Pewnego dnia zadano mi pytanie, co jest najdroższym, ale jednocześnie najtańszym komponentem komputera. Sądząc po tytule artykułu, jestem pewien, że znacie już odpowiedź, dlatego od razu przejdę do rzeczy.
Swoją drogą, budowaliście zamki z piasku, prawda? Teraz wyobraźcie sobie, że zamiast zamku mogliście skonstruować… własny procesor. Wprawdzie musielibyście trafić na naprawdę (a nawet naprawdę, naprawdę) dobrą pogodę, ale po kolei…
Tak jak wspominałem powyżej. Rdzeń procesora składa się ze specjalnie przygotowanego i wydobytego piasku kwarcowego, który topi się, aby następnie uformować jednolity krzemowy walec sporych rozmiarów. Uzyskuje się go przy nieustannym obracaniu naczynia, do którego wlewa się wspomniany stop krzemu. To właśnie prędkość obracania się wokół własnej osi określa średnice powstałej bryły, która waży kilkadziesiąt kilogramów. Co ciekawe, tę metodę opracował Polak – Jan Czochralski już w pierwszych latach XX wieku.
Krzemowy walec musi zostać pocięty na tzw. wafle, które następnie są poddawane zabiegowi polerowania oraz lakierowania światłoczułą emulsją. Pozwala ona na stworzenie na powierzchni rdzenia mikroskopijnych luk dla tranzystorów za pomocą światła UV przepuszczanego przez przygotowany wcześniej wzór. Cały ten proces nosi miano fotolitografii, którego składową jest laser, a dokładnie jego długość określająca proces technologiczny (10nm, 7nm itp.), czyli liczbę nanometrów. Dzięki temu naniesie rozpuszczalnika chemicznego, sprawia, że naświetlone miejsca są wytrawiane, co w następstwie powoduje powstanie odizolowanych bramek tranzystorów. Są one tworzone przez trzy elektrody, które tworzą kanał prądowy i bramkę wrażliwą na napięcie.
Te są następnie bombardowane rozpędzonymi jonami przed ówczesnym naniesieniem emulsji światłoczułej w celu zmienienia ich właściwości przewodzących tak, aby finalnie wysyłały sygnały (1 i 0) w jednym kierunku. Dzięki temu ostatecznie przygotowany procesor i w następstwie system operacyjny może je zrozumieć, ponieważ odgrywają rolę logicznych bramek i przełączników. W tym kroku wyjaśnia się również zastosowanie krzemu w produkcji rdzeni – to jeden z materiałów posiadających wysoką umiejętność do absorbowania wspomnianych atomów.
Tak czy inaczej, proces naświetlania, wytrawiania i bombardowania powtarza się określoną liczbę razy, podczas których powstają warstwy wypełnione tranzystorami. Te trzeba jednak odpowiednio przygotować do przewodzenia natężenia prądu i służy temu aluminiowe okablowanie, które nanosi się na każdy tranzystor. Po wykonaniu wszystkich z nich nadchodzi moment na ich odizolowanie oraz połączenie. Ten pierwszy proces polega na wypełnieniu przestrzeni za pomocą krzemu, a ten drugi na naniesieniu w odpowiednich miejscach wolframu w procesie galwanizacji.
Po wszystkich powyższych krokach w końcu można przetestować wszystkie rdzenie na całym krzemowym waflu. Sprowadza się to do skanowania połączeń, przeprowadzania wcześniej przygotowanych operacji obliczeniowych oraz mierzenia napięcia. Zebrane dane są przechowywane w bazie danych, która następnie decyduje, które rdzenie maszyna musi wyciąć z wafla.
Ostatnie szlify…
Wszystkie działające układy są następnie umieszczane na laminacie z drobnymi stykami, które umożliwiają współpracę pomiędzy procesorem a płytą główną. Do tej pory było to proste – jeden procesor posiadał jeden rdzeń krzemowy, ale w ostatniej serii EPYC i Threadripper od AMD znajdziemy aż cztery rdzenie połączone ze sobą łączami Infinity Fabric. Jednak w przypadku Threadripperów dwa z nich pełnią rolę tzn. atrap.
Po przygotowaniu całego układu finalnym krokiem jest założenie zintegrowanego rozpraszacza ciepła, czyli IHSa. Ta metalowa blaszka nie tylko chroni rdzeń przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale również odpowiada za odprowadzanie ciepła, dlatego połączenie pomiędzy nimi musi być wypełnione materiałem termoprzewodzącym np. specjalnym lutem lub zwyczajną pastą. To drugie rozwiązanie nagminnie stosuje Intel, przez co wielu użytkowników decyduje się na skalpowanie procesora (delidding), w celu zmniejszenia temperatury.
O sprawności i stabilności procesora decyduje jakość połączeń, co w dzisiejszych czasach jest naprawdę trudne do dopilnowania. Jest to spowodowane rozmiarami tranzystorów, których liczba idzie już w miliardy… i nadal rośnie. Odpowiadają za to procesy litografii, które ciągle ewoluują i obecnie przyjmują wartości 14nm i 12nm dla procesorów. Co ciekawe szacuje się, że proces poniżej 0.5nm będzie niemożliwy do osiągnięcia, ponieważ wtedy jeden tranzystor będzie miał rozmiar jednej cząsteczki atomu – granicy, która niesie za sobą definitywną stagnację procesorów.
