Cómo se fabrica un CPU, explicado con dibujos

• El flujo completo se sigue con ilustraciones: el silicio como materia prima, que parte de rocas y arena, pasa por obleas, fotolitografía, grabado y empaquetado hasta convertirse en un CPU
• La materia prima se refina desde dióxido de silicio de alrededor del 98% hasta dióxido de silicio al 99.9%, y luego a polisilicio al 99.9999999%; después se funde a 1698 °K y se hace crecer como monocristal
• El silicio monocristalino cortado en láminas delgadas se convierte en una oblea, y mediante dopado y procesos con fotoresist y fotomáscaras se forman patrones de circuito en la superficie
• La estructura real del chip se construye repitiendo etapas como epitaxia, dopado por difusión, capas de interconexión de cobre, pulido químico-mecánico, exposición y grabado con ácido
• La fabricación moderna de CPU es mucho más compleja y sus composiciones químicas detalladas son propietarias; como los químicos reales son peligrosos, no se debe imitar la fabricación de circuitos integrados en un departamento

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De la roca al silicio de alta pureza

• El punto de partida es la roca, y al triturarla se llega a una etapa en la que se obtiene dióxido de silicio con una concentración de alrededor del 98%
• El dióxido de silicio primero se refina hasta una pureza de 99.9% y después se refina aún más hasta convertirse en polisilicio metálico con una pureza de 99.9999999%
• El lingote de polisilicio se coloca en un crisol y se calienta hasta 1698 °K para fundirlo
  • No se debe intentar fundir silicio en un horno de cocina

Crecimiento monocristalino y fabricación de obleas

• Se sumerge una pequeña semilla monocristalina en el silicio fundido y luego se extrae lentamente mientras se enfría, para formar un monocristal de silicio puro
  • Como temas relacionados, se puede consultar Boule) y Czochralski Method
  • No se debe meter la mano en el silicio fundido
• El monocristal de silicio terminado se corta en láminas delgadas para convertirse en una oblea de silicio
• La oblea recién cortada puede doparse selectivamente con boro, fósforo u otros dopantes
  • Se añade la explicación de que, como no se compró directamente el elemento fósforo, se pide imaginarlo con cerillos

Fotolitografía y grabado

• Sobre la oblea se aplica fotoresist
• Se hace pasar un láser por una máscara de cuarzo para fotolitografía, grabada en cromo con el patrón de circuito deseado, y así se proyecta el patrón del circuito sobre la oblea
• Según la posición de la sombra que genera la fotomáscara, el fotoresist en la superficie de la oblea cambia químicamente
  • El fotoresist positivo y el fotoresist negativo reaccionan de manera distinta
• Después se revela el fotoresist y las partes expuestas de la oblea se graban con ácido

Formación de la estructura del chip y empaquetado

• Para crear la estructura deseada sobre la oblea, se repiten innumerables veces múltiples procesos
  • Homoepitaxia, heteroepitaxia y pseudoepitaxia
  • Dopado por difusión
  • Capas de interconexión de cobre
  • Pulido químico-mecánico
  • Aplicación de fotoresist
  • Grabado con ácido
  • Exposición con fotomáscara
• La oblea de silicio terminada se corta en varias piezas para formar dados de silicio
• Antes del empaquetado, se localizan las almohadillas del dado de silicio y se pueden unir bond wires o usar el método flip-chip, empleado en la mayoría de los procesadores modernos
• Los bond wires o las bolas de soldadura conectan eléctricamente los pines del encapsulado del chip con las almohadillas del dado de silicio
• Si quieres ver más del interior de un CPU real de Intel, puedes consultar CPUs Are Smaller Than You Think

