סדרת "מאפס" · חלק 2 מתוך 9
לא בונים, מדפיסים: ככה מייצרים שבב עם 208 מיליארד מתגים
בשבב אחד של אנבידיה יש מאתיים ושמונה מיליארד מתגים. אם הייתם מניחים מתג אחד בכל שנייה, הייתם עובדים יותר מששת אלפים וחמש מאות שנה. אז איך מייצרים שבבים כאלה, ועוד בכמויות? התשובה היא חותמת. חותמת של אור.
קחו נשימה. עוד מעט נקטין בול דואר עד גודל של נגיף, בכמה צעדים. בירידה צריך קצת ריכוז, ונעצור בכל שלב לראות איפה אנחנו.
מומלץ לקרוא קודם את איך מחשב עושה הכול רק עם 0 ו-1. שם ראינו שבשבב אחד יש מאתיים ושמונה מיליארד מתגים. כאן מגלים איך זה אפשרי.
קחו בול דואר ותניחו אותו על כף היד. עכשיו תדמיינו שעל השטח הזה צריך לבנות יותר ממאה מיליארד מתגים חשמליים זעירים, וכל אחד מהם חייב לעבוד.
זה לא דמיון. זה השבב בלאקוול (Blackwell) של אנבידיה (NVIDIA), שבב שנבנה במיוחד בשביל AI.
הוא עשוי משני חלקים צמודים, כל אחד בערך בגודל בול, ובכל חלק יותר ממאה מיליארד מתגים. שני החלקים מחוברים ועובדים כמו שבב אחד. ביחד: 208 מיליארד מתגים.
ובמפעלים מייצרים שבבים כאלה בכמויות. לא אחד ביד.
איך? בואו נעשה סדר. התשובה בקצרה: לא בונים את המתגים. מדפיסים אותם, כמו חותמת.
הכול כאן נכון ל-29.10.2026.
צעד 1: כמה קטן זה מתג?
מתג בתוך שבב נקרא טרנזיסטור. זה רכיב חשמלי שנפתח ונסגר בחשמל, בלי יד. דולק = 1, כבוי = 0.
כדי לדבר על הגודל שלו צריך יחידה חדשה: ננומטר. ננומטר הוא מיליונית של מילימטר.
קחו סרגל, תסתכלו על המרווח בין שני קווים של מילימטר, ותחלקו אותו למיליון. זה ננומטר.
אם מחלקים את המתגים של בלאקוול על השטח של השבב, יוצא שלכל מתג, כולל החוטים והמרווח סביבו, יש ריבוע של כ-90 ננומטר לכל צד. (חשבון שלנו מהמספרים הרשמיים, בהרחבה למטה.)
כמה זה 90 ננומטר?
נגיף השפעת הוא בערך 100 ננומטר. כלומר, כל מתג תופס מקום בגודל של נגיף.
שערה עבה בערך 90 אלפיות המילימטר, שהם 90,000 ננומטר. אז לרוחב שערה אחת נכנסים בשורה בערך אלף מתגים.
ועל שטח של ציפורן, סנטימטר על סנטימטר? יותר מעשרה מיליארד.
נסו בעצמכם: התחילו מהבול, והקטינו צעד אחרי צעד עד מתג אחד.
הדגמה: מקטינים בשש עצירות, משבב בגודל בול דואר, דרך ציפורן, עובי שערה, כדורית דם ונגיף, עד המקום של מתג אחד בשבב, כ-90 ננומטר לכל צד. בכל עצירה כתוב כמה מתגים נכנסים בשורה אחת לרוחב: בציפורן כ-110 אלף, בשערה כאלף.
מה ראיתם? בכל עצירה הכול קטן פי כמה, ועדיין המתג קטן יותר. רק בנגיף הגענו בערך לגודל של מתג אחד.
רוצים לראות איך חישבנו את ה-90 ננומטר? לחצו כאן: חשבון של שלוש שורות, עם בול דואר.
אנבידיה כותבת שכל אחד משני החלקים של בלאקוול בנוי בגודל המרבי שמכונת הייצור מדפיסה בבת אחת. אצל יצרנית המכונות, המרבי הזה הוא 26 על 33 מילימטר, כלומר 858 מילימטר רבוע.
בכל חלק יש בערך מחצית מהמתגים: 104 מיליארד. מחלקים 104 מיליארד ב-858, ויוצא שבכל מילימטר רבוע יש יותר מ-120 מיליון מתגים.
עכשיו מחלקים מילימטר רבוע אחד ל-120 מיליון ריבועים קטנים. לכל ריבוע כזה יש צלע של בערך 90 ננומטר.
