מחול ים למוליכים למחצה: איך מייצרים שבבי מחשב?
העולם הטכנולוגי של היום מונע על-ידי חדשנות דיגיטלית. העולם הזה מתפתח ומשתכלל על בסיס יומיומי, גם תלוי באופן מהותי ביצרני שבבי מחשב ובשבבי המחשב עצמם כמובן. שבבי מחשב מככבים בכותרות יותר ויותר, לרוב בעקבות מחסור או קושי באספקתם- מה שגורם ללא מעט שיבושים גלובליים. כך שבאופן טבעי עולה שאלה גדולה: מדוע אנחנו לא יכולים לייצר פשוט עוד שבבים?
התשובה הקצרה היא שייצור שבבים הוא תהליך רב-שלבי מורכב שפועל בקנה מידה תת-מיקרוסקופי בלתי נתפס. מפעלים לייצור שבבים עובדים במלוא המרץ, ועדיין אינם מצליחים לעמוד בביקוש הגלובלי שנראה כאילו אין לו סוף. רק יצרנים מעטים מסוגלים לעמוד בביקוש הגבוה לשבבים, אך הם אינם ערוכים לביקוש העולמי המאסיבי למחשבים עם מעבד מהיר יותר, ביקוש שהולך וגובר מאז התפרצותה של מגפת הקורונה. מכוניות, מכונות כביסה, סמארטפונים ומיליוני מוצרים אחרים תלויים בשבבים העוצמתיים האלה, שגודלם כגודל בול דואר- וזו הסיבה בעצם שקווי ייצור שלמים למוצרי קצה עצרו מלכת, ומוצרי צריכה רבים אינם זמינים כרגע.
מהו בדיוק שבב מחשב?
שבב מחשב הוא סט מובנה של מעגלים אלקטרוניים, אשר פועלים בעזרת טרנזיסטורים שמשמשים כמתגים זעירים להפעלה וכיבוי של זרם חשמלי. פעולות אלה אולי נשמעות פשוטות, אבל הן בעצם הבסיס של המיחשוב המודרני. הסט המובנה של המעגלים האלקטרוניים מוטבע על גבי פרוסת סיליקון דקה ועגולה, יסוד שקליפת כדור הארץ משופעת בו.
שבבי מחשב משרתים מגוון מטרות שונות, אך לרוב נחלק אותם לארבע קטגוריות עיקריות: מיקרו-מעבדים (הידועים גם כיחידות עיבוד מרכזיות או CPUs), שבבי זיכרון (המשמשים לאחסון קצר טווח של נתונים דיגיטליים), יחידות עיבוד גרפיות (GPU) ומעגלים משולבים (CIC) הנפוצים במכשירי שימוש יחיד, כמו סורקי ברקוד לדוגמא.
שבב המחשב המסחרי הראשון היה המיקרו-מעבד Intel 4004 שיצא ב-1971. הוא הכיל 2,300 טרנזיסטורים והיה מבין השבבים הראשונים שעשו שימוש בטכנולוגיית Silicon Gate, טכנולוגיה שאיפשרה להגדיל את צפיפות המעגל פי חמישה בהשוואה לשבבי מחשב קודמים.
לשם ההשוואה, 12th-generation i9-12900K, יחידת העיבוד המרכזית של אינטל, מכילה 3 ביליון טרנזיסטורים שכל אחד מהם ברוחב של 7 ננומטר בלבד (ננומטר שווה ערך לאחד חלקי ביליון מטר). שבב המחשב M1 Maxchip של אפל, שפותח עבור ה-MacBook Pro מרשים אפילו יותר וכולל 114 ביליון טרנזיסטורים, בנויים בקנה מידה של 5 ננומטר. זה בערך רבע מגודלו של הוירוס הקטן ביותר - ורק פי 50 גדול יותר מאטום אחד של מימן!
מהו המרכיב העיקרי בשבבי המחשב המודרניים?
סיליקון הוא המרכיב העיקרי בכל שבבי המחשבים המודרניים, בעקבות היכולת שלו לשמש כמוליך או כמבודד של זרם חשמלי. הסיליקון זמין מאוד ונחשב לזול, מכיוון שהוא המרכיב העיקרי בחול הים. לעיתים קרובות אנו שומעים על המחסור ההולך וגובר בסיליקון, אך בעצם הכוונה היא למחסור בשבבי סיליקון, ולא בסיליקון עצמו.
ישנם מעט מאוד יצרנים בעלי יכולת לבנות שבבי סיליקון בקנה מידה ננומטרי זעיר ביותר, ומדובר באתגר ייצור שרק הולך וגדל- השבבים הללו נהיים קטנים יותר בכל שנה, בעוד הביקוש עבורם ממשיך להרקיע שחקים. מחרטות מתכת מדויקות, מדפסות תלת-מימד ואמצעי ייצור נוספים, יכולים ליצור עיצובים מורכבים, אך אינם יעילים ברמות דיוק שמעבר למיקרומטרים. כלומר, הם אינם מתאימים לייצור והרכבה של שבבי מחשב.
