Lai gan CPU darbības veids var šķist maģisks, tas ir gadu desmitiem ilgas gudras inženierijas rezultāts. Tā kā tranzistori — jebkuras mikroshēmas pamatelementi — sarūk līdz mikroskopiskām mērogā, to ražošanas veids kļūst arvien sarežģītāks.
Fotolitogrāfija
Tranzistori tagad ir tik neiespējami mazi, ka ražotāji nevar tos izveidot, izmantojot parastās metodes. Lai gan precīzās virpas un pat 3D printeri var radīt neticami sarežģītus darbus, parasti tie ir precīzāki ar mikrometru precizitāti (tas ir apmēram viena trīsdesmit tūkstošdaļa collas) un nav piemēroti nanometru skalām, kurās tiek būvēti mūsdienu mikroshēmas.
Fotolitogrāfija atrisina šo problēmu, novēršot nepieciešamību ļoti precīzi pārvietot sarežģītas iekārtas. Tā vietā tiek izmantota gaisma, lai mikroshēmā iegravētu attēlu, piemēram, veco kodoskopu, ko jūs varētu atrast klasēs, bet otrādi, trafaretu mērogojot līdz vajadzīgajai precizitātei.
Attēls tiek projicēts uz silīcija plāksnītes, kas tiek apstrādāta ļoti precīzi kontrolētās laboratorijās, jo jebkurš putekļu plankums uz plāksnītes var nozīmēt tūkstošiem dolāru zaudējumu. Vafele ir pārklāta ar materiālu, ko sauc par fotorezistu, kas reaģē uz gaismu un tiek nomazgāts, atstājot CPU kodinājumu, ko var piepildīt ar varu vai dopēts veidot tranzistorus. Pēc tam šo procesu atkārto daudzas reizes, veidojot centrālo procesoru līdzīgi kā 3D printeris veidotu plastmasas slāņus.
Nano mēroga fotolitogrāfijas problēmas
Nav svarīgi, vai jūs varat padarīt tranzistorus mazākus, ja tie faktiski nedarbojas, un nanomēroga tehnoloģija saskaras ar daudzām fizikas problēmām. Ir paredzēts, ka tranzistoriem jāpārtrauc elektrības plūsma, kad tie ir izslēgti, taču tie kļūst tik mazi, ka elektroni var plūst tieši caur tiem. To sauc kvantu tunelēšana un tā ir milzīga problēma silīcija inženieriem.
Defekti ir vēl viena problēma. Pat fotolitogrāfijas precizitāte ir ierobežota. Tas ir līdzīgs izplūdušam attēlam no projektora; tas nav tik skaidrs, kad tiek uzspridzināts vai sarukts. Pašlaik lietuves cenšas mazināt šo efektu, izmantojot „ekstrēma” ultravioletā gaisma, daudz lielāks viļņa garums, nekā cilvēki spēj uztvert, izmantojot lāzerus vakuuma kamerā. Bet problēma saglabāsies, jo izmērs kļūst mazāks.
Dažkārt defektus var mazināt, izmantojot procesu, ko sauc par binning — ja defekts skar CPU kodolu, šis kodols tiek atspējots un mikroshēma tiek pārdota kā apakšējā daļa. Faktiski lielākā daļa CPU modeļu tiek ražoti, izmantojot vienu un to pašu projektu, taču tiem ir atspējoti kodoli un tie tiek pārdoti par zemāku cenu. Ja defekts nonāk kešatmiņā vai citā būtiskā komponentā, iespējams, ka mikroshēma būs jāizmet, kā rezultātā samazināsies ienesīgums un sadārdzinās cenas. Jaunākiem procesa mezgliem, piemēram, 7 nm un 10 nm, būs lielāks defektu līmenis, un tāpēc tie būs dārgāki.
Iesaiņošana
CPU iepakošana patērētāju lietošanai nozīmē vairāk nekā tikai tā ievietošanu kastē ar putupolistirolu. Kad CPU ir pabeigts, tas joprojām ir bezjēdzīgs, ja vien tas nevar izveidot savienojumu ar pārējo sistēmu. “Iesaiņošanas” process attiecas uz metodi, kurā smalkā silīcija presforma tiek pievienota PCB, vairums cilvēku to uzskata par “CPU”.
Šis process prasa lielu precizitāti, bet ne tik daudz kā iepriekšējās darbības. CPU matrica ir uzstādīta uz silīcija plates, un elektriskie savienojumi tiek savienoti ar visām tapām, kas saskaras ar mātesplati. Mūsdienu CPU var būt tūkstošiem tapu, un augstākās klases AMD Threadripper ir 4094 no tiem.
Tā kā centrālais procesors ražo daudz siltuma, un tas ir jāaizsargā arī no priekšpuses, augšpusē ir uzstādīts „integrētais siltuma izplatītājs”. Tas saskaras ar matricu un pārnes siltumu uz dzesētāju, kas ir uzstādīts augšpusē. Dažiem entuziastiem šī savienojuma izveidošanai izmantotā termopasta nav pietiekami laba, kā rezultātā cilvēki savus procesorus lai piemērotu augstākās kvalitātes risinājumu.
Kad tas viss ir salikts, to var iepakot īstās kastēs, kas ir gatavs nonākšanai plauktos un ievietots jūsu topošajā datorā. Ņemot vērā to, cik sarežģīta ir ražošana, ir brīnums, ka lielākā daļa CPU maksā tikai pāris simtus dolāru.
Ja vēlaties uzzināt vēl vairāk tehniskās informācijas par CPU izgatavošanu, skatiet Wikichip skaidrojumus par litogrāfijas procesi un mikroarhitektūras.