וזה המקום של מתג אחד, עם החוטים והמרווח שסביבו. החלקים הדקים ביותר בתוך המתג עצמו קטנים עוד יותר.
רוצים לדעת למה "שבב של 3 ננומטר" בפרסומות הוא בכלל לא 3 ננומטר? לחצו כאן: השם נשאר, המידה כבר מזמן לא.
בפרסומות לטלפונים ולמחשבים כותבים "מעבד של 3 ננומטר" או "4 ננומטר". נשמע כמו גודל של מתג.
אבל ראינו שכל מתג תופס בערך 90 ננומטר. אז מה ה-3?
לפני שנים רבות, המספר הזה באמת היה מידה של חלק מסוים בתוך המתג. עם השנים המתגים שינו צורה, והמספר הפך לשם של דור.
כמו "דור 4" בסלולר: זה שם, לא מידה.
את זה אומרת גם אינטל, אחת מיצרניות השבבים הגדולות. בדף עובדות מ-2021 היא כתבה שהשמות והמספרים בתעשייה "כבר לא מתייחסים לשום מידה מסוימת".
לכן "3 ננומטר" אומר "דור חדש יותר מ-5". ולא יותר מזה.
צעד 2: מחול לפרוסה עגולה
הכול מתחיל בחול. לא כל חול, אלא חול של קוורץ, שיש בו הרבה סיליקון (צורן בעברית).
סיליקון הוא חומר מיוחד. הוא לא מוליך חשמל כמו נחושת, וגם לא חוסם כמו פלסטיק. אפשר לשלוט מתי הוא מעביר זרם ומתי לא, בדיוק מה שצריך בשביל מתג.
איך בדיוק "שולטים" בו, ומה זה מתג מסיליקון מבפנים? זה במאמר מה זה סיליקון.
מטהרים, מושכים, פורסים
אבל חול רגיל מלא לכלוך. אז מטהרים אותו. כמה?
אינטל כותבת שהסיליקון לשבבים טהור ב-99.9999999%. במילים שלה: לכל היותר אטום זר אחד על כל מיליארד אטומים של סיליקון.
את הסיליקון הטהור מתיכים, ומושכים ממנו לאט גביש אחד גדול, כמו מוט עבה. מוט כזה שוקל בערך 100 קילו.
ואז פורסים אותו לפרוסות עגולות ודקות: קוטר של 30 סנטימטר, עובי של כמילימטר. לפרוסה הזאת קוראים וייפר (wafer), ומלטשים אותה עד שהיא חלקה כמו מראה.
הפרוסה היא הדף שעליו מטביעים את החותמת. עליה יודפסו השבבים, הרבה שבבים זה לצד זה, ובסוף חותכים אותה לריבועים.
צעד 3: לא בונים, מדפיסים
עכשיו יש לנו דף חלק. איך מניחים עליו, על כל שטח בגודל בול, יותר ממאה מיליארד מתגים?
אחד אחד? ראינו כבר: גם במתג לשנייה, זה אלפי שנים לשבב אחד.
חותמת במשרד
תחשבו על חותמת גומי במשרד. מישהו טרח פעם אחת וחרט עליה את כל הציור: שם העסק, הכתובת, המסגרת.
מכאן, כל לחיצה מטביעה את כל הציור בבת אחת.
וזו בדיוק הנקודה: לחותמת לא משנה אם יש עליה חמש אותיות או חמש מאות. לחיצה אחת.
ככה מייצרים שבבים. רק שהחותמת עשויה מאור.
החותמת של אור
מכינים מראש לוח שעליו מצויר כל הציור של שכבה אחת בשבב: איפה יהיה כל מתג, ואיפה יעבור כל חוט. ללוח הזה קוראים מסכה (mask). הוא החותמת.
מאירים על החותמת. המכונה מקטינה את התמונה פי ארבע, ומקרינה אותה על הפרוסה.
הפרוסה מרוחה בשכבה דקה של חומר רגיש לאור: רק איפה שהאור נגע, החומר משתנה.
שוטפים, ועל הפרוסה נשארת שבלונה של אור, עם חורים בדיוק בציור של החותמת. מרססים דרכה, מסירים אותה, והציור נשאר.
לזה קוראים בעברית של יום-יום "לצרוב". שום דבר לא נשרף: זה אור, שטיפה וריסוס דרך שבלונה.
רוצים לראות מה קורה בפרוסה בכל שלב של ה"צריבה"? לחצו כאן: שבלונה של אור, צעד אחרי צעד.
