Selv om det kan virke som om sentralprosessorer (CPU-er) fungerer på magisk vis, er de et resultat av mange tiår med avansert ingeniørkunst. Ettersom transistorer, som er grunnleggende byggeklosser for enhver mikrobrikke, krymper til mikroskopiske dimensjoner, blir produksjonsprosessen stadig mer komplisert.
Fotolitografi: Nøkkelen til mikroprosessorer
Transistorer er nå så utrolig små at det ikke er mulig for produsenter å lage dem med tradisjonelle metoder. Selv om avanserte dreiebenker og 3D-printere kan skape utrolig intrikate objekter, er de begrenset til presisjonsnivåer på mikrometernivå (omtrent 1/30 000 av en tomme), noe som er for grovt for nanoskalaen dagens brikker krever.
Fotolitografi tilbyr en løsning på dette problemet ved å eliminere behovet for å flytte rundt på komplekse maskiner med ekstrem presisjon. I stedet brukes lys for å etse et mønster på brikken. Dette kan sammenlignes med en gammel overheadprosjektor, men i omvendt rekkefølge, der sjablongen blir skalert ned til den ønskede presisjonen.
Mønsteret projiseres på en silisiumskive, som er presisjonsbearbeidet i kontrollerte laboratoriemiljøer. Selv det minste støvpartikkel kan føre til betydelige økonomiske tap. Skiven er dekket med et fotofølsomt materiale, kalt fotoresist, som reagerer på lyset. Dette materialet vaskes bort, og etterlater et etset mønster av CPU-en. Dette mønsteret fylles med kobber eller dotert materiale for å danne transistorer. Denne prosessen gjentas flere ganger, og CPU-en bygges lagvis, på samme måte som en 3D-printer bygger lag av plast.
Nanoskalaens utfordringer i fotolitografi
Det spiller ingen rolle om transistorene kan gjøres mindre hvis de ikke fungerer som de skal. Nanoskalateknologi støter på mange fysiske begrensninger. En transistor skal stoppe strømmen av elektrisitet når den er av, men de blir så små at elektroner kan strømme rett gjennom dem. Dette fenomenet kalles kvantetunnelering, og det utgjør en stor utfordring for ingeniører innen silisiumteknologi.
Defekter er også et problem. Selv fotolitografi har sine begrensninger når det gjelder presisjon. Det kan sammenlignes med et uskarpt bilde fra en projektor; det er ikke like klart når det forstørres eller forminskes. For å motvirke dette, bruker produsentene i dag «ekstremt» ultrafiolett lys, med en mye kortere bølgelengde enn synlig lys. Dette oppnås ved hjelp av lasere i et vakuumkammer. Likevel vil problemet vedvare når størrelsen på komponentene blir enda mindre.
Defekter kan reduseres ved hjelp av en prosess som kalles binning. Hvis en defekt oppstår i en CPU-kjerne, deaktiveres den kjernen, og brikken selges som en modell med færre funksjoner. De fleste CPU-serier er faktisk produsert med samme utgangspunkt, men har noen kjerner deaktivert og selges til en lavere pris. Hvis defekten oppstår i hurtigminnet eller en annen viktig komponent, kan brikken måtte kasseres, noe som fører til lavere utbytte og høyere priser. Nyere prosessnoder, som 7nm og 10nm, vil ha høyere defektrater og vil dermed være dyrere.
Montering og pakking
Å pakke en CPU for konsumentbruk er mer enn bare å legge den i en eske med litt isopor. Når en CPU er ferdig produsert, er den fortsatt ubrukelig med mindre den kan kobles til resten av systemet. «Pakkeprosessen» refererer til metoden der den skjøre silisiumbrikken festes til kretskortet som de fleste tenker på som selve «CPU-en».
Denne prosessen krever høy presisjon, men ikke like mye som de foregående stegene. CPU-brikken monteres på et silisiumkort, og elektriske forbindelser trekkes til alle pinnene som skal kobles til hovedkortet. Moderne prosessorer kan ha tusenvis av pinner, med high-end AMD Threadripper som har hele 4094 av dem.
Siden CPU-en genererer mye varme og også bør beskyttes, monteres en integrert varmespreder på toppen. Denne er i kontakt med brikken og overfører varmen til en kjøler som er montert på den. For noen entusiaster er ikke den termiske pastaen som brukes for å skape denne forbindelsen god nok, og de velger å «delidde» sine prosessorer for å bruke en mer premium løsning.
Når alt er montert, pakkes CPU-en i esker, klar for å sendes til butikkhyllene og installeres i din fremtidige datamaskin. Med tanke på hvor kompleks produksjonen er, er det bemerkelsesverdig at de fleste CPU-er bare koster noen få hundre dollar.
Hvis du er interessert i å lære enda mer teknisk informasjon om hvordan CPU-er produseres, kan du se Wikichips forklaringer om litografiske prosesser og mikroarkitekturer.