Die Funktionsweise von Zentralprozessoren (CPUs) wirkt oft wie ein Mysterium, doch sie ist das Resultat jahrzehntelanger, hochentwickelter Ingenieurskunst. Mit der kontinuierlichen Verkleinerung von Transistoren – den fundamentalen Bausteinen jedes Mikrochips – auf mikroskopische Dimensionen, wird deren Fertigung immer anspruchsvoller.
Der Einsatz der Fotolithografie
Transistoren sind heutzutage so winzig, dass herkömmliche Produktionsverfahren nicht mehr ausreichen, um sie herzustellen. Obwohl Präzisionsdrehmaschinen und sogar 3D-Drucker äußerst komplexe Strukturen erzeugen können, erreichen sie in der Regel nur eine Genauigkeit im Mikrometerbereich (etwa ein Dreißigtausendstel Zoll) und sind daher ungeeignet für die Nanometerskala, in der moderne Chips gefertigt werden.
Die Fotolithografie bietet hier eine Lösung, indem sie die Notwendigkeit präziser Maschinenbewegungen eliminiert. Stattdessen wird Licht verwendet, um ein Abbild auf den Chip zu projizieren. Dies ähnelt der Funktionsweise eines klassischen Overheadprojektors, wie man sie früher in Schulen fand, jedoch in umgekehrter Weise, um die Schablone auf die gewünschte Genauigkeit zu verkleinern.
Das erzeugte Bild wird auf eine Siliziumscheibe (Wafer) projiziert, die in speziell kontrollierten Labors mit extrem hoher Genauigkeit bearbeitet wird, da selbst ein winziges Staubkorn auf dem Wafer zum Verlust von Tausenden von Euro führen kann. Der Wafer wird zunächst mit einem lichtempfindlichen Material, dem sogenannten Fotolack, beschichtet. Dieses Material reagiert auf Licht und wird anschließend weggespült, wodurch eine Struktur auf der CPU entsteht, die mit Kupfer oder dotierten Transistoren gefüllt wird. Dieser Prozess wird mehrmals wiederholt und so die CPU schichtweise aufgebaut, ähnlich wie ein 3D-Drucker Kunststoffschichten aufbaut.
Herausforderungen der Fotolithografie im Nanobereich
Die Verkleinerung von Transistoren ist nutzlos, wenn diese nicht korrekt funktionieren. Im Nanobereich treten viele physikalische Probleme auf. Transistoren sollen den Stromfluss unterbrechen, wenn sie ausgeschaltet sind, werden jedoch so klein, dass Elektronen direkt durch sie hindurchfließen können. Dieses Phänomen, bekannt als Quantentunneln, stellt eine erhebliche Herausforderung für Siliziumingenieure dar.
Ein weiteres Problem sind Defekte, da auch die Fotolithografie Präzisionsgrenzen hat. Ähnlich wie bei einem unscharfen Bild von einem Projektor, das beim Vergrößern oder Verkleinern an Klarheit verliert, treten auch hier Ungenauigkeiten auf. Um diesen Effekt zu minimieren, verwenden Halbleiterhersteller derzeit „extremes“ ultraviolettes Licht – eine Wellenlänge, die viel kürzer ist, als vom menschlichen Auge wahrnehmbar. Dies wird durch Laser in einer Vakuumkammer erzeugt. Trotzdem bleibt dieses Problem bestehen, je kleiner die Strukturen werden.
Fehler können durch einen sogenannten Binning-Prozess teilweise kompensiert werden. Wenn ein Fehler einen CPU-Kern betrifft, wird dieser deaktiviert und der Chip als ein Produkt mit geringerer Leistung verkauft. Tatsächlich werden viele CPUs nach dem gleichen Design gefertigt, wobei bestimmte Kerne deaktiviert werden, um sie zu einem niedrigeren Preis anzubieten. Treffen Defekte den Cache oder andere wesentliche Komponenten, muss der Chip möglicherweise verworfen werden, was zu einer geringeren Ausbeute und höheren Kosten führt. Neue Fertigungstechniken wie 7nm und 10nm weisen höhere Fehlerraten auf und sind daher teurer.
Die Verpackung
Die Verpackung einer CPU für den Endverbraucher geht über das einfache Einlegen in eine Styroporverpackung hinaus. Nach der Fertigung ist die CPU allein noch nutzlos, wenn sie sich nicht mit dem restlichen System verbinden kann. Der Verpackungsprozess bezeichnet die Methode, mit der der empfindliche Siliziumchip auf der Leiterplatte angebracht wird, die die meisten Menschen als „CPU“ bezeichnen.
Dieser Prozess erfordert viel Präzision, wenngleich nicht so viel wie die vorherigen Schritte. Der CPU-Chip wird auf einer Siliziumplatine befestigt und mit elektrischen Verbindungen zu den Pins versehen, die den Kontakt mit dem Mainboard herstellen. Moderne CPUs können Tausende von Pins haben, wobei der High-End-AMD Threadripper sogar 4094 Pins aufweist.
Da die CPU viel Wärme erzeugt und geschützt werden muss, wird ein „integrierter Heatspreader“ an der Oberseite befestigt. Dieser hat direkten Kontakt mit dem Chip und leitet die Wärme an den darüber montierten Kühler ab. Einige Enthusiasten empfinden die verwendete Wärmeleitpaste als unzureichend, was dazu führt, dass einige ihre Prozessoren „köpfen“, um eine bessere Lösung zu verwenden.
Sobald alle Komponenten montiert sind, kann die CPU in ihre endgültige Verpackung gebracht und für den Verkauf vorbereitet werden. Angesichts der Komplexität des Herstellungsprozesses ist es erstaunlich, dass die meisten CPUs nur einige Hundert Euro kosten.
Für weitere technische Details zur CPU-Herstellung empfehlen wir die Erläuterungen von Wikichip zu Lithografieverfahren und Mikroarchitekturen.