Αν και ο τρόπος που λειτουργούν οι CPU μπορεί να φαίνεται μαγικός, είναι αποτέλεσμα έξυπνης μηχανικής δεκαετιών. Καθώς τα τρανζίστορ – τα δομικά στοιχεία κάθε μικροτσίπ – συρρικνώνονται σε μικροσκοπικές κλίμακες, ο τρόπος παραγωγής τους γίνεται όλο και πιο περίπλοκος.
Πίνακας περιεχομένων
Φωτολιθογραφία
Τα τρανζίστορ είναι πλέον τόσο απίθανα μικρά που οι κατασκευαστές δεν μπορούν να τα κατασκευάσουν χρησιμοποιώντας κανονικές μεθόδους. Ενώ οι τόρνοι ακριβείας και ακόμη και οι 3D εκτυπωτές μπορούν να κάνουν απίστευτα περίπλοκες δημιουργίες, συνήθως ξεπερνούν τα επίπεδα ακρίβειας μικρομέτρων (δηλαδή περίπου το ένα τριάντα χιλιοστό της ίντσας) και δεν είναι κατάλληλα για την κλίμακα νανομέτρων στην οποία κατασκευάζονται τα σημερινά τσιπ.
Η φωτολιθογραφία επιλύει αυτό το πρόβλημα αφαιρώντας την ανάγκη να μετακινούνται πολύπλοκα μηχανήματα με μεγάλη ακρίβεια. Αντίθετα, χρησιμοποιεί φως για να χαράξει μια εικόνα στο τσιπ – όπως ένας vintage προβολέας πάνω από το κεφάλι που μπορεί να βρείτε στις τάξεις, αλλά αντίστροφα, κλιμακώνοντας το στένσιλ στην επιθυμητή ακρίβεια.
Η εικόνα προβάλλεται σε μια γκοφρέτα πυριτίου, η οποία είναι κατεργασμένη με πολύ υψηλή ακρίβεια σε ελεγχόμενα εργαστήρια, καθώς κάθε μόνο κουκκίδα σκόνης στη γκοφρέτα θα μπορούσε να σημαίνει απώλεια χιλιάδων δολαρίων. Η γκοφρέτα είναι επικαλυμμένη με ένα υλικό που ονομάζεται φωτοανθεκτικό, το οποίο ανταποκρίνεται στο φως και ξεπλένεται, αφήνοντας μια χάραξη της CPU που μπορεί να γεμιστεί με χαλκό ή ντοπαρισμένο να σχηματίσουν τρανζίστορ. Αυτή η διαδικασία στη συνέχεια επαναλαμβάνεται πολλές φορές, δημιουργώντας την CPU όπως ακριβώς ένας 3D εκτυπωτής θα δημιουργούσε στρώματα πλαστικού.
Τα ζητήματα με τη φωτολιθογραφία σε νανοκλίμακα
Δεν έχει σημασία αν μπορείτε να κάνετε τα τρανζίστορ μικρότερα αν δεν λειτουργούν στην πραγματικότητα, και η τεχνολογία νανοκλίμακας αντιμετωπίζει πολλά προβλήματα με τη φυσική. Τα τρανζίστορ υποτίθεται ότι σταματούν τη ροή του ηλεκτρισμού όταν είναι απενεργοποιημένα, αλλά γίνονται τόσο μικρά που τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν κατευθείαν μέσα από αυτά. Αυτό ονομάζεται κβαντική σήραγγα και είναι ένα τεράστιο πρόβλημα για τους μηχανικούς πυριτίου.
Τα ελαττώματα είναι ένα άλλο πρόβλημα. Ακόμη και η φωτολιθογραφία έχει καπάκι στην ακρίβειά της. Είναι ανάλογο με μια θολή εικόνα από τον προβολέα. δεν είναι τόσο ξεκάθαρο όταν ανατινάζεται ή συρρικνώνεται. Επί του παρόντος, τα χυτήρια προσπαθούν να μετριάσουν αυτή την επίδραση χρησιμοποιώντας «ακραίο» υπεριώδες φως, ένα πολύ μεγαλύτερο μήκος κύματος από αυτό που μπορεί να αντιληφθεί ο άνθρωπος, χρησιμοποιώντας λέιζερ σε θάλαμο κενού. Αλλά το πρόβλημα θα παραμείνει καθώς το μέγεθος γίνεται μικρότερο.
