фотографии/Shutterstock
Хотя работа процессоров может показаться волшебством, это результат десятилетий умных разработок. По мере того как транзисторы – строительные блоки любого микрочипа – сокращаются до микроскопических масштабов, способ их изготовления становится все более сложным.
фотолитография
J. Роберт Уильямс/Shutterstock
Транзисторы теперь настолько малы, что производители не могут создавать их обычными методами. Хотя прецизионные токарные станки и даже 3D-принтеры могут создавать невероятно запутанные творения, они обычно достигают максимальной точности с точностью до микрометра (около тридцати тысячных дюйма) и не подходят для нанометровых масштабов, на которых изготавливаются современные чипы.
Фотолитография решает эту проблему, устраняя необходимость очень точно перемещать сложные механизмы. Вместо этого он использует свет для вытравливания изображения на чип – как старинный оверхед-проектор, который вы можете найти в классных комнатах, но наоборот, уменьшая трафарет до желаемой точности.
Изображение проецируется на кремниевую пластину, которая обрабатывается с очень высокой точностью в контролируемых лабораториях, поскольку любая частичка пыли на пластине может означать потерю тысяч долларов. Пластина покрыта материалом, называемым фоторезистом, который реагирует на свет и вымывается, оставляя травление ЦП, которое может быть заполнено медью или легировано для формирования транзисторов. Затем этот процесс повторяется много раз, создавая процессор так же, как 3D-принтер накапливает слои пластика.
Проблемы с наноразмерной фотолитографией
Не имеет значения, можете ли вы сделать транзисторы меньшими, если они на самом деле не работают, и нанотехнология сталкивается с множеством проблем с физикой. Предполагается, что транзисторы останавливают поток электричества, когда они выключены, но они становятся настолько маленькими, что электроны могут течь прямо через них. Это называется квантовым туннелированием и является серьезной проблемой для кремниевых инженеров.
Дефекты являются еще одной проблемой. Даже фотолитография имеет ограничение по точности. Это аналог размытого изображения с проектора; это не так ясно, когда взорван или уменьшен. В настоящее время литейные заводы пытаются смягчить этот эффект, используя «экстремальный» ультрафиолетовый свет, намного большую длину волны, чем люди могут воспринимать, используя лазеры в вакуумной камере. Но проблема будет сохраняться по мере уменьшения размера.
Дефекты иногда могут быть устранены с помощью процесса, называемого биннингом – если дефект попадает в ядро ЦП, это ядро отключается и чип продается как нижняя часть. Фактически, большинство линейок процессоров производится с использованием одного и того же проекта, но ядра отключены и продаются по более низкой цене. Если дефект попадает в кэш или другой важный компонент, возможно, придется выбросить этот чип, что приведет к снижению доходности и повышению цен. Более новые узлы процесса, такие как 7 нм и 10 нм, будут иметь более высокую частоту появления дефектов и в результате будут более дорогими.
Упаковка
MchlSkhrv/Shutterstock
Упаковка процессора для потребительского использования – это больше, чем просто укладка его в коробку с пенопластом. Когда процессор завершен, он все еще бесполезен, если не может подключиться к остальной части системы. Процесс «упаковки» относится к методу, при котором тонкий силиконовый кристалл прикрепляется к печатной плате, которую большинство людей считают «процессором».
Этот процесс требует большой точности, но не так много, как предыдущие шаги. Матрица ЦП установлена на кремниевую плату, а электрические соединения подключены ко всем контактам, которые контактируют с материнской платой. Современные процессоры могут иметь тысячи контактов, а у высокопроизводительного AMD Threadripper их 4094.
Поскольку процессор выделяет много тепла и должен быть защищен спереди, «встроенный распределитель тепла» установлен сверху. Это вступает в контакт с матрицей и передает тепло к охладителю, который установлен сверху. Для некоторых энтузиастов термопаста, используемая для создания этого соединения, недостаточно хороша, в результате чего люди выбирают свои процессоры, чтобы применить более качественное решение.
После того, как все это собрано, его можно упаковать в настоящие коробки, готовые поразить полки и вставить в ваш будущий компьютер. При всей сложности 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 литографии и микроархитектурам.
