Хоча принцип роботи процесорів може здаватися чимось магічним, насправді це результат багаторічних розробок та інженерних рішень. Зменшення транзисторів – основних елементів будь-якого мікрочипа – до мікроскопічних розмірів, робить їх виробництво дедалі складнішим.
Фотолітографія: мистецтво створення мікросхем
Сучасні транзистори є настільки мініатюрними, що їх створення традиційними методами вже неможливе. Незважаючи на те, що точні верстати та навіть 3D-принтери здатні створювати дивовижно складні структури, їхня точність досягає лише мікрометрового рівня (приблизно одна тридцятитисячна дюйма), що не підходить для нанометрових масштабів, на яких виготовляються сучасні мікросхеми.
Фотолітографія розв’язує цю проблему, усуваючи потребу в надточному переміщенні складних механізмів. Замість цього, вона використовує світло для формування зображення на чіпі. Це нагадує старовинний проектор, який зменшує трафарет до необхідної точності, але працює навпаки.
Зображення проєктується на кремнієву пластину, яка обробляється з надзвичайною точністю в спеціальних лабораторіях, оскільки навіть найдрібніша пилинка на пластині може призвести до значних фінансових втрат. Пластина покривається фоторезистом, який реагує на світло. Після засвічення, фоторезист змивається, залишаючи протравлену структуру процесора, яку потім заповнюють міддю або легують для створення транзисторів. Цей процес повторюється багато разів, створюючи процесор подібно до того, як 3D-принтер створює шари пластику.
Виклики наномасштабної фотолітографії
Зменшення транзисторів є важливим, але не єдиним фактором. Технології наномасштабів стикаються з різними фізичними проблемами. Транзистори повинні блокувати потік електрики у вимкненому стані, проте, при зменшенні розмірів, електрони можуть “просочуватися” крізь них. Це явище відоме як квантове тунелювання і є значною проблемою для інженерів, що працюють з кремнієм.
Іншою проблемою є дефекти. Навіть фотолітографія має обмеження щодо точності. Це схоже на розмите зображення з проектора, яке втрачає чіткість при зменшенні або збільшенні. Для подолання цього ефекту, виробники використовують “екстремальне” ультрафіолетове випромінювання, довжина хвилі якого є значно меншою за ту, що сприймається людським оком. Це випромінювання створюється за допомогою лазерів у вакуумній камері. Проте, проблема дефектів залишається актуальною, особливо при подальшому зменшенні розмірів.
Дефекти іноді можна мінімізувати за допомогою процесу, що називається біннінгом. Якщо дефект виявлено в ядрі процесора, це ядро відключається, і чіп продається як продукт нижчого класу. Більшість процесорних лінійок виробляються за одним і тим же проєктом, але мають відключені ядра і, відповідно, нижчу ціну. Якщо дефект потрапляє в кеш-пам’ять або інший важливий компонент, чіп може бути повністю непридатним, що призводить до зниження виходу продукції та збільшення вартості. Новіші технології, як-от 7 нм і 10 нм, мають більший рівень дефектів, що впливає на їхню вартість.
Упаковка процесора
Упаковка процесора для споживчого використання – це набагато більше, ніж просто розміщення його в коробці з пінопластом. Після завершення виробництва, процесор залишається непридатним, поки він не під’єднаний до решти системи. Процес “упаковки” передбачає приєднання тонкої кремнієвої матриці до друкованої плати, яку більшість людей сприймають як “процесор”.
Цей процес, хоча й вимагає високої точності, є менш точним, ніж попередні етапи. Плата процесора закріплюється на кремнієвій підкладці, а електричні з’єднання підключаються до всіх контактів, які контактують із материнською платою. Сучасні процесори можуть мати тисячі контактів, а у високопродуктивних AMD Threadripper їх аж 4094.
Оскільки процесор виділяє багато тепла і потребує захисту, зверху встановлюється “вбудований теплорозподільник”. Він контактує з матрицею і передає тепло до системи охолодження. Для деяких ентузіастів, термопасти, яка використовується для з’єднання, недостатньо, що призводить до зняття кришки процесора та використання більш якісної термопасти.
Після завершення цих етапів, процесор можна упакувати в коробки та відправити в магазини для встановлення у ваші майбутні комп’ютери. З огляду на складність виробничого процесу, дивно, що більшість процесорів коштують всього кілька сотень доларів.
Якщо вас цікавлять технічні деталі виробництва процесорів, ви можете знайти додаткову інформацію про процеси літографії та мікроархітектуру на Wikichip.