Τα ελαττώματα μπορούν μερικές φορές να μετριαστούν με μια διαδικασία που ονομάζεται binning – εάν το ελάττωμα χτυπήσει έναν πυρήνα CPU, αυτός ο πυρήνας απενεργοποιείται και το τσιπ πωλείται ως τμήμα κατώτερου άκρου. Στην πραγματικότητα, οι περισσότερες σειρές CPU κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας το ίδιο σχέδιο, αλλά έχουν απενεργοποιημένους πυρήνες και πωλούνται σε χαμηλότερη τιμή. Εάν το ελάττωμα χτυπήσει στη μνήμη cache ή σε άλλο βασικό στοιχείο, αυτό το τσιπ μπορεί να πρέπει να απορριφθεί, με αποτέλεσμα χαμηλότερη απόδοση και ακριβότερες τιμές. Οι νεότεροι κόμβοι διεργασίας, όπως τα 7nm και τα 10nm, θα έχουν υψηλότερους ρυθμούς ελαττωμάτων και ως αποτέλεσμα θα είναι πιο ακριβοί.
Συσκευάζοντάς το
Η συσκευασία της CPU για καταναλωτική χρήση είναι κάτι περισσότερο από την απλή τοποθέτηση της σε ένα κουτί με λίγο φελιζόλ. Όταν τελειώσει μια CPU, εξακολουθεί να είναι άχρηστη εκτός και αν μπορεί να συνδεθεί με το υπόλοιπο σύστημα. Η διαδικασία «συσκευασίας» αναφέρεται στη μέθοδο όπου η λεπτή μήτρα πυριτίου προσαρτάται στο PCB που οι περισσότεροι άνθρωποι πιστεύουν ως «CPU».
Αυτή η διαδικασία απαιτεί μεγάλη ακρίβεια, αλλά όχι τόση όσο τα προηγούμενα βήματα. Το καλούπι της CPU είναι τοποθετημένο σε μια πλακέτα πυριτίου και οι ηλεκτρικές συνδέσεις γίνονται σε όλες τις ακίδες που έρχονται σε επαφή με τη μητρική πλακέτα. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές μπορούν να έχουν χιλιάδες pin, με το high-end AMD Threadripper να έχει 4094 από αυτές.
Δεδομένου ότι η CPU παράγει πολλή θερμότητα και θα πρέπει επίσης να προστατεύεται από το μπροστινό μέρος, ένας “ενσωματωμένος διανομέας θερμότητας” είναι τοποθετημένος στην κορυφή. Αυτό έρχεται σε επαφή με τη μήτρα και μεταφέρει τη θερμότητα σε ένα ψυγείο που είναι τοποθετημένο στην κορυφή. Για μερικούς λάτρεις, η θερμική πάστα που χρησιμοποιείται για να γίνει αυτή η σύνδεση δεν είναι αρκετά καλή, με αποτέλεσμα αφαίρεση των επεξεργαστών τους για να εφαρμόσετε μια πιο premium λύση.
Μόλις συγκεντρωθούν όλα μαζί, μπορεί να συσκευαστεί σε πραγματικά κουτιά, έτοιμα να βγουν στα ράφια και να τοποθετηθούν στον μελλοντικό υπολογιστή σας. Με το πόσο περίπλοκη είναι η κατασκευή, είναι απορίας άξιο που οι περισσότερες CPU κοστίζουν μόνο μερικές εκατοντάδες δολάρια.
Εάν είστε περίεργοι να μάθετε ακόμη περισσότερες τεχνικές πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο κατασκευής των CPU, ρίξτε μια ματιά στις εξηγήσεις του Wikichip για διεργασίες λιθογραφίας και μικροαρχιτεκτονικές.