Как делают процессоры
Обновлено: 04.07.2024
Как создается микропроцессор ЦП
Это краткое руководство, которое поможет вам понять, как изготавливаются микропроцессоры и другие интегральные схемы. Начиная с куска кремния и заканчивая устройством с миллионами и миллионами транзисторов, которые теперь управляют почти всем в вашей жизни.
Изготовление вафли
ЦП в основном состоят из элемента, называемого кремнием. Кремний довольно распространен в земной коре и является полупроводником. Это означает, что в зависимости от того, какие материалы вы добавите к нему, он может проводить ток при приложении к нему напряжения. Это «переключатель, который заставляет процессор работать». Современные процессоры буквально содержат миллионы транзисторов.
Необработанный кремний
Первый этап изготовления процессора – изготовление пластин, на которых он построен. Этот процесс начинается с плавления поликремния вместе с небольшими количествами электрически активных элементов, таких как мышьяк, бор, фосфор или сурьма, в кварцевом тигле (контейнере, который не плавится при высоких температурах).
Кремний представляет собой простую решетку FCC (гранецентрированный куб)
После того, как расплав достигает желаемой температуры, мы опускаем затравочный кристалл кремния или «затравку» в расплав. Расплав медленно охлаждается до необходимой температуры, и вокруг затравки начинается рост кристаллов. По мере продолжения роста семена медленно извлекаются или «вытягиваются» из расплава. Когда слиток вытягивают, он медленно вращается. Это делается для того, чтобы помочь нормализовать любые колебания температуры в расплаве. Температура расплава и скорость экстракции определяют диаметр слитка, а концентрация электрически активного элемента в расплаве определяет электрические свойства кремниевых пластин, изготавливаемых из слитка. Это сложный запатентованный процесс, требующий множества функций управления на оборудовании для выращивания кристаллов. Кристаллы имеют естественную круглую форму из-за самой кристаллической структуры и поверхностного натяжения жидкости.
Из расплава вытягивается 6-дюймовый слиток. Этот процесс может занять несколько часов.
В результате получается большой слиток, который выглядит следующим образом:
Чтобы быть полезным, слиток должен быть очень чистым. Концы и кромки являются областями с наибольшим количеством загрязнений (это связано с отжигом), поэтому концы обрезаются, а края шлифуются, чтобы слиток имел нужный диаметр.
Затем из слитка вырезаются пластины. Их обычно режут толщиной 1-2 мм быстрой проволочной пилой. Затем края этих пластин закругляются, чтобы предотвратить сколы и трещины на краях. Затем пластины шлифуют и полируют как химически, так и механически, чтобы получить очень плоскую, зеркальную поверхность.
Затем вафли можно нагреть, чтобы устранить любые дефекты. (отжиг)
Затем пластины проверяются с помощью лазера на наличие дефектов поверхности.
Монокристаллический слой (эпислой) затем может быть добавлен на поверхность пластины.
Теперь пластина готова к травлению.
Энтони Хеддингс
Энтони Хеддингс
Писатель
Энтони Хеддингс (Anthony Heddings) – штатный облачный инженер LifeSavvy Media, технический писатель, программист и эксперт по платформе Amazon AWS. Он написал сотни статей для How-To Geek и CloudSavvy IT, которые были прочитаны миллионы раз. Подробнее.
фотографии/Shutterstock
Хотя то, как работают процессоры, может показаться волшебством, на самом деле это результат многолетних умных инженерных разработок. Поскольку транзисторы — строительные блоки любого микрочипа — уменьшаются до микроскопических размеров, способы их производства становятся все более сложными.
Фотолитография
Дж. Роберт Уильямс / Shutterstock
Транзисторы теперь настолько невероятно малы, что производители не могут создавать их обычными методами.Хотя прецизионные токарные станки и даже 3D-принтеры могут создавать невероятно сложные изделия, они обычно достигают микрометрового уровня точности (около одной тридцатитысячной дюйма) и не подходят для нанометровых масштабов, на которых строятся современные чипы. /p>
Фотолитография решает эту проблему, избавляя от необходимости точно перемещать сложное оборудование. Вместо этого он использует свет, чтобы вытравить изображение на чипе — как старинный диапроектор, который вы можете найти в классах, но наоборот, уменьшая трафарет до нужной точности.
Изображение проецируется на кремниевую пластину, которая обрабатывается с очень высокой точностью в контролируемых лабораториях, поскольку любая пылинка на пластине может означать потерю тысяч долларов. Пластина покрыта материалом, называемым фоторезистом, который реагирует на свет и вымывается, оставляя травление ЦП, которое можно заполнить медью или легировать для формирования транзисторов. Затем этот процесс повторяется много раз, наращивая ЦП так же, как 3D-принтер наращивает слои пластика.
Проблемы с наноразмерной фотолитографией
Неважно, сможете ли вы уменьшить размер транзисторов, если они на самом деле не работают, а нанотехнологии сталкиваются с множеством проблем с физикой. Транзисторы должны останавливать поток электричества, когда они выключены, но они становятся настолько маленькими, что электроны могут течь прямо через них. Это называется квантовым туннелированием и представляет собой серьезную проблему для разработчиков кремния.
