Trots att centralprocessorns funktioner kan te sig mystiska, är de frukten av decennier av avancerad ingenjörskonst. Allteftersom transistorer, de fundamentala byggstenarna i varje mikrochip, förminskas till mikroskopiska dimensioner, blir tillverkningsprocessen alltmer invecklad.
Fotolitografi: En avgörande process
Transistorer är nu så oerhört små att de inte kan konstrueras med traditionella metoder. Även om precisionssvarvar och 3D-skrivare kan skapa komplexa strukturer, når de vanligtvis bara upp till mikrometerns precisionsnivå (ungefär en trettiotusendels tum), vilket är otillräckligt för de nanometerskalor som dagens chip kräver.
Fotolitografi erbjuder en lösning genom att eliminera behovet av att flytta avancerade maskiner med extrem precision. Istället används ljus för att gravera en bild på chipet, likt en gammaldags overheadprojektor fast i omvänd riktning, där en schablon förminskas till den önskade precisionsnivån.
Denna bild projiceras på en kiselskiva, bearbetad med högsta precision i kontrollerade laboratorier, eftersom även den minsta dammpartikel kan resultera i kostnader på tusentals dollar. Skivan är täckt med ett ljuskänsligt material, fotoresist, som reagerar på ljuset och tvättas bort, vilket efterlämnar en etsning av processorn. Denna etsning kan fyllas med koppar eller dopas för att skapa transistorer. Processen upprepas många gånger för att gradvis bygga upp processorn, på samma sätt som en 3D-skrivare bygger lager av plast.
Utmaningar med nanoskala fotolitografi
Att förminska transistorer är inte till någon nytta om de inte fungerar korrekt. Nanotekniken ställs inför många fysikaliska utmaningar. Transistorer ska i princip blockera elektricitet när de är i ”av”-läge. Men när de blir så små att elektroner kan ”tunnla” igenom dem, uppstår problem. Fenomenet, känt som kvanttunnelering, är en betydande utmaning för kiselingenjörer.
Defekter är ett annat problem. Även fotolitografi har begränsningar i sin precision. Det kan liknas vid en suddig bild från en projektor; den blir otydligare om den förstoras eller förminskas. För att motverka detta använder tillverkare ”extremt” ultraviolett ljus, en våglängd mycket kortare än synligt ljus, skapad med lasrar i en vakuumkammare. Detta hjälper till att skapa tydligare mönster, men problemet med defekter kvarstår i takt med att storleken på transistorer fortsätter att minska.
Defekter kan ibland hanteras genom en process som kallas ”binning”. Om en defekt drabbar en kärna i processorn inaktiveras den kärnan, och chippet säljs som en billigare modell. Många processorfamiljer tillverkas med samma grundläggande design, men med en eller flera kärnor inaktiverade. Defekter i cachen eller andra kritiska komponenter kan leda till att hela chippet måste kasseras, vilket sänker avkastningen och ökar kostnaderna. Nyare processornoder, som 7 nm och 10 nm, tenderar att ha högre defektfrekvens och blir därför dyrare.
Förpackning av processorn
Förpackningen av processorn för konsumentbruk handlar om mer än att bara lägga den i en låda. Även efter att själva CPU:n är färdig är den oanvändbar om den inte kan anslutas till resten av systemet. ”Förpackningen” avser processen där det känsliga kiselchippet fästs på det kretskort (PCB) som de flesta känner igen som ”CPU:n”.
Denna process kräver hög precision, men inte lika mycket som de tidigare stegen. Själva processorkretsen monteras på ett silikonkort, och elektriska anslutningar dras till alla de stift som ska ansluta till moderkortet. Moderna processorer kan ha tusentals stift; avancerade AMD Threadripper har till exempel 4094 stift.
Eftersom processorn genererar mycket värme, och även behöver skydd, monteras en ”integrerad värmespridare” ovanpå. Denna har kontakt med kretsen och överför värmen till en kylare. Vissa entusiaster anser inte att den termiska pastan som skapar denna kontakt är tillräckligt bra, vilket leder till att de ”deliddar” sina processorer för att applicera en bättre lösning.
När allt är monterat kan det packas i lådor, redo att hamna i butikshyllorna och installeras i din framtida dator. Med tanke på hur komplex tillverkningen är, är det nästan förvånande att de flesta processorer bara kostar ett par hundra dollar.
Om du vill lära dig mer om processortillverkning, ta en titt på Wikichips förklaringar av litografiska processer och mikroarkitekturer.