- Suit en images tout le parcours par lequel la matière première en silicium, issue de la roche et du sable, devient un CPU en passant par le wafer, la photolithographie, la gravure et le packaging
- La matière première est raffinée à partir de dioxyde de silicium d’environ 98 % vers du dioxyde de silicium à 99,9 %, puis du polysilicium à 99,9999999 %, avant d’être fondu à 1698 °K et transformé en monocristal
- Le silicium monocristallin découpé en fines tranches devient un wafer, et des motifs de circuit sont formés à sa surface grâce au dopage et aux procédés de photorésine et de photomasque
- La structure réelle d’une puce est construite en répétant des étapes comme l’épitaxie, le dopage par diffusion, les couches d’interconnexion en cuivre, le polissage mécano-chimique, l’exposition et la gravure acide
- La fabrication des CPU modernes est bien plus complexe et les compositions chimiques détaillées sont propriétaires ; les produits chimiques réels étant dangereux, il ne faut pas tenter d’imiter la fabrication de circuits intégrés dans un appartement
De la roche au silicium de haute pureté
- Le point de départ est la roche ; une fois broyée, elle mène à une étape permettant d’obtenir du dioxyde de silicium à une concentration d’environ 98 %
- Le dioxyde de silicium est d’abord raffiné à une pureté de 99,9 %, puis encore davantage en polysilicium métallique d’une pureté de 99,9999999 %
- Le lingot de polysilicium est placé dans un creuset et chauffé jusqu’à 1698 °K pour le faire fondre
- Il ne faut pas essayer de faire fondre du silicium dans un four de cuisine
Croissance monocristalline et fabrication des wafers
- On plonge un petit germe monocristallin dans le silicium fondu, puis on le tire lentement pendant le refroidissement afin de former un monocristal de silicium pur
- Sur le sujet, on peut consulter Boule) et Czochralski Method
- Il ne faut pas mettre la main dans du silicium fondu
- Le monocristal de silicium obtenu est découpé en fines tranches pour devenir des wafers de silicium
- Les wafers fraîchement découpés peuvent éventuellement être dopés avec du bore, du phosphore ou d’autres dopants
- L’explication précise que, l’élément phosphore n’ayant pas été acheté directement, il faut l’imaginer à partir d’allumettes
Photolithographie et gravure
- On applique une photorésine sur le wafer
- Un laser traverse un masque en quartz pour photolithographie à gravure au chrome, portant le motif de circuit souhaité, afin de projeter ce motif sur le wafer
- Selon les zones d’ombre créées par le photomasque, la photorésine à la surface du wafer est chimiquement modifiée
- Les photorésines positives et négatives réagissent différemment
- La photorésine est ensuite développée, puis les parties exposées du wafer sont gravées à l’acide
Formation de la structure de la puce et packaging
- Pour créer la structure voulue sur le wafer, de nombreux procédés sont répétés d’innombrables fois
- Épitaxie homoépitaxiale, hétéroépitaxie, pseudo-épitaxie
- Dopage par diffusion
- Couches d’interconnexion en cuivre
- Polissage mécano-chimique
- Dépôt de photorésine
- Gravure acide
- Exposition par photomasque
- Le wafer de silicium terminé est découpé en plusieurs morceaux pour devenir des dies de silicium
- Avant le packaging, on peut repérer les pads sur le die de silicium, y fixer des fils de bonding ou utiliser la méthode flip-chip, employée dans la plupart des processeurs modernes
- Les fils de bonding ou les billes de soudure assurent la connexion électrique entre les broches du boîtier de la puce et les pads du die de silicium
- Pour voir davantage l’intérieur d’un CPU Intel réel, on peut consulter CPUs Are Smaller Than You Think
Complexité de la fabrication réelle et avertissements de sécurité
- Le processus de fabrication des CPU modernes est beaucoup plus complexe et moins clair que cette explication illustrée
- Chaque nouvelle génération de puces modifie généralement la façon de créer les structures sur le wafer, et les changements ne se limitent pas à une simple réduction de la taille des features
- De nombreuses techniques courantes et étapes importantes sont omises, et les détails comme la composition chimique exacte ou les concentrations sont très propriétaires, donc difficiles à expliquer publiquement sur HackerNews ou Reddit
- Pour plusieurs étapes, comme l’approvisionnement et le raffinage du silicium, il existe souvent plus d’une méthode couramment utilisée
- Pour approfondir, les termes à rechercher sont “Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication” et “Lithographic Metrology”
- Les features de pointe à l’échelle nanométrique sont difficiles d’accès pour les amateurs, mais la fabrication amateur de puces à l’échelle du micron semble tout à fait possible
- L’auteur ne l’a pas essayé lui-même et recommande de consulter la chaîne YouTube de Sam Zeloof
- Dans la vidéo, la « photorésine » et le « révélateur » sont des accessoires colorés ; les vrais produits chimiques sont généralement nocifs
- La fabrication réelle de circuits intégrés ne doit être abordée qu’avec un équipement de sécurité adapté et dans un espace bien ventilé ou sous hotte aspirante ; il ne faut pas tenter de faire la même chose dans un appartement
1 commentaires
Avis sur Hacker News
J’ai maintenant un rêve. Il n’est peut-être pas aussi cool que celui de quelqu’un d’autre, mais c’est le mien.
