Как на самом деле делают процессоры?

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.

Смотрите также: Что такое центральный процессор и что он делает?

Фотолитография

Транзисторы сейчас 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 уровне микрометра (то есть около одной тридцатитысячной доли дюйма) и не подходят для нанометрового масштаба, на котором построены современные чипы.

Фотолитография решает эту проблему, избавляя от необходимости очень точно перемещать сложное оборудование. Вместо этого оно 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 кремниевую пластину, которая обрабатывается с очень высокой точностью в контролируемых лабораториях, поскольку любая пылинка на пластине может означать потерю тысяч долларов. Пластина покрыта материалом, называемым фоторезистом, который реагирует на свет и смывается, оставляя травление ЦП, которое может быть заполнено медью или легировано для образования транзисторов. 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 не заработают, а ведь нанотехнологии сталкиваются с множеством проблем с физикой. Транзисторы должны останавливать электрический ток, когда они выключены, но они становятся настолько маленькими, что электроны могут проходить сквозь них. Это называется квантовым туннелированием и представляет собой серьёзную проблему для инженеров по кремнию.

Ещё одна проблема — дефекты. Даже у фотолитографии есть предел точности. В настоящее время литейные предприятия пытаются смягчить этот эффект, используя «экстремальный» ультрафиолетовый свет, с помощью лазеров в вакуумной камере, длина волны которого гораздо более высокая, чем может воспринимать человек. 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 продаётся как деталь более низкого уровня. Фактически, большинство модельных рядов процессоров производятся по одной и той же схеме, но с отключёнными ядрами и продаются по более низкой цене. Если дефект попадает в кэш или другой важный компонент, этот чип, возможно, придётся выбросить, что приведёт к снижению доходности и более высокой цене. Новые технологические узлы, такие как 7-нм и 10-нм, будут иметь более высокий процент дефектов и в результате будут более дорогими.

Связанная статья: Что означают «7 нм» и «10 нм» для процессоров и почему они имеют значение?

Упаковка

Упаковка ЦП для потребительского использования — это больше, чем просто положить его в коробку с пенопластом. Когда завершается работа над процессором, он по-прежнему бесполезен, если он не может подключиться к остальной системе. 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 защищён спереди, наверху установлен «встроенный теплоотвод». Он соприкасается с матрицей и передаёт тепло охладителю, установленному сверху. По мнению некоторых энтузиастов, термопаста, используемая для этого соединения, недостаточно хороша, что приводит к тому, что люди скальпируют свои процессоры, чтобы применить более качественное решение.

Когда все будет собрано, его можно упаковать в настоящие коробки, готовые попасть на полки магазинов, а потом и в ваш компьютер. Учитывая сложность производства, удивительно, что большинство процессоров стоит всего пару сотен долларов.

Если вам интересно узнать ещё больше технической информации о том, как создаются процессоры, ознакомьтесь с объяснениями процессов литографии и микроархитектур в Wikichip.