תחשבו על מספר שצובעים על מקום חניה. מניחים שבלונה, מרססים, מרימים. הצבע נדבק רק איפה שהיה חור.
בשבב אי אפשר לגזור ביד שבלונה עם מיליארדי חורים קטנים מנגיף. אז מציירים אותה באור, ישר על הפרוסה:
- מורחים שכבה רגישה לאור. כי צריך משהו שהאור יוכל לשנות.
- מאירים דרך החותמת. האור עובר רק בחלקים השקופים, ומשנה את השכבה רק שם.
- שוטפים. מה שהאור שינה נשטף, ונשארת שבלונה עם חורים.
- מרססים דרך החורים. גז שאוכל את החומר (חריטה), או אטומים שמשנים את הסיליקון רק בחורים.
- מסירים את השבלונה. הציור של החותמת נשאר בפרוסה.
וחוזרים על זה, עם חותמת אחרת, שכבה אחרי שכבה.
למאמר המלא: מחול למתג, מה זה סיליקון ומה קורה באמת כש"צורבים" שבב
הבזק אחד
הבזק אחד, ושכבה שלמה של שבב מוכנה, עם כל המתגים שלה.
אחר כך המכונה מזיזה את הפרוסה קצת ומטביעה שוב, לידה. וכך, על פרוסה אחת, מודפסים בדרך כלל מאות שבבים. שבב ענק כמו בלאקוול תופס הרבה יותר מקום, ולכן ממנו נכנסים רק כמה עשרות.
לשיטה הזאת קוראים ליתוגרפיה, "כתיבה על אבן" ביוונית, כי פעם הדפיסו ציורים מלוח אבן.
נסו בעצמכם: בנו מתגים אחד אחד, ואחר כך הדפיסו אותם בבת אחת. התחילו ב-100, ואז נסו 10,000.
הדגמה: לוח של 100, 1,000 או 10,000 מתגים. כשבונים אחד אחד, כל מתג הוא צעד, ו-10,000 מתגים הם 10,000 צעדים. כשמדפיסים דרך חותמת, הבהוב אחד של אור מוציא את כולם יחד: צעד אחד, בכל כמות.
מה ראיתם? כשבונים אחד אחד, כל מתג נוסף הוא עוד צעד, והזמן גדל עם הכמות. כשמדפיסים, 100 או 10,000, זה הבזק אחד.
זה הסוד. לא מכונה מהירה שבונה מתגים, אלא חותמת שלא אכפת לה כמה מתגים יש עליה. אבל לחותמת הזאת יש בעיה אחת.
צעד 4: למה צריך אור "דק" יותר ויותר
מכירים חותמת שיש עליה יותר מדי דיו? האותיות הקטנות מתמלאות, ומה שיוצא על הדף הוא כתם.
חותמת עם קווים דקים לא עוזרת, אם הדיו עבה ומרוח.
בחותמת של אור, האור הוא הדיו. וגם לאור יש "עובי". קוראים לו אורך גל, והוא נמדד בננומטרים.
ככל שאורך הגל קצר יותר, אפשר להדפיס קווים דקים יותר.
מ-248 ל-13.5
לכן כל העולם רץ לאור קצר יותר. במשך שנים הדפיסו באור אולטרה סגול באורך גל של 248 ננומטר. אחר כך של 193.
והיום, לשכבות הכי עדינות, משתמשים באור אולטרה סגול קיצוני, שנקרא בקיצור EUV: 13.5 ננומטר. קצר פי ארבע עשרה ויותר.
נסו בעצמכם: בחרו איזה אור, כלומר כמה עבה הדיו, וראו מה יוצא על הפרוסה.
הדגמה: חותמת עם קווים דקים וצפופים, ומתחתיה מה שהאור הדפיס. באור של 248 ננומטר הקווים מתמזגים לכתם אחד, ב-193 רואים אותם בקושי, וב-13.5 ננומטר (אולטרה סגול קיצוני) הם יוצאים חדים. כמו חותמת עם דיו עבה ומרוח: הקווים הדקים מתמלאים והופכים לכתם.
מה ראיתם? בדיו העבה הקווים התמזגו לכתם אחד. בדיו הדק הם יצאו חדים ונפרדים.
ככה, כל אור "דק" יותר מאפשר לצופף יותר מתגים על אותה חותמת. רק שאת האור הכי דק קשה מאוד לייצר.
חוק מור
ולמה כל זה הולך ומשתפר? ב-1975 צפה גורדון מור (Gordon Moore), לימים ממייסדי אינטל, שמספר המתגים בשבב יוכפל כל שנתיים.
