Bár a CPU-k működése varázslatosnak tűnhet, ez több évtizedes okos tervezés eredménye. Ahogy a tranzisztorok – bármely mikrochip építőkövei – mikroszkopikus méretekre zsugorodnak, előállításuk módja egyre bonyolultabbá válik.
Tartalomjegyzék
Fotolitográfia
A tranzisztorok ma már olyan hihetetlenül kicsik, hogy a gyártók nem tudják normál módszerekkel megépíteni őket. Míg a precíziós esztergagépek és még a 3D-s nyomtatók is hihetetlenül bonyolult alkotásokat készíthetnek, általában mikrométeres pontossággal (ez körülbelül egy harmincezredik hüvelyk) teljesítenek, és nem alkalmasak arra a nanométeres léptékre, amelyre a mai chipeket építik.
A fotolitográfia megoldja ezt a problémát azáltal, hogy nem szükséges bonyolult gépeket nagyon pontosan mozgatni. Ehelyett fényt használ, hogy a chipre rámarja a képet – mint egy régi írásvetítő, amelyet az osztálytermekben találhat, de fordítva, a kívánt pontosságra kicsinyíti a sablont.
A képet egy szilícium ostyára vetítik, amelyet nagyon nagy pontossággal dolgoznak fel ellenőrzött laboratóriumokban, mivel az ostyán lévő egyetlen porszem is több ezer dollár veszteséget jelenthet. Az ostyát egy fotorezisztnek nevezett anyaggal vonják be, amely reagál a fényre és lemosódik, így a CPU-n rézzel, ill. doppingolt tranzisztorok kialakítására. Ezt a folyamatot ezután sokszor megismétlik, és a CPU-t úgy építik fel, mintha egy 3D nyomtató műanyagrétegeket építene fel.
A nanoléptékű fotolitográfia problémái
Nem számít, ha a tranzisztorokat kisebbre tudod tenni, ha valójában nem működnek, és a nanoléptékű technológia sok fizikával kapcsolatos problémába ütközik. A tranzisztorok állítólag leállítják az elektromos áram áramlását, ha ki vannak kapcsolva, de olyan kicsik lesznek, hogy az elektronok közvetlenül át tudnak áramlani rajtuk. Ezt úgy hívják kvantum alagút és óriási probléma a szilíciummérnökök számára.
A hibák egy másik probléma. Még a fotolitográfiának is van határa a pontosságában. Ez a projektor elmosódott képéhez hasonló; felrobbantva vagy összezsugorítva nem olyan egyértelmű. Jelenleg az öntödék ezt a hatást a használatával próbálják mérsékelni „extrém” ultraibolya fény, sokkal nagyobb hullámhossz, mint amit az ember érzékelni képes, lézerek segítségével vákuumkamrában. De a probléma továbbra is fennáll, ahogy a méret kisebb lesz.
A hibák néha enyhíthetők a binning nevű eljárással – ha a hiba egy CPU-magot érint, az a mag le van tiltva, és a chipet alsó részként adják el. Valójában a legtöbb CPU-sort ugyanazzal a tervvel gyártják, de a magokat letiltják, és alacsonyabb áron értékesítik. Ha a hiba eléri a gyorsítótárat vagy más lényeges összetevőt, akkor előfordulhat, hogy a chipet ki kell dobni, ami alacsonyabb hozamot és drágább árakat eredményez. Az újabb folyamatcsomópontok, mint például a 7 nm és a 10 nm, nagyobb hibaarányt mutatnak, és ennek következtében drágábbak lesznek.
Csomagolás fel
A CPU fogyasztói használatra való becsomagolása több, mint egy dobozba helyezése némi hungarocellnel. Ha a CPU kész, akkor is használhatatlan, hacsak nem tud csatlakozni a rendszer többi részéhez. A „csomagolási” eljárás arra a módszerre utal, amikor a finom szilícium matricát a PCB-re rögzítik a legtöbb ember „CPU-nak” gondol.
Ez a folyamat nagy pontosságot igényel, de nem annyira, mint az előző lépések. A CPU matrica egy szilícium kártyára van szerelve, és az elektromos csatlakozások az alaplappal érintkező összes érintkezőhöz csatlakoznak. A modern CPU-k több ezer érintkezőt tartalmazhatnak, a csúcskategóriás AMD Threadripperben pedig 4094 tű van.
Mivel a CPU sok hőt termel, és elölről is védeni kell, a tetejére egy „integrált hőelosztó” került. Ez érintkezik a szerszámmal, és átadja a hőt a tetejére szerelt hűtőnek. Egyes rajongók számára az ehhez a kapcsolathoz használt hőpaszta nem elég jó, ami azt eredményezi, hogy az emberek feladják a processzoraikat prémium megoldást alkalmazni.
Miután minden összeállt, tényleges dobozokba csomagolható, készen állva a polcokra, és beilleszthető a jövőbeli számítógépébe. A gyártás bonyolultsága miatt csoda, hogy a legtöbb CPU csak pár száz dollárba kerül.
Ha további technikai információkat szeretne megtudni arról, hogyan készülnek a CPU-k, nézze meg a Wikichip magyarázatait litográfiai folyamatok és mikroarchitektúrák.