La complejidad de la fabricación real y advertencia de seguridad

• El proceso moderno de fabricación de CPU es mucho más complejo y menos claro que esta explicación ilustrada
• Cada nueva generación de chips suele cambiar la forma de crear estructuras sobre la oblea, y los cambios no se limitan solo a reducir el tamaño de las features
• Se omiten muchas técnicas generales y pasos importantes, y detalles como las composiciones químicas exactas o las concentraciones son muy propietarios, por lo que es difícil explicarlos abiertamente en HackerNews o Reddit
• En varias etapas, como el abastecimiento y refinado del silicio, suele haber más de un método de uso común
• Algunos términos de búsqueda para aprender más son “Advanced Optics For Photolithography”, “Chemical Deposition Nanofabrication” y “Lithographic Metrology”
• Las features de escala nanométrica de vanguardia son difíciles de alcanzar para aficionados, pero la fabricación amateur de chips a escala micrométrica parece bastante posible
  • Se aclara que no se ha intentado personalmente y se recomienda consultar el canal de YouTube de Sam Zeloof
• El ‘fotoresist’ y el ‘revelador’ del video son utilería coloreada; los químicos reales suelen ser nocivos
• La fabricación real de circuitos integrados solo debe manejarse con equipo de seguridad adecuado y en un espacio bien ventilado o con campana de extracción; no se debe intentar del mismo modo en un departamento

[GN⁺]

Opiniones en Hacker News

• Ahora tengo un sueño. Quizá no sea tan genial como el sueño que tuvo otra persona, pero es mi sueño.
  Quiero crear un curso, o una serie de cursos, sobre el proceso de reconstruir el mundo. Algo que pueda hacerse poco a poco con niños.
  Me recuerda a libros como "The Knowledge" y materiales relacionados, pero después de hacer cosas como construir un sextante y medir la circunferencia de la Tierra, nunca imaginé que también podría llegar a construir una CPU casera capaz de ejecutar mi propio lenguaje; y sin embargo, parece realmente posible.
  Se podría empezar por el fuego y seguir con el sistema solar, la cal y hasta la CPU. El mundo en el que vivimos es tremendamente complejo, pero también es un mundo que se puede reconstruir.
  Siento que está inspirado en la frase que Feynman dejó en el pizarrón: “Lo que no puedo reproducir, no lo entiendo”.

  • Sería bueno empezar por este libro. También tiene bibliografía.
    http://the-knowledge.org/en-gb/
    https://en.wikipedia.org/wiki/The_Knowledge:How_to_Rebuild...
    También vale la pena ver el canal de YouTube Primitive Technology.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_Technology
  • Creo que también te gustaría el anime Dr Stone. Trata exactamente de alguien haciendo este tipo de cosas, pero presentado de una forma divertida y casi como un curso.
  • Te conviene buscar Open Source Ecology y Global Village Construction Set.
    Participé algunas veces en los talleres de Marcin, así que si tienes preguntas, puedes hacerlas. CollapseOS también está relacionado.
    También me interesa desde el punto de vista de escenarios de recuperación ante desastres, y acabo de empezar mi recorrido en la radioafición; parece una comunidad que intenta restablecer las comunicaciones cuando todo lo demás falla.
  • Yo también comparto ese sueño. Sería increíble tener una guía integral para fabricar cualquier cosa a partir de materias primas.
    Para empezar, probablemente habría que hacer ingeniería inversa de las etapas de fabricación y, a partir de ahí, construir un árbol de dependencias.
    Por ejemplo, una guía para fabricar una CPU depende del uso de ciertos químicos, así que también tendría que explicar cómo obtener esos químicos y luego cómo construir el equipo que lo hace posible. Al final habría que bajar hasta la etapa de obtener las materias primas con herramientas y procesos primitivos.
  • También hay un libro que aborda de forma más humorística cómo reconstruir la civilización desde cero, desde la perspectiva de un viajero en el tiempo atrapado en el pasado que solo tiene el manual de instrucciones de la máquina del tiempo: How to Invent Everything: Rebuild All of Civilization, de Ryan North.
    https://www.howtoinventeverything.com/

• Si te interesan la óptica y la fotolitografía, recomiendo Huygens Optics en YouTube. Su creador, Jeroen, está realmente metido en este tema.
  El proceso de Jeri se siente bastante rudimentario comparado con el laboratorio de Sam.
  [0] https://www.youtube.com/@HuygensOptics
  [1] https://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM

• Tengo algunas dudas sobre el paso 15. Antes trabajé en un laboratorio del antiguo bloque soviético que fabricaba chips a principios de los 90, y según recuerdo, el grabado se hacía haciendo pasar gases basados en cloro sobre la oblea en un entorno de alta temperatura, quizá alrededor de 1200 °C.
  Esa temperatura se lograba mediante calentamiento por inducción, haciendo pasar corriente alterna de 8 kHz por una bobina de cobre enfriada por agua. El generador era mecánico: una máquina grande, enfriada por agua, que estaba en el sótano del edificio por el ruido. Las fugas frecuentes también eran una razón para tenerla en el sótano.
  Yo me encargaba del mantenimiento del equipo de calentamiento y de la transición a un generador electrónico basado en tiristores; era un trabajo casi de ingeniero electrónico y plomero a la vez.

