daha iyi güç verimliliği de ekleniyor
  • Akıllıca komut kümesi seçimi de bunun bir parçası bence. Bugünün x86-64'ü, 8088'in yapabildiklerinden tamamen farklı ve Apple Silicon, önceki nesillere göre tek saat çevriminde çok daha fazla iş yapıyor

• Az önce Outlander izlerken geçmişe gitsem yanıma hangi değeri götürebileceğimi düşünüyordum. Neyse ki şimdi bu yazıya göz gezdirdim, demek ki bilgisayar yapabilirim :)

• CPU'dan çok çip üretimine yakın. Yine de başlı başına inanılmaz havalı. Kendi ingotunu yapmak gerçekten çılgınlık

• Keşke 16. adım çok daha küçük parçalara ayrılsa ve tek tek yapıların nasıl oluşturulduğu bu basit ELI5 tarzıyla anlatılsa