Chociaż sposób działania procesorów może wydawać się magiczny, jest to wynik dziesięcioleci sprytnej inżynierii. Kiedy tranzystory – elementy składowe każdego mikroczipa – kurczą się do mikroskopijnych rozmiarów, sposób ich produkcji staje się coraz bardziej skomplikowany.
Spis treści:
Fotolitografia
Tranzystory są teraz tak niewiarygodnie małe, że producenci nie mogą ich zbudować zwykłymi metodami. Podczas gdy precyzyjne tokarki, a nawet drukarki 3D mogą tworzyć niewiarygodnie skomplikowane kreacje, zwykle osiągają precyzję na poziomie mikrometrów (czyli około jednej trzydziestej tysięcznej cala) i nie nadają się do skali nanometrowej, w której budowane są dzisiejsze chipy.
Fotolitografia rozwiązuje ten problem, eliminując potrzebę bardzo precyzyjnego przemieszczania skomplikowanych maszyn. Zamiast tego wykorzystuje światło do wytrawiania obrazu na chipie – jak w starym rzutniku, który można znaleźć w salach lekcyjnych, ale na odwrót, skalując szablon do pożądanej precyzji.
Obraz jest wyświetlany na krzemowej płytce, która jest obrabiana z bardzo dużą precyzją w kontrolowanych laboratoriach, ponieważ każda drobina pyłu na płytce może oznaczać utratę tysięcy dolarów. Wafel jest pokryty materiałem zwanym fotorezystem, który reaguje na światło i jest wypłukiwany, pozostawiając wytrawiony procesor, który można wypełnić miedzią lub domieszkowany do tworzenia tranzystorów. Ten proces jest następnie powtarzany wiele razy, budując procesor podobnie jak drukarka 3D tworzy warstwy plastiku.
Problemy z fotolitografią w skali nano
Nie ma znaczenia, czy możesz zmniejszyć tranzystory, jeśli w rzeczywistości nie działają, a technologia w nanoskali napotyka wiele problemów z fizyką. Tranzystory mają zatrzymywać przepływ energii elektrycznej, gdy są wyłączone, ale stają się tak małe, że elektrony mogą przez nie przepływać. To się nazywa tunelowanie kwantowe i stanowi ogromny problem dla inżynierów zajmujących się układami krzemowymi.
Wady to kolejny problem. Nawet fotolitografia ma limit na precyzję. Jest to analogiczne do rozmytego obrazu z projektora; nie jest tak wyraźne, gdy jest wysadzane lub zmniejszane. Obecnie odlewnie próbują złagodzić ten efekt za pomocą „Ekstremalne” światło ultrafioletowe, o znacznie większej długości fali, niż ludzie mogą dostrzec, używając laserów w komorze próżniowej. Ale problem będzie się powtarzał, gdy rozmiar będzie się zmniejszał.
Czasami usterki można złagodzić za pomocą procesu zwanego binningiem – jeśli defekt uderza w rdzeń procesora, rdzeń ten jest wyłączany, a chip jest sprzedawany jako część z niższej półki. W rzeczywistości większość linii procesorów jest produkowana według tego samego schematu, ale ma wyłączone rdzenie i sprzedawane po niższej cenie. Jeśli defekt trafi w pamięć podręczną lub inny istotny element, ten chip może zostać wyrzucony, co spowoduje niższą wydajność i wyższe ceny. Nowsze węzły procesowe, takie jak 7nm i 10nm, będą miały wyższe współczynniki defektów i w rezultacie będą droższe.
Pakowanie
Pakowanie procesora do użytku konsumenckiego to coś więcej niż tylko włożenie go do pudełka z odrobiną styropianu. Kiedy procesor jest skończony, nadal jest bezużyteczny, chyba że może połączyć się z resztą systemu. Proces „pakowania” odnosi się do metody, w której delikatna silikonowa matryca jest przymocowana do PCB, o której większość ludzi myśli jako „procesor”.
Ten proces wymaga dużej precyzji, ale nie tak dużej jak poprzednie kroki. Kość procesora jest zamontowana na płycie silikonowej, a połączenia elektryczne są prowadzone do wszystkich styków, które mają kontakt z płytą główną. Nowoczesne procesory mogą mieć tysiące pinów, a zaawansowany AMD Threadripper ma ich 4094.
Ponieważ procesor wytwarza dużo ciepła i powinien być również chroniony od przodu, na górze zamontowano „zintegrowany radiator”. To styka się z matrycą i przenosi ciepło do chłodnicy, która jest zamontowana na górze. Dla niektórych entuzjastów pasta termoprzewodząca użyta do wykonania tego połączenia nie jest wystarczająco dobra, co skutkuje ludźmi usuwanie ich przetwórców zastosować bardziej premium rozwiązanie.
Po złożeniu wszystkiego można go zapakować w rzeczywiste pudełka, gotowe do trafienia na półki i włożenia do przyszłego komputera. Biorąc pod uwagę, jak skomplikowana jest produkcja, to dziwne, że większość procesorów kosztuje tylko kilkaset dolarów.
Jeśli chcesz dowiedzieć się jeszcze więcej technicznych informacji na temat produkcji procesorów, zapoznaj się z wyjaśnieniami Wikichipa procesy litograficzne i mikroarchitektury.