یکی از ویژگی های کلیدی که در مشخصات فنی یک پردازنده (CPU) به آن اشاره می شود، لیتوگرافی آن است. بدون شک در هنگام بررسی سخت افزار یا گوشی جدید، با این واژه برخورد داشته اید و دیده اید که شرکت های سازنده تاکید زیادی بر آن دارند. این مشخصه معمولاً با یک عدد مشخص می شود و به عنوان مثال ممکن است گفته شود که لیتوگرافی پردازنده برابر با 12 نانومتر است. اما برای بسیاری از خریداران، این اصطلاح ممکن است مبهم و گیج کننده باشد. لیتوگرافی cpu یکی از مراحل کلیدی در فرآیند تولید تراشه است که تأثیر مستقیمی بر کارایی، سرعت و قدرت پردازش دستگاه های الکترونیکی دارد. در این مقاله از تکنوسان مگ قصد داریم به بررسی دقیق تر مفهوم لیتوگرافی پردازنده بپردازیم و به سوالاتی از قبیل لیتوگرافی پردازنده چیست پاسخ دهیم؛ با ما همراه باشید.
فهرست مطالب
لیتوگرافی پردازنده چیست؟
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که به معنای سنگ نگاری می‌باشد. در دنیای پردازنده ها، لیتوگرافی به فرآیند تولید و ساخت یک پردازنده اشاره دارد که با استفاده از دستگاه های مخصوص صورت می‌گیرد. این فرآیند شامل تعیین فاصله و آرایش اجزای مختلف یک CPU می‌شود. برای مثال اگر لیتوگرافی پردازنده برابر با 12 نانومتر باشد، به این معناست که اجزای سازنده CPU با فاصله 12 نانومتری از یکدیگر قرار گرفته‌اند. این فاصله در مقیاس میکروسکوپی بسیار ناچیز است و با چشم غیر مسلح تشخیص داده نمی شود. به طور کلی هرچه لیتوگرافی CPU کمتر باشد، کیفیت و کارایی پردازنده بهتر خواهد بود. برای درک بهتر، باید بدانید هر نانومتر برابر 0.000001 میلی متر است.
بررسی مزایای عدد کمتر لیتوگرافی در پردازنده ها
همانطور که به آن اشاره کردیم، شرکت های سازنده پردازنده همواره تاکید زیادی بر کم بودن لیتوگرافی پردازنده خود می کنند و این کم بودن را به کارایی بیشتر نسبت می دهند. اما چرا کمتر بودن لیتوگرافی پردازنده به معنی بهتر بودن آن است؟ در ادامه به این مووضع می پردازیم.
تعداد ترانزیستور ها
کمتر بودن عدد لیتوگرافی در پردازنده ها به این معناست که فاصله بین اجزای تشکیل دهنده آنها کمتر می‌شود. این امر به شرکت های تولید کننده این امکان را می‌دهد که در یک سطح معین، تعداد بیشتری ترانزیستور را جایگزین کنند. افزایشی که در تعداد ترانزیستور ها ایجاد می‌شود، تأثیر بسزایی در کارایی پردازنده خواهد داشت. در واقع، هر چه گستردگی ترانزیستورها بیشتر باشد، قابلیت پردازش اطلاعات نیز افزایش می‌یابد. به عنوان مثال در 2 پردازنده با ابعاد یکسان، پردازنده ای که لیتوگرافی کمتری دارد از ترانزیستور های کوچک تری بهره می برد و امکان تعبیه تعداد بیشتری ترانزیستور بر روی آن وجود دارد.
توان مصرفی
کمتر بودن عدد لیتوگرافی نه تنها موجب افزایش تراکم ترانزیستور ها می‌شود، بلکه در بسیاری از موارد به کاهش توان مصرفی نیز منجر می گردد. با نزدیک تر شدن اجزای یک پردازنده به یکدیگر، مقاومت داخلی آن کمتر می‌شود و در نتیجه مقدار انرژی مورد نیاز برای عملکرد این اجزاء کاهش می‌یابد. از طرف دیگر انرژی ای که به گرما تبدیل می شود نیز به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. با این حال باید به این نکته توجه داشت که کاهش لیتوگرافی همیشه منجر به کاهش مصرف انرژی نمی شود.
افزایش فرکانس پردازنده
با کاهش لیتوگرافی سی پی یو، اندازه خازن های به کار رفته در آن نیز کوچکتر می شود و در نتیجه ظرفیت این خازن ها کاهش می یابد. کاهش ظرفیت خازن ها تأثیر مستقیمی بر روی عملکرد آنها دارد و موجب می شود که شارژ و تخلیه آنها سریع تر انجام شود. این تغییرات در نهایت منجر به افزایش فرکانس پردازنده می‌گردد.
هزینه ساخت
در اوایل فرآیند تولید لیتوگرافی های جدید و پیشرفته، هزینه های تولید به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این موضوع به دلیل نیاز به بروزرسانی فرآیند های طراحی و تولید و تهیه دستگاه های جدید برای ساخت پردازنده های با لیتوگرافی به روز است. با این حال در طول زمان و با گذشت مراحل تولید، هزینه ها معمولاً کاهش می‌یابند. یکی از دلایل این امر، افزایش تعداد ترانزیستور ها در هر پردازنده جدید است که منجر به کاهش مقدار سیلیکونی می شود که برای ساخت یک پردازنده لازم است. سیلیکون، که یکی از مواد اصلی در تولید پردازنده ها محسوب می‌شود که به صورت خالص در آزمایشگاه ها تولید می شود و هزینه بالایی دارد. با پیشرفت در فناوری لیتوگرافی و افزایش تعداد ترانزیستور ها، نیاز به سیلیکون کاهش می یابد و این موضوع هزینه کلی تولید پردازنده ها را پایین می آورد.
انواع فناوری های لیتوگرافی
لیتوگرافی UV: این روش از اشعه ماوراء بنفش برای ایجاد الگو های دقیق استفاده می‌کند. دقت بسیار بالا و قابلیت تولید قطعات کوچک تر از مزیت های این فناوری به شمار می آید که آن را به یکی از انتخاب های محبوب تبدیل کرده است.
لیتوگرافی EUV: این فناوری پیشرفته تر است و از اشعه ماوراء بنفش با طول موج بسیار کوتاه بهره می برد. قابلیت تولید قطعاتی با اندازه کمتر از 5 نانومتر باعث شده تا لیتوگرافی EUV بخش اساسی در تولید پردازنده های نسل جدید مانند پردازنده های Intel و AMD باشد.
فرآیند لیتوگرافی در تولید پردازنده ها
برای درک بهتر لیتوگرافی پردازنده، بهتر است با فرایند لیتوگرافی هنگام تولید پردازنده آشنا شوید. در ادامه تمامی مراحل را بررسی می کنیم.
انتخاب سوبسترات (Substrate)
فرایند تولید تراشه های الکترونیکی با انتخاب یک پایه مناسب، که معمولاً از جنس سیلیکون است، آغاز می‌شود. این سوبسترات به عنوان پایه‌ای برای مدار های الکترونیکی عمل می‌کند و اهمیت زیادی در کیفیت نهایی محصول دارد.
اعمال لایه های مختلف
پس از انتخاب سوبسترات، لایه های متنوعی از مواد به آن اعمال می‌شود. این لایه ها شامل عایق ها، مواد رسانا و مواد نیمه‌درسانا هستند، که هر یک نقش خاصی در عملکرد مدار دارند.
پوشش لایه های حساس به نور (Photoresist)
در مرحله بعد، یک لایه فوتورزیست بر روی این لایه های پایه قرار می گیرد. این ماده به نور حساس است و در مرحله لیتوگرافی الگو های طراحی شده را به خود می گیرد.
استفاده از ماسک ها (Masks)
یک یا چند ماسک که با استفاده از نرم افزار های CAD طراحی شده‌اند، با کمک لیتوگرافی بر روی فوتورزیست قرار می گیرند. این ماسک ها الگو های دقیق را به فوتورزیست منتقل می‌کنند و فرآیند لیتوگرافی آغاز می‌شود.
لیتوگرافی
در این مرحله، نور به فوتورزیست تابانده می‌شود و الگو های نوری که توسط ماسک ها ایجاد شده اند، خواص فوتورزیست را دچار تغییر می‌کنند. این فرآیند به عنوان مرحله کلیدی در ایجاد الگو های مداری شناخته می شود.
پس پردازش (Post-processing)
پس از لیتوگرافی، اقداماتی برای حذف مواد اضافی و ایجاد تغییرات شیمیایی در فوتورزیست صورت می‌گیرد. این مرحله به بهبود دقت فرایند و تسریع تولید کمک می‌کند.
دیپوزیسیون
در این مرحله لایه های نازک دیگری از مواد نیمه رسانا یا فلزات بر روی سطح افزوده می‌شود تا اجزای فعال مدار همچون ترانزیستور ها شکل بگیرند.
آزمون و اعتبار سنجی
پس از تکمیل فرآیند تولید، مرحله آزمون آغاز می‌شود تا اطمینان حاصل شود که این اجزا به درستی عمل می‌کنند. این آزمایش‌ها شامل ارزیابی های دقیق الکتریکی و عملکردی است.
تراشه سازی (Dicing) و بسته بندی
تراشه ها از یک ورق بزرگ تولید می شوند و سپس به سایز های مورد نیاز برش می خورند. سپس در این مرحله، تراشه ها در بسته بندی های مناسب قرار می گیرند.
آزمایش و ارزیابی
پس از فرآیند تراشه سازی و بسته بندی، تراشه ها با دقت آزمایش می شوند تا از صحت عملکرد آنها اطمینان حاصل شود. این آزمایش ها ممکن است شامل تست های الکتریکی، حرارتی و عملکردی باشد.
آماده سازی برای بازار
سرانجام، پس از تأیید کیفیت و عملکرد تراشه ها، آماده عرضه به بازار می‌شوند. این مرحله شامل تولید انبوه، بسته بندی نهایی و ارسال به تولید کنندگان دستگاه های الکترونیکی است.
فناوری های لیتوگرافی برتر
در ادامه فناوری های لیتوگرافی برتر در چند سال اخیر که به نوعی انقلاب در حوزه پردازنده ها محسوب می شوند را معرفی می کنیم.
فناوری ۱۴ نانومتری اینتل
شرکت اینتل در سال ۲۰۱۴ فناوری ۱۴ نانومتری را به بازار معرفی کرد که به مدت طولانی به عنوان استاندارد تولید پردازنده های آن شناخته می‌شد. یکی از پردازنده های برجسته این فناوری، مدل Core i7-6700K است که با بهینه سازی های قابل توجهی در مصرف انرژی و عملکرد پردازشی مواجه بود.
فناوری ۷ نانومتری AMD
در سال های اخیر، شرکت AMD توانسته است با بهره گیری از فناوری ۷ نانومتری که به وسیله TSMC توسعه یافته، به مزیت قابل توجهی دست یابد. پردازنده های سری Ryzen و EPYC که از این فناوری استفاده می‌کنند، نشان دهنده عملکرد بهتر و مصرف انرژی کمتر نسبت به رقبای خود از جمله اینتل هستند.
فناوری ۵ و ۳ نانومتری TSMC
شرکت تایوانی TSMC به عنوان پیشرو در توسعه لیتوگرافی های پیشرفته، هم اکنون فناوری های ۵ و ۳ نانومتری را در اختیار دارد. این فناوری ها در تولید پردازنده های موبایل اپل مانند A15 Bionic و همچنین پردازنده های سری M اپل به کار رفته اند و نقش مهمی در بهبود عملکرد و کارایی این محصولات ایفا می‌کنند.
سوالات متداول لیتوگرافی پردازنده
چرا لیتوگرافی پردازنده اهمیت دارد؟
آیا لیتوگرافی تنها عامل مهم در کارایی پردازنده است؟
جدیدترین تکنولوژی لیتوگرافی چیست؟
چه چالش هایی در لیتوگرافی پردازنده وجود دارد؟
نتیجه گیری
در آخر میتوان گفت که لیتوگرافی پردازنده به عنوان یکی از ارکان اساسی در صنعت نیمه هادی، نقش بسزایی در شکل دهی به آینده فناوری اطلاعات و ارتباطات دارد. با پیشرفت فناوری و کاهش اندازه ها به محدوده زیر ۵ نانومتر، چالش های جدیدی مانند اثر تونلی و نشت جریان به وجود آمده است که این مسائل نه تنها بر عملکرد پردازنده ها تأثیر می‌گذارد، بلکه طراحی و تولید آنها را نیز با مشکلات بیشتری مواجه می سازد. این چالش ها شرکت ها را به سمت استفاده از فناوری های نوین، از جمله لیتوگرافی EUV (ماوراء بنفش شدید) سوق داده است که به عنوان یک راه حل نوآورانه برای غلبه بر محدودیت های موجود شناخته می‌شود.
علاوه بر این، با توجه به اهمیت و حساسیت اطلاعات ذخیره شده در پردازنده ها، فرآیند تولید باید به گونه‌ای طراحی شود که امنیت و حریم خصوصی داده های مهم حفظ گردد. بنابراین در حالی که صنعت لیتوگرافی پردازنده با چالش های فنی و فیزیکی رو به رو است، توجه به امنیت داده ها نیز باید به عنوان یک اولویت اساسی در نظر گرفته شود. در نهایت اگر شما هم نکته ای در مورد لیتوگرافی CPU دارید، می توانید در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.