לתחזית הזאת קוראים "חוק מור". זה לא חוק טבע. זו תחזית שהתעשייה עבדה עשרות שנים כדי לעמוד בה.
ובשפה של החותמת: כל כמה שנים הקווים על החותמת נעשו דקים יותר, ועל אותו בול נכנסו פי שניים מתגים.
צעד 5: המכונה שמייצרת את האור הדק
אור של 13.5 ננומטר לא יוצא מנורה. ויש לו עוד תכונה מעצבנת: כמעט כל חומר בולע אותו, אפילו האוויר. גם עדשה הייתה בולעת אותו.
אז אי אפשר להשתמש בעדשות, ואי אפשר לעבוד באוויר.
הפתרון נשמע כמו מדע בדיוני. בתוך המכונה יורים טיפות זעירות של פח מותך. לייזר פוגע בכל טיפה פעמיים, והופך אותה לענן לוהט שפולט בדיוק את האור הזה.
את האור אוספות ומכוונות מראות מיוחדות. במכונה הזאת, המראות עושות את העבודה של העדשות, וגם מקטינות את התמונה.
הכול קורה בתוך ואקום, בלי אוויר. משם האור פוגע בחותמת, ונוחת על הפרוסה עם הציור שלה.
רוצים לדעת מה קורה בתוך המכונה חמישים אלף פעם בשנייה? לחצו כאן: טיפה, פנקייק, ענן חם פי ארבעים מהשמש.
מכשיר קטן בתוך המכונה פולט טיפות של פח מותך, כל אחת בקוטר של כ-25 אלפיות המילימטר. בערך רבע מעובי שערה.
הטיפות עפות במהירות של 70 מטר בשנייה. יותר מ-250 קמ"ש.
ואז שני פולסים של לייזר. הראשון חלש, והוא משטח את הטיפה לצורה של פנקייק. השני חזק, והוא מאדה את הפנקייק לענן לוהט שנקרא פלזמה.
אֵי אֶס אֶם אֶל כותבת שהענן הזה חם פי ארבעים מפני השמש. והוא שפולט את האור של 13.5 ננומטר.
כל זה, טיפה, פנקייק, ענן, חוזר על עצמו חמישים אלף פעם בכל שנייה. בלי הפסקה, כדי שיהיה מספיק אור להדפיס.
מה עוד מיוחד במכונה הזאת
יש רק יצרנית אחת בעולם. אֵי אֶס אֶם אֶל (ASML), חברה הולנדית, כותבת בדוח השנתי שלה שהיא היצרנית היחידה בעולם של מכונות EUV.
היא ענקית. אינטל, שקיבלה את הדגם החדש ביותר, כתבה שהוא בגודל של אוטובוס קומתיים ושוקל 165 טון.
היא יקרה מאוד. החברה לא מפרסמת מחיר. אבל ב-2024 היא מכרה 44 מכונות כאלה בכ-8.3 מיליארד יורו.
לפי החשבון שלנו, זה בממוצע כ-190 מיליון יורו למכונה אחת, כלומר מאות מיליוני שקלים.
והיא מהירה. הדגם החדש מדפיס עד 220 פרוסות בשעה, כלומר פרוסה כל 16 שניות בערך. בכל פרוסה, הטבעה אחת לכל שבב שעליה.
ומי קונה? יצרניות השבבים הגדולות. בהן טי אס אם סי (TSMC) מטאיוואן, סמסונג ואינטל, וגם יצרניות זיכרון.
צעד 6: שכבה על שכבה, בחדר הכי נקי בעולם
הטבעה אחת לא עושה שבב. שבב בנוי שכבות: למטה המתגים, ומעליהם שכבות על גבי שכבות של חוטים זעירים שמחברים ביניהם.
אז מטביעים שוב. חותמת אחרת, ציור אחר, בדיוק מעל הקודם. ושוב. ושוב.
אֵי אֶס אֶם אֶל כותבת שבשבב מודרני יכולות להיות עד מאה שכבות, ושהתהליך חוזר על עצמו מאה פעמים ויותר.
את השכבות העדינות ביותר מדפיסים במכונות ה-EUV. את רוב השכבות האחרות, במכונות הוותיקות של 193 ננומטר.
אז זה לא הבזק אחד?
נכון. לכל שבב יש עד מאה שכבות, כלומר עד מאה הטבעות זו על גבי זו. ובין כל אחת לבאה שטיפה, חריטה וניקוי.
אבל תשוו: מאה הטבעות, מול מאתיים מיליארד מתגים אחד אחד. כאן ההבדל בין מפעל שעובד, לאלפי שנים.