J’aimerais créer un cours, ou une série de cours, sur le processus de reconstruction du monde. Quelque chose que l’on pourrait faire lentement avec des enfants.
Cela me fait penser à des livres comme « The Knowledge » et aux ressources associées, mais après avoir fait des choses comme fabriquer soi-même un sextant pour mesurer la circonférence de la Terre, je n’aurais jamais imaginé qu’il soit possible d’aller jusqu’à construire un CPU fait maison capable d’exécuter mon propre langage — et pourtant cela semble réellement possible.
On pourrait partir du feu, puis passer au système solaire, à la chaux, et aller jusqu’au CPU. Le monde dans lequel nous vivons est incroyablement complexe, mais c’est aussi un monde que l’on peut reconstruire.
J’ai l’impression que cela s’inspire de la phrase laissée par Feynman sur son tableau : « Ce que je ne peux pas recréer, je ne le comprends pas. »
http://the-knowledge.org/en-gb/
https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
La chaîne YouTube Primitive Technology vaut aussi le coup d’œil.
https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
J’ai participé plusieurs fois aux ateliers de Marcin, donc n’hésite pas si tu as des questions. CollapseOS est aussi lié au sujet.
Cela m’intéresse aussi sous l’angle des scénarios de reprise après catastrophe, et je viens justement de commencer mon parcours dans la radio amateur : cela ressemble à une communauté qui cherche à rétablir les communications quand tout le reste a échoué.
Pour commencer, il faudrait sans doute rétroconcevoir les étapes de fabrication, puis construire à partir de là un arbre de dépendances.
Par exemple, un guide pour fabriquer un CPU dépend de l’utilisation de certains produits chimiques ; il faudrait donc aussi expliquer comment obtenir ces produits, puis comment fabriquer l’équipement qui permet de les obtenir. À la fin, il faut remonter jusqu’aux étapes permettant d’obtenir les matières premières avec des outils et des procédés primitifs.
https://www.howtoinventeverything.com/
Si tu t’intéresses à l’optique et à la photolithographie, je recommande Huygens Optics sur YouTube. Son créateur, Jeroen, est vraiment à fond sur le sujet.
Le procédé de Jeri paraît assez rudimentaire comparé au labo de Sam.
[0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
[1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM
J’ai quelques doutes sur l’étape 15. J’ai travaillé autrefois dans un laboratoire de l’ex-bloc soviétique qui fabriquait des puces au début des années 90, et dans mon souvenir la gravure se faisait en faisant circuler un gaz chloré au-dessus du wafer, dans un environnement à haute température, probablement autour de 1200 °C.
Cette température était produite par chauffage par induction, avec un courant alternatif de 8 kHz dans une bobine de cuivre refroidie à l’eau. Le générateur était mécanique : une grosse machine refroidie à l’eau placée au sous-sol du bâtiment à cause du bruit. Les fuites étant fréquentes, c’était aussi une raison de l’avoir mise au sous-sol.
J’étais chargé de la maintenance de l’installation de chauffage et de la transition vers un générateur électronique à thyristors ; en pratique, c’était presque un travail à mi-chemin entre l’électronicien et le plombier.
L’étape 15 montre une gravure acide, ou gravure chimique humide.
Je ne connais pas bien les avantages et inconvénients de chacune, mais les deux ont été utilisées comme méthodes viables pour graver des circuits.
Pour les personnes qui lisent les commentaires en premier : cet article ne porte pas sur l’architecture des ordinateurs, mais sur la fabrication des semi-conducteurs.
Image de référence : https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
Beaucoup de CPU amateurs fonctionnels ont été construits avec des technologies bien plus accessibles, comme des relais, des tubes à vide, des transistors discrets ou des circuits intégrés de portes logiques. En gros, tout ce qui peut se comporter comme l’une des portes logiques universelles, comme NAND ou XOR, peut devenir un composant d’un CPU.
Cet article parlait surtout de la fabrication d’un wafer de silicium. Cette vidéo montre plus en détail comment faire le reste du processus dans un labo domestique : https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
Le blog est ici : http://sam.zeloof.xyz/second-ic/
Ça me rappelle ce fichier texte « comment fabriquer soi-même une bombe atomique » que j’avais vu sur un BBS dans les années 1990. La première étape disait en gros : « procurez-vous 50 livres de plutonium de qualité militaire ».
Ça donnait l’impression qu’on pouvait aller au magasin local de surplus militaire et en acheter une caisse, et à ce stade il était assez évident que tout ça était une blague.
https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
Quelle est la différence essentielle entre les CPU actuels et ceux d’il y a 20 ans ? On peut mettre davantage de transistors dans un espace plus réduit, mais la fréquence d’horloge stagne.
Toute l’innovation se résume-t-elle aux pipelines et à la prédiction de branchement ?
Je regardais justement Outlander en me demandant quelle valeur je pourrais apporter si je retournais dans le passé. Heureusement, maintenant que j’ai parcouru cet article, je devrais pouvoir fabriquer un ordinateur :)
C’est plus proche de la fabrication de puces que d’un CPU. Mais c’est quand même incroyablement cool en soi. Fabriquer soi-même un lingot, c’est vraiment délirant.
J’aimerais que l’étape 16 soit découpée en beaucoup plus petites parties, pour expliquer de cette manière simple façon ELI5 comment chaque structure individuelle est fabriquée.