Selv om måten CPU-er fungerer på kan virke som magi, er det et resultat av flere tiår med smart konstruksjon. Etter hvert som transistorer – byggesteinene til enhver mikrobrikke – krymper til mikroskopiske skalaer, blir måten de produseres på, stadig mer komplisert.
Innholdsfortegnelse
Fotolitografi
Transistorer er nå så umulig små at produsenter ikke kan bygge dem med vanlige metoder. Mens presisjonsdreiebenker og til og med 3D-skrivere kan lage utrolig intrikate kreasjoner, topper de vanligvis på mikrometernivåer av presisjon (det er omtrent en trettitusendels tomme) og er ikke egnet for nanometerskalaen som dagens brikker er bygget på.
Fotolitografi løser dette problemet ved å fjerne behovet for å flytte rundt på kompliserte maskiner veldig presist. I stedet bruker den lys til å etse et bilde på brikken – som en vintage overheadprojektor du kan finne i klasserom, men omvendt, skalerer sjablongen ned til ønsket presisjon.
Bildet projiseres på en silisiumplate, som er maskinert til svært høy presisjon i kontrollerte laboratorier, ettersom ethvert enkelt støvflekk på waferen kan bety å tape tusenvis av dollar. Waferen er belagt med et materiale som kalles fotoresist, som reagerer på lyset og vaskes bort, og etterlater en etsning av CPU-en som kan fylles ut med kobber eller dopet å danne transistorer. Denne prosessen gjentas deretter mange ganger, og bygger opp CPU-en omtrent som en 3D-skriver ville bygge opp lag med plast.
Problemene med fotolitografi i nanoskala
Det spiller ingen rolle om du kan gjøre transistorene mindre hvis de faktisk ikke fungerer, og nanoskalateknologi støter på mange problemer med fysikk. Transistorer skal stoppe strømmen av elektrisitet når de er av, men de blir så små at elektroner kan strømme rett gjennom dem. Dette kalles kvantetunnelering og er et enormt problem for silisiumingeniører.
Defekter er et annet problem. Selv fotolitografi har en topp på sin presisjon. Det er analogt med et uskarpt bilde fra projektoren; det er ikke fullt så tydelig når det blåses opp eller krympes ned. For tiden prøver støperier å dempe denne effekten ved å bruke «ekstremt» ultrafiolett lys, en mye høyere bølgelengde enn mennesker kan oppfatte, ved å bruke lasere i et vakuumkammer. Men problemet vil vedvare når størrelsen blir mindre.
Defekter kan noen ganger reduseres med en prosess som kalles binning – hvis defekten treffer en CPU-kjerne, deaktiveres den kjernen, og brikken selges som en nedre del. Faktisk er de fleste serier av CPUer produsert med samme plan, men har kjerner deaktivert og solgt til en lavere pris. Hvis defekten treffer cachen eller en annen viktig komponent, kan den brikken måtte kastes ut, noe som resulterer i lavere avkastning og dyrere priser. Nyere prosessnoder, som 7nm og 10nm, vil ha høyere defektrater og vil bli dyrere som et resultat.
Pakke det opp
Å pakke CPU-en for forbrukerbruk er mer enn bare å legge den i en boks med litt styrofoam. Når en CPU er ferdig, er den fortsatt ubrukelig med mindre den kan kobles til resten av systemet. «Pakkeprosessen» refererer til metoden der den delikate silisiumformen festes til PCB-en som de fleste tenker på som «CPU».
Denne prosessen krever mye presisjon, men ikke så mye som de foregående trinnene. CPU-matrisen er montert på et silisiumkort, og elektriske tilkoblinger kjøres til alle pinnene som kommer i kontakt med hovedkortet. Moderne prosessorer kan ha tusenvis av pinner, med high-end AMD Threadripper med 4094 av dem.
Siden CPU’en produserer mye varme, og også bør beskyttes fra fronten, er det montert en «integrert varmespreder» på toppen. Denne får kontakt med dysen og overfører varme til en kjøler som er montert på toppen. For noen entusiaster er ikke den termiske pastaen som brukes til å lage denne forbindelsen god nok, noe som resulterer i at folk deliding sine prosessorer å bruke en mer premium løsning.
Når alt er satt sammen, kan det pakkes inn i faktiske esker, klar til å komme i hyllene og settes inn i din fremtidige datamaskin. Med hvor kompleks produksjonen er, er det et rart at de fleste CPU-er bare koster et par hundre dollar.
Hvis du er nysgjerrig på å lære enda mer teknisk informasjon om hvordan CPUer er laget, sjekk ut Wikichips forklaringer av litografiske prosesser og mikroarkitekturer.