ופה חשוב להבין: כל הטבעה חייבת לנחות בדיוק מעל הקודמת. אם החותמת זזה בכמה ננומטרים, החוט לא פוגש את המתג, והשבב לא עובד.
והאבק?
אפילו החלקיקים הקטנים ביותר שסופרים במפעל, 100 עד 200 ננומטר, גדולים מהמקום של מתג אחד. גרגר אבק שנוחת על הפרוסה יכול להרוס את השבב.
לכן מייצרים שבבים בחדרים נקיים. אֵי אֶס אֶם אֶל כותבת שהאוויר שם נקי פי עשרת אלפים מהאוויר בחוץ: בכל מטר מעוקב, לכל היותר עשרה חלקיקים כאלה.
והתהליך כולו, מהפרוסה החלקה ועד השבב המוכן, כולל מאות שלבים. אז מי מחזיק מפעל כזה?
צעד 7: מי מצייר את החותמת, ומי מטביע
כאן מגיע החלק שרוב האנשים לא יודעים. אנבידיה, החברה שכולם מדברים עליה, לא מייצרת שבבים. היא מציירת אותם.
את התכנון, הציור של כל שכבה, היא שולחת למפעל.
והמפעל הוא טי אס אם סי, יצרנית השבבים מטאיוואן. אנבידיה כתבה במפורש שבלאקוול מיוצר בתהליך של טי אס אם סי שהותאם במיוחד.
כלומר: אנבידיה מציירת את החותמת. טי אס אם סי מטביעה אותה.
צעד 8: מה הקשר ל-AI, ולמחיר של הזיכרון
שבב AI לא עובד לבד. לידו יושב זיכרון מהיר, הרבה ממנו.
לפי הנתונים של אנבידיה, לכל שבב בלאקוול במערכת הדגל שלה מצורפים כ-180 ג'יגה של זיכרון מיוחד ל-AI.
וגם הזיכרון הזה מודפס באותה דרך, בחותמות של אור, על אותן פרוסות עגולות. אבל הוא בזבזני.
יצרנית הזיכרון מיקרון (Micron) אמרה במרץ 2024 שהזיכרון המיוחד ל-AI צורך בערך פי שלושה פרוסות מזיכרון רגיל, כדי לייצר אותה כמות. והוסיפה שהייצור שלו יגביל את הזיכרון הרגיל.
ולמה המחיר עולה
ועכשיו תחשבו רגע. את השכבות העדינות מדפיס רק סוג אחד של מכונה. רק חברה אחת בעולם מייצרת אותה, וכל מכונה עולה כמאתיים מיליון יורו.
אי אפשר לפתוח מחר בבוקר עוד פס ייצור.
אז כשה-AI לוקח יותר פרוסות, נשארות פחות לזיכרון הרגיל, זה שיש בכל טלפון ומחשב. והמחיר שלו עולה.
איך זיכרון בכלל שומר מידע, ולמה חלק ממנו נמחק בכיבוי? זה במאמר השולחן והארון: איך מחשב זוכר.
במשפט אחד
שבב לא נבנה מתג אחרי מתג: מציירים כל שכבה פעם אחת על חותמת, ומטביעים אותה באור דק מאוד על פרוסת סיליקון, שכבה על שכבה, וכך מיליארדי מתגים נוצרים בבת אחת.
ומה זה נותן לבעל עסק?
פרשנות של צוות האתר
בעל עסק לא צריך לדעת להפעיל מכונת ליתוגרפיה. אבל מי שמבין איך מייצרים שבב, מבין למה מחשבים, טלפונים וכלי AI מתייקרים לפעמים, בלי קשר לחנות שמוכרת אותם.
מעט מכונות, מעט מפעלים, וביקוש עצום מה-AI. כשמתכננים לקנות ציוד, או לבנות על כלי AI בעסק, כדאי לזכור שהמחיר תלוי גם בחותמת של אור, במפעלים מעטים בעולם.
הצעד הבא
רוצים לרדת עוד קומה? מה זה סיליקון, ומה זה "לצרוב" מסביר ממה עשוי כל מתג ואיך הוא נוצר.
ומשם: איך הצ'אט יודע לענות, כלומר מה רץ על מאתיים מיליארד המתגים האלה, והטרנספורמר, המנוע שעליו רץ צ'אט GPT.
ומי שרוצה לדעת למה רק חברות מעטות בעולם יודעות לשרטט את החותמת עצמה: למה לתכנן שבב קשה כל כך, החלק הראשון בסדרה "מלחמת השבבים".