Дефекты — это еще одна проблема. Даже фотолитография имеет предел своей точности. Это аналог размытого изображения с проектора; это не так ясно, когда он взорван или сжался. В настоящее время литейщики пытаются смягчить этот эффект, используя «экстремальный» ультрафиолетовый свет, длина волны которого намного выше, чем люди могут воспринимать, используя лазеры в вакуумной камере. Но проблема останется, когда размер станет меньше.
Иногда дефекты можно устранить с помощью процесса, называемого биннингом. Если дефект затрагивает ядро ЦП, это ядро отключается, а чип продается как младшая часть. На самом деле, большинство линеек процессоров производятся по одному и тому же плану, но имеют отключенные ядра и продаются по более низкой цене. Если дефект касается кэш-памяти или другого важного компонента, этот чип, возможно, придется выбросить, что приведет к снижению производительности и повышению цены. Более новые технологические узлы, такие как 7-нм и 10-нм, будут иметь более высокий процент брака и, как следствие, будут дороже.
Упаковка
МчлСхрв / Shutterstock
Упаковать ЦП для потребительского использования — это больше, чем просто положить его в коробку с пенополистиролом. Когда ЦП закончен, он по-прежнему бесполезен, если он не может подключиться к остальной части системы. Процесс «упаковки» относится к методу, при котором тонкий кремниевый кристалл прикрепляется к печатной плате, которую большинство людей называют «процессором».
Этот процесс требует большой точности, но не такой, как предыдущие шаги. Кристалл ЦП монтируется на кремниевой плате, и электрические соединения проходят ко всем контактам, которые соприкасаются с материнской платой. Современные ЦП могут иметь тысячи контактов, а у высокопроизводительного AMD Threadripper их 4094.
Поскольку ЦП выделяет много тепла, а также должен быть защищен спереди, сверху установлен «встроенный теплоотвод». Это контактирует с кристаллом и передает тепло охладителю, установленному сверху. Для некоторых энтузиастов термопаста, используемая для этого соединения, недостаточно хороша, что приводит к тому, что люди отказываются от своих процессоров, чтобы применить решение более высокого качества.
После того, как все это будет собрано, его можно будет упаковать в настоящие коробки, чтобы он попал на полки и был вставлен в ваш будущий компьютер. Учитывая сложность производства, удивительно, что большинство процессоров стоят всего пару сотен долларов.
Если вам интересно узнать еще больше технической информации о том, как создаются ЦП, ознакомьтесь с объяснениями Викичипа о процессах литографии и микроархитектурах.
- › Что такое процессор и для чего он нужен?
- › Что такое «биннинг» для компьютерных компонентов?
- › ЦП расшифрованы: понимание названий микроархитектур Intel
- › Как установить Google Play Маркет в Windows 11
- › Как восстановить метки панели задач в Windows 11
- ›5 шрифтов, которые следует прекратить использовать (и лучшие альтернативы)
- › Почему не было Windows 9?
- › Что означает XD и как вы его используете?
Мозгом или механизмом ПК является процессор (иногда называемый микропроцессором) или центральный процессор (ЦП). ЦП выполняет системные вычисления и обработку. В этой главе вы познакомитесь с историей процессора и подробно объясните, как на самом деле работает крошечный мозг вашего компьютера.
Эта глава из книги
Эта глава из книги
Эта глава из книги
История микропроцессоров до ПК
Мозгом или двигателем ПК является процессор (иногда называемый микропроцессором) или центральный процессор (ЦП). ЦП выполняет системные вычисления и обработку. Процессор часто является самым дорогим отдельным компонентом в системе (хотя цены на графические карты в некоторых случаях превышают его); в системах более высокого класса он может стоить в четыре или более раз больше, чем материнская плата, к которой он подключается. Как правило, Intel приписывают создание первого микропроцессора в 1971 году с появлением чипа под названием 4004. Сегодня Intel по-прежнему контролирует рынок процессоров, по крайней мере, для ПК, хотя с годами AMD завоевала солидную долю рынка. Это означает, что все ПК-совместимые системы используют либо процессоры Intel, либо Intel-совместимые процессоры нескольких конкурентов (например, AMD или VIA/Cyrix).
Доминирование Intel на рынке процессоров не всегда было гарантировано. Хотя обычно Intel приписывают изобретение процессора и выпуск первого процессора на рынок, к концу 1970-х годов два самых популярных процессора для персональных компьютеров были не от Intel (хотя один из них был клоном процессора Intel). процессор). Персональные компьютеры того времени в основном использовали Z-80 от Zilog и 6502 от MOS Technologies. Z-80 был известен как улучшенный и менее дорогой клон процессора Intel 8080, подобно тому, как такие компании, как AMD, VIA/Cyrix, IDT и Rise Technologies, клонировали процессоры Intel Pentium. Однако в случае с Z-80 клон стал намного популярнее оригинала. Кто-то может возразить, что AMD добилась такого статуса за последний год или около того, но даже несмотря на то, что они добились значительных успехов, Intel по-прежнему контролирует рынок процессоров для ПК.
