Även om hur CPU:er fungerar kan verka som magi, är det resultatet av årtionden av smart ingenjörskonst. När transistorer – byggstenarna i vilket mikrochip som helst – krymper till mikroskopiska skalor, blir sättet de tillverkas allt mer komplicerat.
Innehållsförteckning
Fotolitografi
Transistorer är nu så omöjligt små att tillverkare inte kan bygga dem med vanliga metoder. Medan precisionssvarvar och till och med 3D-skrivare kan göra otroligt komplicerade skapelser, toppar de vanligtvis på mikrometernivåer av precision (det är ungefär en trettiotusendels tum) och är inte lämpliga för de nanometerskalor som dagens chips är byggda på.
Fotolitografi löser detta problem genom att ta bort behovet av att flytta runt komplicerade maskiner mycket exakt. Istället använder den ljus för att etsa en bild på chipet – som en vintage overheadprojektor som du kan hitta i klassrum, men omvänt, skalar ner stencilen till önskad precision.
Bilden projiceras på en kiselskiva, som är bearbetad till mycket hög precision i kontrollerade laboratorier, eftersom varje enskild dammfläck på skivan kan innebära att förlora på tusentals dollar. Skivan är belagd med ett material som kallas fotoresist, som reagerar på ljuset och sköljs bort, vilket lämnar en etsning av CPU:n som kan fyllas i med koppar eller dopad att bilda transistorer. Denna process upprepas sedan många gånger, att bygga upp processorn ungefär som en 3D-skrivare skulle bygga upp lager av plast.
Problemen med fotolitografi i nanoskala
Det spelar ingen roll om du kan göra transistorerna mindre om de inte faktiskt fungerar, och nano-skala teknik stöter på många problem med fysik. Transistorer är tänkta att stoppa strömmen av elektricitet när de är avstängda, men de blir så små att elektroner kan flöda rakt igenom dem. Det här kallas kvanttunneling och är ett enormt problem för kiselingenjörer.
Defekter är ett annat problem. Även fotolitografi har ett lock på sin precision. Det är analogt med en suddig bild från projektorn; det är inte lika tydligt när det sprängs eller krymps ner. För närvarande försöker gjuterier att mildra denna effekt genom att använda ”extremt” ultraviolett ljus, en mycket högre våglängd än vad människor kan uppfatta, med hjälp av lasrar i en vakuumkammare. Men problemet kommer att kvarstå när storleken blir mindre.
Defekter kan ibland mildras med en process som kallas binning – om defekten träffar en CPU-kärna inaktiveras den kärnan och chippet säljs som en nedre del. Faktum är att de flesta serier av processorer tillverkas med samma ritning, men har kärnor inaktiverade och säljs till ett lägre pris. Om defekten träffar cachen eller någon annan viktig komponent kan det chippet behöva kastas ut, vilket resulterar i lägre avkastning och dyrare priser. Nyare processnoder, som 7nm och 10nm, kommer att ha högre defektfrekvens och blir dyrare som ett resultat.
Packa upp det
Att packa processorn för konsumentbruk är mer än att bara lägga den i en låda med lite frigolit. När en CPU är klar är den fortfarande värdelös om den inte kan ansluta till resten av systemet. ”Förpackning”-processen hänvisar till metoden där den ömtåliga kiselformen fästs på PCB:n som de flesta människor tänker på som ”CPU.”
Denna process kräver mycket precision, men inte lika mycket som de föregående stegen. CPU-matrisen är monterad på ett silikonkort och elektriska anslutningar körs till alla stift som kommer i kontakt med moderkortet. Moderna processorer kan ha tusentals stift, med avancerade AMD Threadripper som har 4094 av dem.
Eftersom CPU:n producerar mycket värme, och även bör skyddas framifrån, är en ”integrerad värmespridare” monterad på toppen. Detta får kontakt med formen och överför värme till en kylare som är monterad ovanpå. För vissa entusiaster är den termiska pastan som används för att skapa denna anslutning inte tillräckligt bra, vilket resulterar i att människor deliding sina processorer att tillämpa en mer premiumlösning.
När allt är ihopsatt kan det packas i riktiga lådor, redo att hamna på hyllorna och sättas in i din framtida dator. Med hur komplex tillverkningen är, är det konstigt att de flesta CPU:er bara kostar ett par hundra dollar.
Om du är nyfiken på att lära dig ännu mer teknisk information om hur processorer är gjorda, kolla in Wikichips förklaringar av litografiska processer och mikroarkitekturer.