Hur en processor eller CPU är gjord: Litografi och förpackning

0 Shares

Konceptet som de flesta användare har av en processor är att det är en enkel hårdvara som placeras på moderkortet och som genererar mycket värme. En processor består dock av tusentals komplexa element, vilket är det som gör att den kan utföra de matematiska operationer som krävs för att allt ska fungera, eftersom allt som datorn gör i slutändan nödvändigtvis måste gå igenom processorn, inklusive vad som bearbetas av GPU:n, varför det är så oerhört viktigt.

Hur en processor eller CPU är gjord

Hur en CPU är gjord

Även om hur processorer fungerar kan verka magiskt, är det resultatet av årtionden av smart ingenjörskonst. Eftersom transistorer, de element som de flesta processorer är gjorda av, reduceras till mikroskopiska skalor, blir sättet på vilket processorer tillverkas allt mer komplicerat.

Fotolitografi är det som väcker CPU:er till liv

Vi är vana vid att se wafers fulla av dussintals chips som sedan används i processorer, men för att komma dit måste du gå igenom en rad steg som börjar med fotolitografi .

Oblea

Transistorer är nu så otroligt små att tillverkare inte kan bygga dem med vanliga metoder. Medan precisionssvarvar och till och med 3D-skrivare kan göra otroligt komplexa skapelser, uppnår de i allmänhet mikrometriska precisionsnivåer (det är ungefär trettio tusendelar av en tum), men de är fortfarande inte lämpliga för de nanoskalor som de är gjorda på. chips idag.

Fotolitografi löser detta problem genom att eliminera behovet av att flytta komplicerade maskiner med stor precision. Istället använder den ljus för att etsa en bild på ett kiselchip, som om det vore en gammal overheadprojektor som kunde hittas i skolans klassrum men omvänt, vilket minskar skalan på mallen till önskad precision.

Fotolitografi

Således projiceras bilden på en kiselwafer som är bearbetad med extremt hög precision på specialmaskiner (de berömda maskinerna tillverkade av ASML) och under extremt snäva förhållanden, eftersom alla dammfläckar på wafern kan innebära att den blir helt förstörd . Skivan är belagd med ett material som kallas fotoresist, som reagerar på ljus och reagerar på det, vilket lämnar en etsning av CPU:n som kan fyllas med koppar eller andra material för att bilda transistorerna. Sedan upprepas denna process många gånger och ökar processorns storlek på samma sätt som en 3D-skrivare samlar lager av plast.

Problemen med nanoskala fotolitografi

Det spelar ingen roll om du kan göra transistorerna mindre och mindre om transistorerna inte kan fungera, och nanoskalateknik har många problem med fysiken på grund av storleken. Transistorer är tänkta att stoppa strömmen av elektricitet när de är avstängda, men de blir så små att elektroner ibland kan strömma genom dem. Detta kallas quantum tunneling och det är ett stort problem för kiselingenjörer.

Defekter är ett annat problem; även fotolitografi har en begränsning i sin precision, det är lite analogt med en suddig bild från projektorn, som inte visar en så tydlig bild när den förstoras eller förminskas. Kiselfabriker försöker för närvarande mildra denna effekt genom att använda EUV-teknik (extremt ultraviolett ljus), en våglängd som är mycket högre än vad människor kan uppfatta, med hjälp av lasrar i en vakuumkammare. Detta problem kommer dock att kvarstå när storleken fortsätter att krympa.

Máquina EUV

Ibland kan defekter mildras med en process som kallas binning: om defekten påverkar en CPU-kärna inaktiveras den kärnan och chippet säljs som en lägre del. Faktum är att de flesta CPU-linjer är gjorda med samma modell, men de har kärnor inaktiverade eftersom de har blivit defekta och säljs därför till ett lägre pris som en lägre produkt.

Om defekten träffar till exempel cachen eller någon annan viktig komponent kommer chippet troligen att behöva skrotas, vilket resulterar i lägre tillverkningsprestanda och därmed högre priser. Nuvarande processnoder, såsom 7 och till och med 10 nanometer, har högre genomströmningshastigheter än 5 nm noder och därför är det omvända sant, deras pris är lägre.

Förpackning, väsentligt i processen för hur en CPU tillverkas

Efter processen för hur en CPU tillverkas, när vi har chipsen redo, måste de förpackas för konsumentbruk, och detta är mycket mer än att bara lägga dem i en låda med lite frigolit. När en CPU är klar är den fortfarande värdelös om den inte kan anslutas till resten av systemet, så processen att “packa” eller “packa” syftar på metoden där den ömtåliga kiselmatrisen (matrisen) fästs på PCB som de flesta tänker på som CPU.

Denna process kräver mycket precision, men uppenbarligen inte lika mycket som de föregående stegen. CPU-matrisen är monterad på ett silikonkort och de elektriska anslutningarna går på alla stift som kommer i kontakt med moderkortets uttag. Moderna processorer kan ha tusentals stift, till exempel AMD Threadripper-processorer som har 4096 av dem.

Eftersom CPU:n producerar mycket värme och även måste skydda sin integritet på andra sidan, monteras en integrerad värmespridare eller engelsk IHS ovanpå. Detta får kontakt med matrisen och överför värme ur matrisen som vi sedan kyler med en CPU-kylare. För vissa entusiaster är den termiska pastan som används för att göra den här anslutningen inte tillräckligt bra, vilket gör att vissa beslutar sig för att göra en process för att delida till processorn.

När allt är monterat kan det nu packas i riktiga lådor, redo att hamna på butikshyllorna och monteras på våra datorer. Nu när du vet hur en CPU är gjord och komplexiteten i att göra den, är det konstigt att de flesta moderna CPU:er bara kostar några hundra dollar, eller hur?

0 Shares