  • El grabado a alta temperatura haciendo pasar gases basados en cloro sobre la oblea es grabado por plasma o grabado en seco.
    El paso 15 muestra grabado ácido o grabado químico húmedo.
    No conozco bien las ventajas y desventajas de cada uno, pero ambos se han usado como métodos viables para grabar circuitos.

• Para quienes leen primero los comentarios: este artículo no trata sobre arquitectura de computadoras, sino sobre fabricación de semiconductores.

  • Esperaba una versión geek del meme de “cómo dibujar un búho en dos pasos”. Paso 1: empieza con algunas compuertas NAND. Paso 2: ahora haz el resto de la CPU.
    Imagen de referencia: https://i.pinimg.com/originals/d4/28/29/d42829227cd7526d75af...
  • Si defines CPU específicamente como microprocesador, de todos modos esa es la parte más difícil de “hacer una CPU”.
    Se han construido muchas CPU de hobby funcionales con tecnologías mucho más accesibles, como relés, tubos de vacío, transistores discretos e IC de compuertas lógicas. Básicamente, cualquier cosa que pueda comportarse como una de las compuertas lógicas universales, como NAND o XOR, puede convertirse en un componente de una CPU.
  • Seguí las instrucciones con mucho cuidado, pero usé mal algo como una “máscara de cuarzo para fotolitografía de grabado de cromo” y terminé fabricando un montón de RAM. El vendedor de eBay decía que era un i7, pero tardó muchísimo.
  • Si quieres saber cómo construir una CPU en una protoboard, recomiendo But How Do It Know? y la arquitectura Scott CPU.

• Este artículo trataba en su mayoría sobre cómo fabricar una oblea de silicio. Este video muestra con más detalle cómo hacer el resto del proceso en un laboratorio casero: https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
  El blog está aquí: http://sam.zeloof.xyz/second-ic/

• Me recordó a aquel archivo de texto de “cómo fabricar tu propia bomba atómica” que vi en un BBS en los años 90. El primer paso era algo como “consigue 50 libras de plutonio apto para armas”.
  Sonaba como si pudieras ir a la tienda local de excedentes militares y comprarlo por caja, y a partir de ese punto quedaba bastante claro que todo era una broma.

  • El sketch Today on how to do it de Monty Python probablemente sea un clásico de este género. Definitivamente vale un minuto de tu día.
    https://www.youtube.com/watch?v=tNfGyIW7aHM
  • En esa época también había algo como “cómo destruir la Tierra”. Se proponían varios métodos, y uno de ellos usaba un agujero negro: “Paso 1: consigue un agujero negro de tamaño adecuado. Paso 2...” y así.

• ¿Cuál es la diferencia clave entre las CPU actuales y las de hace 20 años? Se pueden meter más transistores en menos espacio, pero la velocidad de reloj se estancó.
  ¿Toda la innovación está solo en los pipelines y la predicción de saltos?

  • A eso se suman la ejecución fuera de orden, hyperthreading, SIMD, cachés mejores y más grandes, más núcleos y mejor eficiencia energética.
  • Creo que otra es elegir de forma inteligente el conjunto de instrucciones. El x86-64 de hoy es completamente distinto de lo que podía hacer un 8088, y Apple Silicon hace mucho más dentro de un ciclo de reloj que las generaciones anteriores.

• Justo estaba viendo Outlander y pensando qué valor podría aportar si volviera al pasado. Por suerte, ahora que le di una ojeada a este artículo, podré construir una computadora :)

• Más que una CPU, esto se parece más a fabricación de chips. Aun así, es increíble por sí mismo. Fabricar tu propio lingote es una locura.

• Me gustaría que desglosaran mucho más el paso 16 y explicaran cómo se fabrica cada estructura individual con este estilo sencillo tipo ELI5.