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Wie man

Wie werden CPUs tatsächlich hergestellt?

Wie werden CPUs tatsächlich hergestellt?

fotografos / Shutterstock

Während die Funktionsweise von CPUs magisch erscheint, ist sie das Ergebnis jahrzehntelanger cleverer Technik. Da Transistoren – die Bausteine ​​jedes Mikrochips – auf mikroskopische Maßstäbe schrumpfen, wird die Art und Weise, wie sie hergestellt werden, immer komplizierter.

Fotolithografie

Overhead-KlassenzimmerprojektorJ. Robert Williams / Shutterstock

Transistoren sind jetzt so unglaublich klein, dass Hersteller sie nicht mit normalen Methoden bauen können. Während Präzisionsdrehmaschinen und sogar 3D-Drucker unglaublich komplizierte Kreationen erstellen können, erreichen sie normalerweise eine Genauigkeit von Mikrometern (das entspricht etwa einem Dreißigtausendstel Zoll) und sind nicht für die Nanometer-Skalen geeignet, in denen die heutigen Chips hergestellt werden.

Die Fotolithografie löst dieses Problem, indem komplizierte Maschinen nicht mehr sehr präzise bewegt werden müssen. Stattdessen wird Licht verwendet, um ein Bild auf den Chip zu ätzen – wie bei einem Vintage-Overheadprojektor, den Sie möglicherweise in Klassenzimmern finden, aber umgekehrt, indem Sie die Schablone auf die gewünschte Präzision verkleinern.

Das Bild wird auf einen Siliziumwafer projiziert, der in kontrollierten Labors mit sehr hoher Präzision bearbeitet wird, da jeder einzelne Staubfleck auf dem Wafer bedeuten kann, dass Tausende von Dollar verloren gehen. Der Wafer ist mit einem Material beschichtet, das als Fotolack bezeichnet wird. Er reagiert auf das Licht und wird weggespült, wobei ein Ätzen der CPU verbleibt, das mit Kupfer oder Kupfer gefüllt werden kann dotiert Transistoren zu bilden. Dieser Vorgang wird dann viele Male wiederholt, wobei die CPU ähnlich wie bei einem 3D-Drucker Kunststoffschichten aufgebaut werden.

Die Probleme mit der Photolithographie im Nanomaßstab

Diagramm von Siliziumwaferdefekten

Es spielt keine Rolle, ob Sie die Transistoren verkleinern können, wenn sie nicht funktionieren, und die Technologie im Nanomaßstab stößt auf viele Probleme mit der Physik. Transistoren sollen den Stromfluss stoppen, wenn sie ausgeschaltet sind, aber sie werden so klein, dass Elektronen direkt durch sie fließen können. Das nennt man Quantentunneln und ist ein massives Problem für Siliziumingenieure.

Mängel sind ein weiteres Problem. Sogar die Fotolithografie hat eine Grenze für ihre Präzision. Es ist analog zu einem verschwommenen Bild vom Projektor. es ist nicht ganz so klar, wenn es in die Luft gesprengt oder geschrumpft wird. Derzeit versuchen Gießereien, diesen Effekt durch Verwendung zu mildern „Extremes“ ultraviolettes LichtEine viel höhere Wellenlänge, als Menschen mit Lasern in einer Vakuumkammer wahrnehmen können. Das Problem bleibt jedoch bestehen, wenn die Größe kleiner wird.

Fehler können manchmal durch einen Prozess namens Binning behoben werden. Wenn der Fehler auf einen CPU-Kern trifft, wird dieser Kern deaktiviert und der Chip wird als unteres Teil verkauft. Tatsächlich werden die meisten CPU-Aufstellungen mit demselben Entwurf hergestellt, aber die Kerne sind deaktiviert und werden zu einem niedrigeren Preis verkauft. Wenn der Defekt den Cache oder eine andere wesentliche Komponente trifft, muss dieser Chip möglicherweise weggeworfen werden, was zu einer geringeren Ausbeute und teureren Preisen führt. Neuere Prozessknoten wie 7 nm und 10 nm weisen höhere Fehlerraten auf und sind daher teurer.

Verpacken Sie es

CPU in verschiedene Teile aufgeteiltMchlSkhrv / Shutterstock

Das Verpacken der CPU für den Verbrauch ist mehr als nur das Einpacken in eine Schachtel mit etwas Styropor. Wenn eine CPU fertig ist, ist sie immer noch nutzlos, es sei denn, sie kann eine Verbindung zum Rest des Systems herstellen. Der „Verpackungsprozess“ bezieht sich auf die Methode, bei der der empfindliche Siliziumchip auf der Leiterplatte angebracht wird, die die meisten Leute als „CPU“ betrachten.

Dieser Prozess erfordert viel Präzision, aber nicht so viel wie die vorherigen Schritte. Der CPU-Chip ist auf einer Siliziumplatine montiert, und elektrische Verbindungen werden zu allen Pins hergestellt, die Kontakt mit der Hauptplatine haben. Moderne CPUs können Tausende von Pins haben, von denen der High-End-AMD-Threadripper 4094 hat.

Da die CPU viel Wärme erzeugt und auch von vorne geschützt werden sollte, ist oben ein „integrierter Wärmeverteiler“ montiert. Dies kommt mit der Matrize in Kontakt und überträgt die Wärme an einen Kühler, der oben montiert ist. Für einige Enthusiasten ist die Wärmeleitpaste, mit der diese Verbindung hergestellt wird, nicht gut genug, was zu Menschen führt ihre Prozessoren zu löschen eine Premium-Lösung anzuwenden.

Sobald alles zusammengesetzt ist, kann es in echte Kartons verpackt werden, bereit, in die Regale zu kommen und in Ihren zukünftigen Computer gesteckt zu werden. Angesichts der Komplexität der Herstellung ist es ein Wunder, dass die meisten CPUs nur ein paar hundert Dollar kosten.

Wenn Sie neugierig sind, noch mehr technische Informationen über die Herstellung von CPUs zu erhalten, lesen Sie die Erklärungen von Wikichip zu Lithographieprozesse und Mikroarchitekturen.

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