În timp ce modul în care funcționează procesoarele poate părea magic, este rezultatul a zeci de ani de inginerie inteligentă. Pe măsură ce tranzistoarele – elementele de bază ale oricărui microcip – se micșorează la scară microscopică, modul în care sunt produși devine din ce în ce mai complicat.
Cuprins
Fotolitografie
Tranzistoarele sunt acum atât de incredibil de mici încât producătorii nu le pot construi folosind metode normale. În timp ce strungurile de precizie și chiar imprimantele 3D pot realiza creații incredibil de complicate, ele depășesc de obicei la niveluri de precizie micrometrice (adică aproximativ o treizeci de miimi de inch) și nu sunt potrivite pentru scara nanometrică la care sunt construite cipurile de astăzi.
Fotolitografia rezolvă această problemă eliminând necesitatea de a muta foarte precis utilajele complicate. În schimb, folosește lumina pentru a grava o imagine pe cip – ca un retroproiector de epocă pe care l-ați putea găsi în sălile de clasă, dar în sens invers, reducând șablonul la precizia dorită.
Imaginea este proiectată pe o napolitană de siliciu, care este prelucrată cu o precizie foarte mare în laboratoare controlate, deoarece orice bucată de praf de pe napolitană ar putea însemna pierderea de mii de dolari. Placa este acoperită cu un material numit fotorezist, care răspunde la lumină și este spălat, lăsând o gravare a CPU care poate fi umplută cu cupru sau dopat pentru a forma tranzistori. Acest proces se repetă apoi de mai multe ori, construind procesorul la fel ca o imprimantă 3D ar construi straturi de plastic.
Problemele cu fotolitografie la scară nano
Nu contează dacă poți face tranzistoarele mai mici dacă nu funcționează efectiv, iar tehnologia la scară nanometrică se confruntă cu o mulțime de probleme cu fizica. Tranzistoarele ar trebui să oprească fluxul de electricitate atunci când sunt oprite, dar devin atât de mici încât electronii pot trece direct prin ele. Aceasta se numește tunelul cuantic și este o problemă masivă pentru inginerii de siliciu.
Defectele sunt o altă problemă. Chiar și fotolitografia are un limită asupra preciziei sale. Este analog unei imagini neclare de la proiector; nu este chiar la fel de clar când este aruncat în aer sau este micșorat. În prezent, turnătoriile încearcă să atenueze acest efect prin utilizarea lumină ultravioletă „extremă”., o lungime de undă mult mai mare decât o pot percepe oamenii, folosind lasere într-o cameră cu vid. Dar problema va persista pe măsură ce dimensiunea devine mai mică.
Defectele pot fi uneori atenuate printr-un proces numit binning – dacă defectul lovește un nucleu al procesorului, acel nucleu este dezactivat, iar cipul este vândut ca parte inferioară. De fapt, cele mai multe game de procesoare sunt fabricate folosind același model, dar au nuclee dezactivate și vândute la un preț mai mic. Dacă defectul lovește memoria cache sau o altă componentă esențială, acel cip poate fi necesar să fie aruncat, rezultând un randament mai mic și prețuri mai scumpe. Nodurile de proces mai noi, cum ar fi 7nm și 10nm, vor avea rate de defectare mai mari și, ca urmare, vor fi mai scumpe.
Împachetând-o
A împacheta procesorul pentru uzul consumatorilor înseamnă mai mult decât a-l pune într-o cutie cu niște spumă de polistiren. Când un procesor este terminat, este încă inutil dacă nu se poate conecta la restul sistemului. Procesul de „ambalare” se referă la metoda în care matrița delicată de siliciu este atașată la PCB-ul pe care majoritatea oamenilor îl consideră „CPU”.
Acest proces necesită multă precizie, dar nu atât de mult ca pașii anteriori. Dispozitivul procesorului este montat pe o placă de silicon, iar conexiunile electrice sunt efectuate la toți pinii care intră în contact cu placa de bază. Procesoarele moderne pot avea mii de pini, AMD Threadripper de ultimă generație având 4094 dintre ei.
Deoarece procesorul produce multă căldură și ar trebui să fie protejat și din față, în partea de sus este montat un „distribuitor de căldură integrat”. Aceasta face contact cu matrița și transferă căldura la un răcitor care este montat deasupra. Pentru unii entuziaști, pasta termică folosită pentru a face această legătură nu este suficient de bună, ceea ce duce la oameni deliding procesoarele lor pentru a aplica o soluție mai premium.
Odată ce totul este pus cap la cap, poate fi ambalat în cutii reale, gata să ajungă pe rafturi și să fie introdus în viitorul tău computer. Având în vedere cât de complexă este producția, este de mirare că majoritatea procesoarelor costă doar câteva sute de dolari.
Dacă sunteți curios să aflați și mai multe informații tehnice despre cum sunt fabricate procesoarele, consultați explicațiile Wikichip despre procese de litografie și microarhitecturi.