Selvom den måde, CPU’er fungerer på, kan virke som magi, er det resultatet af årtiers klog teknik. Efterhånden som transistorer – byggestenene i enhver mikrochip – krymper til mikroskopiske skalaer, bliver den måde, de fremstilles på, stadig mere kompliceret.
Indholdsfortegnelse
Fotolitografi
Transistorer er nu så umuligt små, at producenterne ikke kan bygge dem ved hjælp af normale metoder. Mens præcisionsdrejebænke og endda 3D-printere kan lave utroligt indviklede kreationer, topper de normalt på mikrometerniveauer af præcision (det er omkring en tredivetusindedel tomme) og er ikke egnede til de nanometerskalaer, som nutidens chips er bygget på.
Fotolitografi løser dette problem ved at fjerne behovet for at flytte rundt på komplicerede maskiner meget præcist. I stedet bruger den lys til at ætse et billede på chippen – som en vintage overheadprojektor, du måske finder i klasseværelser, men omvendt, skalerer stencilen ned til den ønskede præcision.
Billedet projiceres på en siliciumwafer, som er bearbejdet til meget høj præcision i kontrollerede laboratorier, da ethvert enkelt støvkorn på waferen kan betyde at miste tusindvis af dollars. Waferen er belagt med et materiale kaldet en fotoresist, som reagerer på lyset og vaskes væk, hvilket efterlader en ætsning af CPU’en, der kan fyldes ud med kobber eller dopet at danne transistorer. Denne proces gentages derefter mange gange og opbygger CPU’en meget ligesom en 3D-printer ville bygge lag af plastik op.
Problemerne med fotolitografi i nanoskala
Det er lige meget, om du kan gøre transistorerne mindre, hvis de ikke rent faktisk virker, og teknologi i nanoskala løber ind i en masse problemer med fysik. Transistorer skal stoppe strømmen af elektricitet, når de er slukket, men de er ved at blive så små, at elektroner kan strømme lige igennem dem. Dette kaldes kvantetunnelering og er et massivt problem for siliciumingeniører.
Defekter er et andet problem. Selv fotolitografi har en hætte på sin præcision. Det er analogt med et sløret billede fra projektoren; det er ikke helt så tydeligt, når det blæses op eller krympes ned. I øjeblikket forsøger støberier at afbøde denne effekt ved at bruge “ekstremt” ultraviolet lys, en meget højere bølgelængde end mennesker kan opfatte, ved hjælp af lasere i et vakuumkammer. Men problemet vil fortsætte, efterhånden som størrelsen bliver mindre.
Defekter kan nogle gange afhjælpes med en proces kaldet binning – hvis defekten rammer en CPU-kerne, deaktiveres denne kerne, og chippen sælges som en lavere endedel. Faktisk er de fleste serier af CPU’er fremstillet ved hjælp af den samme plan, men har kerner deaktiveret og solgt til en lavere pris. Hvis defekten rammer cachen eller en anden væsentlig komponent, skal den chip muligvis smides ud, hvilket resulterer i et lavere udbytte og dyrere priser. Nyere procesknuder, som 7nm og 10nm, vil have højere defektrater og vil være dyrere som følge heraf.
Pak det sammen
Emballering af CPU’en til forbrugerbrug er mere end blot at lægge den i en kasse med noget styrofoam. Når en CPU er færdig, er den stadig ubrugelig, medmindre den kan oprette forbindelse til resten af systemet. “Emballering”-processen refererer til den metode, hvor den sarte siliciummatrice er fastgjort til PCB’en, som de fleste mennesker tænker på som “CPU’en”.
Denne proces kræver meget præcision, men ikke så meget som de foregående trin. CPU-matricen er monteret på et siliciumkort, og elektriske forbindelser køres til alle de ben, der kommer i kontakt med bundkortet. Moderne CPU’er kan have tusindvis af ben, hvor den avancerede AMD Threadripper har 4094 af dem.
Da CPU’en producerer meget varme, og også bør beskyttes forfra, er der monteret en “integreret varmespreder” i toppen. Dette får kontakt med matricen og overfører varme til en køler, der er monteret ovenpå. For nogle entusiaster er den termiske pasta, der bruges til at lave denne forbindelse, ikke god nok, hvilket resulterer i, at folk fjernelse af deres processorer at anvende en mere premium løsning.
Når det hele er sat sammen, kan det pakkes i rigtige æsker, klar til at komme på hylderne og sættes ind i din fremtidige computer. Med hvor kompleks fremstillingen er, er det et under, at de fleste CPU’er kun koster et par hundrede dollars.
Hvis du er nysgerrig efter at lære endnu mere teknisk information om, hvordan CPU’er er lavet, så tjek Wikichips forklaringer af litografiske processer og mikroarkitekturer.