Тогда у меня была система, содержащая оба этих процессора, состоящая из 1 МГц (да, это 1, как в одном мегагерце!) Система Apple II на базе 6502 с Microsoft Softcard (Z -80) вставляется в один из слотов. Softcard содержала процессор Z-80 с тактовой частотой 2 МГц. Это позволило мне запускать программное обеспечение для обоих процессоров в одной системе. Z-80 использовался в системах конца 1970-х и начала 1980-х годов, которые работали под управлением операционной системы CP/M, тогда как 6502 был наиболее известен своим использованием в ранних компьютерах Apple I и II (до Mac).
Судьба как Intel, так и Microsoft резко изменилась в 1981 году, когда IBM представила IBM PC, основанный на процессоре Intel 8088 с частотой 4,77 МГц и работающем под управлением Microsoft Disk Operating System (MS-DOS) 1.0. С тех пор как было принято судьбоносное решение использовать процессор Intel в первом ПК, в последующих ПК-совместимых системах использовалась серия процессоров Intel или Intel-совместимых процессоров, причем каждый новый процессор был способен запускать программное обеспечение предыдущего процессора — начиная с 8088 до текущих Pentium D/4/Celeron и Athlon XP/Athlon 64. В следующих разделах рассматриваются различные типы процессорных микросхем, которые использовались в персональных компьютерах с момента появления первого ПК почти два десятилетия назад. В этих разделах содержится много технических подробностей об этих микросхемах и объясняется, почему один тип микросхемы ЦП может выполнять больше работы, чем другой, за определенный период времени.
Компьютер, на котором вы читаете эту страницу, использует для своей работы микропроцессор. Микропроцессор является сердцем любого обычного компьютера, будь то настольный компьютер, сервер или ноутбук. Существует множество типов микропроцессоров, но все они делают примерно одно и то же примерно одинаково.
Микропроцессор, также известный как центральный процессор или центральный процессор, представляет собой законченный вычислительный механизм, созданный на одном кристалле. Первым микропроцессором был Intel 4004, представленный в 1971 году. 4004 был не очень мощным — все, что он мог делать, это складывать и вычитать, и он мог делать это только 4 бита за раз. Но было удивительно, что все было на одном чипе. До 4004 инженеры строили компьютеры либо из наборов микросхем, либо из отдельных компонентов (транзисторов, соединенных по одному). На базе 4004 был создан один из первых портативных электронных калькуляторов.
Если вы когда-нибудь задумывались о том, что делает микропроцессор в вашем компьютере, или если вы когда-нибудь задумывались о различиях между типами микропроцессоров, читайте дальше. В этой статье вы узнаете, как довольно простые методы цифровой логики позволяют компьютеру выполнять свою работу, будь то игра или проверка орфографии в документе!
Развитие микропроцессоров: Intel
Представленный Intel в 1974 году, микропроцессор 8080 стал первым микропроцессором, достаточно мощным для создания компьютера. Библиотека изображений «Наука и общество»/Getty Images
С 2004 года корпорация Intel представила многоядерные микропроцессоры и еще миллионы транзисторов. Но даже эти микропроцессоры подчиняются тем же общим правилам, что и более ранние чипы.
Процессор Intel Core i9 может иметь до восьми ядер, каждое из которых может выполнять любой фрагмент кода, работавший на исходном 8088, всего примерно в 6700 раз быстрее! Каждое ядро может обрабатывать несколько потоков инструкций, что позволяет компьютеру более эффективно управлять задачами.
С 1970-х годов ассортимент продукции Intel значительно расширился. На момент написания этой статьи компания по-прежнему производит процессоры Pentium и Core для компьютеров, но более производительные ПК и серверы могут использовать чип Xeon. Кроме того, Intel предлагает линейки процессоров Celeron и Atom. Celeron предназначен для пользователей компьютеров начального уровня, а процессоры Atom лучше подходят для мобильных устройств и устройств, являющихся частью Интернета вещей.
Несмотря на то, что Intel по-прежнему занимает значительную долю рынка, у нее больше конкурентов, чем ее справедливая доля. AMD конкурирует с Intel на рынке процессоров для ПК, но также имеет большой бизнес в области чипов для графических процессоров, популярных среди геймеров. Nvidia, известная своими графическими чипами, также производит процессоры. В 2020 году Apple представила свои чипы серии M, которые заменяют чипы Intel, которые Apple использовала для своих компьютеров Macintosh. Samsung также может работать над собственным дизайном процессоров. Многие другие компании производят процессоры для других применений электроники, таких как автомобили и продукты для умного дома. Рынок становится все более и более конкурентным.
Чип также называют интегральной схемой. Как правило, это небольшой тонкий кусочек кремния, на котором выгравированы транзисторы, из которых состоит микропроцессор. Чип может быть размером с дюйм со стороны и содержать десятки миллионов транзисторов. Более простые модели могут состоять из нескольких тысяч транзисторов, выгравированных на чипе площадью всего несколько квадратных миллиметров. Стало обычным видеть чипы во всевозможных устройствах с несколькими ядрами, каждое из которых является процессором.
Читайте также: