نگاهی به یکی از پیشرفته‌ترین کارخانه‌های جهان؛ اینتل چگونه پردازنده می‌سازد؟

آیا می‌دانید ساختار کارخانه‌های ساخت تراشه اینتل چگونه است و این کارخانه‌ها از چه بخش‌هایی تشکیل شده‌اند؟ در این مطلب قصد داریم سفری به یکی از کارخانه‌های این شرکت به نام فب ۴۲ (Fab 42) داشته باشیم که یکی از مجهزترین کارخانه‌های ساخت تراشه در جهان محسوب می‌شود و ببینیم ریزپردازنده‌های اینتل چگونه در این کارخانه تولید می‌شوند.

تولید پردازنده در کارخانه Fab 42 اینتل

کارخانه Fab 42 در یکی از پردیس‌های جدید اینتل به نام پردیس اوکوتیلو (Ocotillo campus) در شهر چندلر در ایالت آریزونای آمریکا واقع شده است. این پردیس در کنار پردیس قدیمی‌تر اینتل در شهر چندلر واقع شده و اینتل در این دو پردیس درمجموع ۱۲ هزار کارمند دارد؛ البته کارخانه Fab 52 و Fab 62 اینتل نیز در همین مکان در حال ساخت هستند و به همین دلیل این شرکت در حال استخدام ۳ هزار نیروی جدید نیز است.

پردازنده‌های سرور Sapphire Rapids

پردازنده سرور Sapphire Rapids قرار است سال ۲۰۲۲ با تراشه سرور زئون (Xeon) اینتل عرضه شود. این تراشه از چهار چیپست (مجموعه تراشه) دربردارنده موتور پردازنده و چهار ماژول حافظه ذخیره‌سازی ساده با پهنای باند بالا تشکیل شده است. تمام این قطعات با استفاده از فناوری متصل‌کننده (یا فناوری پکیجینگ) Embedded Multi-Die Interconnect Bridge یا EMDIB اینتل به یکدیگر متصل شده‌اند. این فناوری پکیجینگ برای رقابت با فناوری‌های مشابه ارائه‌ شده از سوی TSMC و سامسونگ ایجاد شده است.

ویفر تراشه‌های آزمایشی Meteor Lake

در این مرحله سطح یک ویفر ۳۰۰ میلی‌متری با صدها تراشه آزمایشی Meteor Lake پوشانده می‌شود. در این مرحله لایه بالایی چیپست ها در طی فرآیندی تحت عنوان خرد کردن یا Dicing (جدا کردن دای‌های ویفر) به یک لایه پایه متصل می‌شود، سپس ویفر به پردازنده‌های جداگانه تقسیم می‌شود (مانند زمانی که چیزی خرد و تکه‌تکه می‌شود).

ویفر Sapphire Rapids اینتل

Sapphire Rapids، تراشه سرور زئون اینتل که در سال ۲۰۲۲ عرضه خواهد شد، دارای چهار موتور پردازنده و چهار ماژول حافظ با پهنای باند بالا با پیکربندی نمایش‌داده‌ شده در تصویر بالا است. در این تصویر ویفری را مشاهده می‌کنید که ۸ عدد از این تراشه‌ها را روی خود جای داده است و هر یک از این تراشه‌ها یک چیپلت (Chiplet) نام دارد. در بین چیپلت‌ها فضاهای مستطیل‌شکل باریکی دیده می‌شود که در حقیقت اتصالات EMIB برای متصل کردن چیپلت‌ها به یکدیگر هستند. اهمیت این فناوری پکیجینگ در صنعت تراشه‌سازی در حال افزایش است.

پردازنده‌های Ponte Vecchio

پردازنده‌های پونته وکیو اینتل (Ponte Vecchio) که قرار است سال ۲۰۲۲ عرضه شود، مغز ابرکامپیوتر Aurora وزارت انرژی ایالات‌ متحده آمریکا خواهد بود. اینتل ساخت این پردازنده را در آزمایشگاه ملی آرگون به تأخیر انداخته؛ اما در مقابل مدعی است که حداکثر کارکرد آن نسبت به زمانی که در حال طراحی بوده، دو برابر شده است.

چیپلت‌های پردازنده Ponte Vecchio

پردازنده Ponte Vecchio اینتل به معنای واقعی کلمه یک قطعه فنی محسوب می‌شود؛ زیرا در آن ۴۷ قطعه سیلیکونی مجزا با یکدیگر ترکیب شده‌اند. هر یک از چیپلت‌ها در یک دسته از یک سمت با دقت با اتصالات EMIB به یکدیگر متصل شده‌اند و به سمت بیرونی کشیده شده‌اند و از سمت دیگر با اتصالات Foveros اینتل به سمت بالا کشیده شده‌اند. Foveros نشان‌دهنده توانایی اینتل در زمینه فناوری پکیجینگ است. اینتل برای ساخت واحدهای پردازنده گرافیکی در قلب پردازنده، بر فناوری‌های TSMC یعنی شرکت رقیب خود متکی است.

تراشه‌های آزمایشی Meteor Lake

تراشه Meteor Lake که یک تراشه مختص کامپیوترهای شخصی محسوب می‌شود و قرار است در سال ۲۰۲۳ عرضه شود، از نسل دوم فناوری پکیجینگ Foveros بهره می‌برد تا با استفاده از آن چیپلت‌ها به‌صورت یک پشته در پردازنده کامل قرار گیرند. تجهیزات آزمایش Meteor Lake برای کسب اطمینان از عملکرد درست فناوری Foveros و عدم وجود مشکلات مرتبط با تنظیم بودن و هم‌تراز بودن یا اتصالات الکتریکی در آن استفاده می‌شود.

چیپلت‌های سفیر رپید اینتل

ماسوره‌های دارای روکش پلاستیکی دربردارنده چیپلت‌ها به‌صورت هوایی از یک کارخانه اینتل به ایالت اورگن منتقل می‌شوند و در تجهیزات تراشه‌سازی CH-4 قرار می‌گیرند. این تجهیزات هر یک از قطعات سیلیکونی را برای ساخت یک پردازنده بزرگ‌تر در جای خود قرار می‌دهد.

تراشه‌های آزمایشی Meteor Lake

تراشه‌های آزمایشی Meteor Lake روی یک ویفر ۳۰۰ میلی‌متری با دقت در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. برخی از تراشه‌های پردازنده روی لایه پایه ویفر که در زیر آن‌ها قرار دارد، به‌صورت جداگانه به یکدیگر متصل می‌شوند. این تراشه مختص کامپیوترهای شخصی، در سال ۲۰۲۳ عرضه می‌شود. این تراشه‌های آزمایشی برای ارزیابی عملکرد فناوری پکیجینگ اینتل استفاده می‌شوند، نه ارزیابی پردازنده‌های تکمیل‌ شده.

آزمایش‌های فناوری پکیجینگ مورداستفاده در تراشه Meteor Lake

همان‌طور که قبلاً گفتیم، تراشه‌های Meteor Lake قرار است در سال ۲۰۲۳ برای کامپیوترهای شخصی استفاده شوند. در این تراشه چند چیپلت با بهره‌مندی از فناوری پکیجینگ Foveros در یک تراشه بزرگ‌تر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. این فناوری متصل‌کننده، چیپلت‌ها را به‌صورت پشته‌های عمودی در کنار یکدیگر قرار می‌دهد و آن‌ها را با استفاده از اتصالات داده سریع به یکدیگر متصل می‌کند. در این بخش از کارخانه، چیپلت‌ها به‌صورت مجزا به لایه پایه ویفر زیر خود متصل می‌شوند تا تراشه‌های به هم پیوسته‌ای را ایجاد کنند.

مکان احداث کارخانه‌های Fab 52 و Fab 62 اینتل

اینتل از فضای بلااستفاده در پردیس قدیمی ساخته‌شده در شهر چندلر نیز استفاده کرده و قصد دارد کارخانه‌های Fab 52 و Fab 62 را در این مکان احداث کند. هزینه ساخت هر یک از این دو کارخانه ۱۰ میلیارد دلار است و احتمالاً از سال ۲۰۲۴ کار خود را آغاز می‌کنند. احتمالاً این دو کارخانه باعث استخدام ۳ هزار نیروی جدید می‌شوند و این نیروها به ۱۲ هزار نیروی کنونی اینتل در ایالات آریزونا اضافه می‌شوند.

علائم خیابانی اینتل در Fab 42

علائم خیابانی اینتل در Fab 42 در پردیس اوکوتیلو در نزدیکی شهر فینیکس دارای نام‌های مرتبط با صنعت تراشه‌سازی مثل راه ویفر (Wafer Way)، خیابان آنگستروم (Angstrom Avenue)، فضای کلین روم (Cleanroom Corner)، تراس ترانزیستور (Transistor Terrace)، پارک‌وی پردازنده (Processor Parkway)، خیابان سیلیکون (Silicon Street) و مسیر تیک‌تاک (Tick-Tock Trail) است.

پوشش‌های یک‌تکه جلوباز (FOUPها) منتقل‌کننده تراشه‌های اینتل

کارخانه‌های تراشه‌سازی اینتل که به‌عنوان فب (Fab) شناخته می‌شوند، مکان‌های فوق‌العاده تمیزی هستند؛ اما با این حال تراشه‌ها در پوشش‌های یک‌تکه جلوبازی که FOUP نام دارند، برای منتقل کردن ویفرهای سیلیکونی در کارخانه از یک بخش خط تولید به بخش دیگر استفاده می‌شوند. در تصویر بالا دو FOUP را می‌بینید که جلوی ماژول تجهیزات تراشه‌ساز نصب شده‌اند.

سیستم سقفی انتقال تراشه

تجهیزات تراشه‌ساز در کارخانه‌های فب ۱۲، ۲۲، ۳۲ و ۴۲ به سیستم انتقال سقفی با چند کیلومتر طول متصل هستند که برای انتقال پشته‌های ویفرهای سیلیکونی با استفاده از غلاف‌های پلاستیکی به کار گرفته می‌شوند.

پردازنده پونته وکیو اینتل

در تصویر بالا چهار عدد پردازنده پونته وکیو اینتل را کنار هم می‌بینید که از نظر استانداردهای تراشه‌سازی تراشه بسیار بزرگی محسوب می‌شود. هریک از این پردازنده‌ها دربردارنده ده‌ها چیپلت به‌هم‌متصل‌شده هستند که در مجموع یک میلیارد ترانزیستور دارند. ترانزیستور اصلی‌ترین قطعه پردازشگر داده در پردازنده محسوب می‌شود.

تراشه‌های آزمایشی میتیر لیک

در تصویر بالا که نمای نزدیکی از تراشه‌های آزمایشی میتیر لیک است، هر یک از چیپلت‌ها کاملاً مشخص هستند.

مرحله اول اتاق کلین روم: دستکش‌ها

کارکنان کارخانه بلافاصله پس از ورود به اتاق کلین روم، دو جفت دستکش از دیوار دستکش‌ها برمی‌دارند و آن‌ها را سریع می‌پوشند. دستکش‌هایی که روی دستکش‌های اول پوشیده می‌شوند، برای محافظت کامل از کارکنان به‌اندازه کافی بلند هستند.

کارخانه Fab 42 در شهر چندلر در ایالت آریزونا

کارخانه Fab 42 کارخانه‌ای با وسعتی بالا در شهر چندلر در ایالت آریزونا قرار دارد که با کارخانه‌های قدیمی‌تر Fab 12 و Fab 22 و Fab 32 ارتباط دارد. در ضمن اینتل ساخت کارخانه‌های Fab 52 و Fab 62 را نیز آغاز کرده که از سال ۲۰۲۴ فعالیت خود را آغاز می‌کنند.

FOUBها در کارخانه Fab 42

غلاف‌های پلاستیکی موجود در کارخانه Fab 42 که FOUB نام دارند، پشته‌های ویفرهای سیلیکونی را از یک بخش خط تولید به بخش دیگر منتقل می‌کنند. یک تراشه برای تکمیل شدن باید صدها مرحله مختلف تولید را پشت سر گذارد.

زیرساخت Fab 42

کارخانه Fab 42 برای تولید یک تراشه کامل و بدون نقص دارای زیرساختی پیچیده متشکل از بخش‌های مختلف است که شامل بخش تأمین نیرو، سیستم از بین‌برنده آلودگی‌ها و ذرات اضافی با آب و سیستم خنک‌کننده با جریان هوا می‌شود. یک کارخانه تراشه‌سازی برای فعالیت روزانه خود نیازمند میلیون‌ها لیتر آب خالص است. در پردیس اوکوتیلو هر روز بیش از ۳۴ میلیون لیتر آب مصرف می‌شود. اینتل در حال کار روی روش‌هایی است که با بهره‌مندی از آن‌ها بتواند میزان آبی که به حوضه‌های آبریز جنوب آریزونا بازمی‌گرداند، بیش از میزان آب مصرفی کارخانه‌های خود باشد.

تجهیزات لایه‌بردار Fab 42 اینتل

یکی از مراحل تولید تراشه در Fab 42 مرحله لایه‌برداری است که در آن تجهیزات لایه‌بردار لایه‌هایی از مواد ویفر سیلیکونی را برمی‌دارند.

تجهیزات انباشت بخار شیمیایی

برای قرار دادن مواد مختلف در تراشه‌های سیلیکونی باید مراحل مختلفی طی شود. ویفرها در مرحله اول در معرض یک پرتو نور دارای الگو قرار می‌گیرند تا سطح آن‌ها تغییر کند. سپس موادی به سطح ویفر افزوده یا موادی از روی سطح آن برداشته می‌شود. روش انباشت بخار شیمیایی یکی از روش‌های افزودن لایه‌های ماده به سطح ویفر است.

تجهیزات پاکسازی Fab 42

پاکسازی با مواد شیمیایی یکی از مراحلی است که در فرایند پردازش ویفرها و قرار دادن آن‌ها در داخل تراشه، بارها تکرار می‌شود و یکی از مراحل تولید بسیار بااهمیت و ضروری است. در این بخش از فرآیند تولید، غلاف‌های پلاستیکی پس از پر شدن با ویفرهای سیلیکونی به‌صورت دسته‌جمعی به سمت دستگاه‌های پاک‌سازی هدایت می‌شوند.

کارخانه CH-4 اینتل برای پکیجینگ

کارخانه CH-4 در سال ۱۹۸۰ تأسیس شده و تاکنون ۸۰۲۸۶ تراشه در آن تولید شده است. اکنون این کارخانه مکانی برای پکیجینگ پیشرفته چیپلت‌ها یا متصل کردن چیپلت‌ها به یکدیگر برای تبدیل‌شدن آن‌ها به پردازنده‌های بزرگ‌تر محسوب می‌شود. فناوری پکیجینگ پیشرفته برگ برنده طلایی اینتل برای متمایز شدن این برند از سایر رقبای تراشه‌ساز خود در سال‌های آتی است.

ایستگاه بازرسی و بررسی کارخانه اینتل

ویفرهای سیلیکونی در طول فرایند تبدیل‌شدن به تراشه که سه ماه طول می‌کشد، صدها مرحله تولید را پشت سر می‌گذارند و در طول این مراحل تولید، پیوسته ارزیابی و آزمایش می‌شوند. بیشتر مراحل فرایند بررسی و آزمایش این قطعات به‌صورت خودکار انجام می‌شود؛ اما در ایستگاه بازرسی و بررسی نهایی نیروهای انسانی نیز ویفرها را به‌دقت بررسی می‌کنند. ویفر بنفش است و ویفر سبز پس از بازرسی انسانی با عدسی چشمی کنار گذاشته می‌شود.