Хотя то, как работают процессоры, может показаться волшебством, это результат десятилетий умной инженерии. По мере того как транзисторы — строительные блоки любого микрочипа — сжимаются до микроскопических размеров, способ их изготовления становится все более сложным.
Оглавление
Фотолитография
Транзисторы теперь настолько малы, что производители не могут создавать их обычными методами. Хотя прецизионные токарные станки и даже 3D-принтеры могут создавать невероятно сложные творения, они обычно достигают максимальной точности на микрометровом уровне (это примерно одна тридцать тысячная дюйма) и не подходят для нанометровых масштабов, на которых построены современные чипы.
Фотолитография решает эту проблему, избавляя от необходимости очень точно перемещать сложное оборудование. Вместо этого он использует свет, чтобы запечатать изображение на чипе — как старинный проектор, который вы можете найти в классных комнатах, но наоборот, масштабируя трафарет до желаемой точности.
Изображение проецируется на силиконовую пластину, которая обрабатывается с очень высокой точностью в контролируемых лабораториях, так как любая пылинка на пластине может означать потерю тысяч долларов. Пластина покрыта материалом, называемым фоторезистом, который реагирует на свет и смывается, оставляя травление процессора, которое можно заполнить медью или допированный формировать транзисторы. Затем этот процесс повторяется много раз, наращивая ЦП так же, как 3D-принтер наращивает слои пластика.
Проблемы с наноразмерной фотолитографией
Не имеет значения, можете ли вы сделать транзисторы меньше, если они на самом деле не работают, а нанотехнологии сталкиваются с множеством проблем с физикой. Транзисторы должны останавливать поток электричества, когда они выключены, но они становятся настолько маленькими, что электроны могут проходить сквозь них. Это называется квантовое туннелирование и представляет собой серьезную проблему для инженеров-изготовителей кремния.
Другая проблема — дефекты. Даже у фотолитографии есть предел точности. Это аналог размытого изображения от проектора; это не так ясно, когда он взорван или сужен. В настоящее время литейные предприятия пытаются уменьшить этот эффект, используя «Экстремальный» ультрафиолет, длина волны гораздо более высокая, чем люди могут воспринимать, используя лазеры в вакуумной камере. Но проблема не исчезнет, когда размер станет меньше.
Дефекты иногда можно устранить с помощью процесса, называемого биннингом — если дефект затрагивает ядро ЦП, это ядро отключается, и микросхема продается как младшая часть. Фактически, большинство модельных рядов процессоров производятся по одной и той же схеме, но с отключенными ядрами и продаются по более низкой цене. Если дефект попадает в кэш или другой важный компонент, этот чип, возможно, придется выбросить, что приведет к снижению доходности и более высокой цене. Более новые технологические узлы, такие как 7-нм и 10-нм, будут иметь более высокий процент дефектов и в результате будут более дорогими.
Упаковка его
Упаковка ЦП для потребительского использования — это больше, чем просто положить его в коробку с пенопластом. Когда процессор завершает работу, он все еще бесполезен, если он не может подключиться к остальной части системы. Процесс «упаковки» относится к методу, при котором тонкий силиконовый кристалл прикрепляется к печатной плате, которую большинство людей называют «процессором».
Этот процесс требует большой точности, но не такой, как предыдущие шаги. Кристалл ЦП установлен на силиконовой плате, и электрические соединения проходят ко всем контактам, контактирующим с материнской платой. Современные процессоры могут иметь тысячи контактов, а в высокопроизводительном AMD Threadripper их 4094.
Поскольку ЦП выделяет много тепла и должен быть защищен спереди, «встроенный теплоотвод» установлен сверху. Это соприкасается с матрицей и передает тепло охладителю, установленному сверху. Для некоторых энтузиастов термопаста, используемая для этого соединения, недостаточно хороша, что приводит к тому, что люди снятие с производства их процессоров применить более премиальное решение.
После того, как все будет собрано, его можно упаковать в настоящие коробки, готовые попасть на полки и вставить в ваш будущий компьютер. Учитывая сложность производства, удивительно, что большинство процессоров стоят всего пару сотен долларов.
Если вам интересно узнать еще больше технической информации о том, как создаются процессоры, ознакомьтесь с объяснениями Wikichip по литографические процессы и микроархитектуры.