Въпреки че начинът на работа на процесорите може да изглежда като магия, това е резултат от десетилетия на умно инженерство. Тъй като транзисторите – градивните елементи на всеки микрочип – се свиват до микроскопични мащаби, начинът, по който се произвеждат, става все по-сложен.
Съдържание
Фотолитография
Транзисторите вече са толкова невероятно малки, че производителите не могат да ги изградят по нормални методи. Докато прецизните стругове и дори 3D принтерите могат да създават невероятно сложни творения, те обикновено достигат най-високите нива на прецизност от микрометър (това е около една тридесет хилядна от инча) и не са подходящи за нанометровите мащаби, при които се изграждат днешните чипове.
Фотолитографията решава този проблем, като премахва необходимостта от преместване на сложни машини много прецизно. Вместо това, той използва светлина, за да гравира изображение върху чипа – като ретро шрайбпроектор, който може да намерите в класните стаи, но наобратно, намалявайки шаблона до желаната прецизност.
Изображението се проектира върху силиконова пластина, която се обработва с много висока прецизност в контролирани лаборатории, тъй като всяко едно прах върху пластината може да означава загуба на хиляди долари. Вафлата е покрита с материал, наречен фоторезист, който реагира на светлината и се отмива, оставяйки ецване на процесора, което може да бъде запълнено с мед или легиран за образуване на транзистори. След това този процес се повтаря много пъти, изграждайки процесора, подобно на 3D принтера, който би натрупал слоеве от пластмаса.
Проблемите с наномащабната фотолитография
Няма значение дали можете да направите транзисторите по-малки, ако те всъщност не работят, а технологията на наномащаб се сблъсква с много проблеми с физиката. Транзисторите трябва да спират потока на електричество, когато са изключени, но те стават толкова малки, че електроните могат да преминават направо през тях. Това се казва квантово тунелиране и е огромен проблем за силициевите инженери.
Дефектите са друг проблем. Дори фотолитографията има ограничение за нейната прецизност. Това е аналогично на замъглено изображение от проектора; не е толкова ясно, когато се взриви или намали. В момента леярните се опитват да смекчат този ефект, като използват „екстремна” ултравиолетова светлина, много по-висока дължина на вълната, отколкото хората могат да възприемат, използвайки лазери във вакуумна камера. Но проблемът ще продължи, когато размерът стане по-малък.
Дефектите понякога могат да бъдат смекчени с процес, наречен бининг – ако дефектът удари ядро на процесора, това ядро се деактивира и чипът се продава като долна част. Всъщност повечето серии от процесори се произвеждат по един и същ план, но имат деактивирани ядра и се продават на по-ниска цена. Ако дефектът удари кеша или друг основен компонент, този чип може да се наложи да бъде изхвърлен, което води до по-ниска доходност и по-скъпи цени. По-новите процесни възли, като 7nm и 10nm, ще имат по-висок процент на дефекти и в резултат на това ще бъдат по-скъпи.
Опаковането му
Опаковането на процесора за потребителска употреба е повече от просто поставянето му в кутия с малко стиропор. Когато процесорът приключи, той все още е безполезен, освен ако не може да се свърже с останалата част от системата. Процесът на „опаковане“ се отнася до метода, при който деликатната силиконова матрица е прикрепена към печатната платка, която повечето хора смятат за „CPU“.
Този процес изисква много прецизност, но не толкова, колкото предишните стъпки. CPU матрицата е монтирана на силиконова платка и електрическите връзки се осъществяват към всички щифтове, които влизат в контакт с дънната платка. Съвременните процесори могат да имат хиляди изводи, като AMD Threadripper от висок клас има 4094 от тях.
Тъй като процесорът произвежда много топлина и също така трябва да бъде защитен отпред, отгоре е монтиран „интегриран топлоразпределител“. Това осъществява контакт с матрицата и пренася топлина към охладител, който е монтиран отгоре. За някои ентусиасти термичната паста, използвана за осъществяване на тази връзка, не е достатъчно добра, което води до хората премахване на техните процесори да приложите по-премиум решение.
След като всичко е сглобено, може да бъде опаковано в реални кутии, готови да стъпят на рафтовете и да бъдат поставени в бъдещия ви компютър. С това колко сложно е производството, е чудно, че повечето процесори са само няколкостотин долара.
Ако сте любопитни да научите още повече техническа информация за това как се правят процесорите, вижте обясненията на Wikichip за литографски процеси и микроархитектури.