כיצד מיוצר שבב מחשב?
הטרנזיסטורים והחיבורים הפנימיים של השבבים קטנים כל כך, ולכן ייצור שבבי מחשב מתבצע בתהליך הקרוי פוטוליתוגרפיה. פוטוליתוגרפיה הוא תהליך העושה שימוש באור וחורט תמונות על גבי פרוסת הסיליקון (Wafer) המצופה בחומר צילום רגיש לאור. ברגע ששרטוט השבב נחרט על גבי הסיליקון, החריטה מתמלאת בנחושת ומבנה האטום משתנה, במטרה ליצור מוליכות למחצה. תהליך נוסף בייצור שבבי המחשב נקרא אילוח (doping): תהליך אשר מוסיף רמה מדויקת של מזהמים בחומר טהור כמו בור, אלומיניום, אינדיום, זרניך, או אנטימון לסיליקון- תהליך שמטרותיו הן שינוי התכונות החשמליות ויצירת הרכיבים הזעירים של שבב המחשב.
ניתן לחזור על התהליך הפוטוליתוגרפי פעמים רבות כדי ליצור מספר שכבות של רכיבים אלקטרוניים על גבי פרוסות הסיליקון. שבבים מודרניים עשויים לכלול אלפי שכבות, במטרה להכיל כמה שיותר טרנזיסטורים על פני שטח קטן ביותר. עם זאת, קיים שקלול תמורות בין הגידול במספר שכבות הרכיבים לבין העלייה בכמויות החום שהם מפיצים- עודף חום כידוע, עלול לגרום לירידה בביצועי המיחשוב.
מה קורה לשבב המחשב לאחר תהליך הייצור?
בסיום תהליך הייצור, ברגע שכל השכבות מוכנות, השבב חייב להיבדק באופן יסודי, על מנת להבטיח שהוא אכן תואם את דרישות העיצוב שלו. התפוקה מתייחסת לאחוז השבבים שעברו את המבדקים, וכתוצאה מכך הם אינם נזרקים או מומרים כדי להתאים למפרט נחות יותר. בהתאם ליצרן, תפוקה של 90% לפחות נחשבת למיטבית.
לאחר הייצור, פרוסות הסיליקון נחתכות ליחידות קטנות, שלאחר מכן נארזות ליצירת שבב המחשב. יחידות זעירות אלה (בגודל של בול דואר!) מוצמדות לתשתית המצוידת בחיבורים חשמליים, ולאחר מכן ההרכב כולו נאטם. החיבורים החשמליים שקיימים במספר סוגים, מחברים את שבב המחשב לשאר מערכת המחשב ברגע שהוא מותקן בתוך שקע יחידת העיבוד, כניסת הזיכרון או בכל ממשק אחר במחשב או בהתקן הדיגיטלי.
כמובן שכל תהליך הייצור של שבבי מחשב חייב להתרחש בחדר נקי סטרילי, מכיוון שאפילו המזהמים המיקרוסקופיים הזעירים ביותר עלולים להרוס באופן מיידי את השבבים שבתהליך הייצור. בסופו של דבר, רמת הדיוק הדרושה לייצור השבבים, היא בסדר גודל קטן בהרבה מזו שהעין האנושית מסוגלת לקלוט!
מי הם היצרנים של שבבי המחשב?
יצרני השבבים הגדולים ביותר בעולם הם מותגים מוכרים כמו סמסונג ואינטל, בעוד שמספר חברות אחרות מייצרות שבבים מוטמעים למגוון מוצרים אחרים, כמו סמארטפונים, רכבים וטכנולוגיה חכמה מבוססת אינטרנט.
באופן כללי, שרשרת האספקה של מוליכים למחצה מורכבת משלושה שחקנים ראשיים:
- יצרני התקנים משולבים (IDMs) - מעצבים, מייצרים ומוכרים שבבי מחשב משלהם.
- חברות מוליכים למחצה שאינן יצרניות - מעצבות ומוכרות שבבים, אך הייצור נעשה באמצעות מיקור חוץ.
- חברות Pure Play - מייצרות ומוכרות שבבים ליצרני התקנים משולבים ולחברות מוליכים למחצה שאינן יצרניות.
Nova מספקת מוצרי מטרולוגיה חדשניים המעניקים תובנות בעלות ערך רב לשליטה בתהליך ייצור המוליכים למחצה. הפתרונות שלנו ממנפים תובנות מוכוונות נתונים במטרה להגביר את התפוקה, להבטיח יציבות בתהליך ולייעל את הייצור כולו.
