Procesor: od projektu do efektu Chyba nikogo nie dziwi już fakt, że

Procesor: od projektu do efektu
Chyba nikogo nie dziwi już fakt, że najważniejszym, a zarazem jednym z najmniejszych
elementów komputera jest procesor. To właśnie on jest sercem każdego peceta. Procesory w
największym stopniu decydują o wydajności oraz szybkości działania każdego komputera. Na
rynku obecnie tak naprawdę liczą się produkty dwóch firm. Mowa tu o firmach AMD oraz
Intel, które podbiły cały rynek komputerowy swoimi produktami. Po dzień dzisiejszy nasila się
konkurencja między nimi, więc nie ma tu mowy o żadnym monopolu. Procesory
poszczególnych producentów nie są wytwarzane tylko w jednej fabryce. Wręcz przeciwnie.
Poszczególne fabryki rozsiane są po całym świecie. Możemy więc spotkać się z procesorami
AMD wyprodukowanymi w Teksasie lub 100 km od polskiej granicy zachodniej – w Dreźnie.
Procesory te, oprócz miejsca produkcji, nie różnią się między
sobą w budowie. Zbudowane są z kilku elementów, które
produkowane są w innych fabrykach. W jednej powstają, np.
wafle, czyli płytki krzemowe, które zawierają setki chipów
będących jądrami procesora. Jeszcze gdzie indziej powstają
obudowy procesorów, a na końcu wszystko to jest ze sobą
łączone. Zazwyczaj odbywa się to na Dalekim Wschodzie
(np. w Malezji). Z pewnością zastanawia Was, jakie surowce potrzebne są do produkcji CPU.
Otóż, oprócz wspomnianego krzemu wykorzystuje się miedź lub aluminium, z których
powstają wszystkie ścieżki. Niemały udział ma również woda, która musi zostać najpierw
idealnie oczyszczona i zdejonizowana. W procesie produkcji używa się również wielu
chemikaliów. Znając już podstawowe surowce, z jakich produkowany jest procesor, możemy
zadać sobie pytanie: ile kosztuje proces produkcji jednego egzemplarza wraz z potrzebnymi
materiałami? Otóż, okazuje się, że bardzo niewiele. Jednak, mimo wszystko ciężko jest tu
cokolwiek oficjalnie powiedzieć, bo producenci trzymają informacje na ten temat w wielkiej
tajemnicy. Z niektórych źródeł wynika, że są to niewielkie sumy, dziesiątki dolarów. Same
składniki to koszt około 1 USD! W każdym bądź razie producent wiele zyskuje sprzedając
taki produkt kilkadziesiąt- lub kilkasetkrotnie drożej, niż przeznaczył na jego produkcję. Jak
przebiega proces produkcji serc komputerowych? Tego dowiecie się z dalszej części tego
artykułu.
Projekt
Zanim powstanie jakikolwiek produkt, proces jego produkcji
musi być poprzedzony długim, mozolnym i skomplikowanym
etapem projektu. Nie trzeba nikogo przekonywać, że
projektowanie procesorów jest jedną z najtrudniejszych
czynności, ze względu na bardzo niewielkie rozmiary jego
wewnętrznej struktury. Całe przygotowanie projektu odbywa
się w konkretnej fabryce. Jest to najtrudniejszy i najdłuższy
etap produkcji procesora. Zaangażowanych jest w to
dziesiątki, a nawet setki specjalistów, inżynierów oraz
technologów. W trakcie projektu nowego modelu
wykorzystywane są poprzednie generacje procesorów. To
właśnie na nich opierany jest nowy projekt. Opracowywane są nowe przebiegi
technologiczne, a naukowcy opanowują pojedyncze fazy wytwarzania tych układów.
Następnie wszystkie te fazy trzeba ze sobą zintegrować. Trwa to bardzo długo. Projektowanie
nowszego typu CPU trwa nawet do dwóch lat. Efektem jest pełna, szczegółowa i obszerna
dokumentacja. Kiedy już powstanie pełny projekt, fabryka nie rusza pełną parą. Najpierw,
wytwarzanych jest kilka egzemplarzy testowych, nad którymi przeprowadzane są liczne testy
i doświadczenia. W przypadku dostrzeżenia błędów egzemplarz trafia z powrotem w ręce
specjalistów, a ci wprowadzają do projektu wymagane poprawki. Czynność ta powtarzana jest
do momentu, aż układ będzie pozornie prawidłowo wykonany. Pozornie, bo każdy procesor
posiada błędy, których do dziś jeszcze nie wyłapano. Dalej projekt trafia na halę produkcyjną,
ale o tym piszemy już na następnej stronie.
Produkcja rdzenia
Jak wspomniałem na wstępie, rdzenie procesorów wytwarzane są w bardzo specyficzny
sposób. Nie są one produkowane indywidualnie, lecz zbiorowo. Wytwarzane są one na
specjalnych płytkach krzemowych, tzw. waflach.
Jednak, proces produkcji takiego wafla trwa nawet kilka tygodni. Wszystko to ze względu na
bardzo precyzyjną i mikroskopijną strukturę jądra. W trakcie produkcji wafla krzemowego
wykorzystywanych jest około 450 procesów, m.in. tworzenie struktur, nanoszenie lakieru i
jego oddzielanie, trawienie, suszenie, trawienie plazmą, wytrawianie czy nanoszenie
poszczególnych warstw miedzi. Najważniejszą fazą produkcji, a zarazem najbardziej
perfekcyjnie wykonywaną jest litografia, czyli naświetlanie. Polega ona na naświetlaniu
mikroskopijnych struktur, w celu naniesienia na nich tranzystorów. W tym procesie
wykorzystuje się bardzo drogie urządzenia, zwane naświetlarkami, które naświetlają
fotorezystywne warstwy na krzemowym rdzeniu. Na szybkość procesora ma wpływ właśnie
liczba znajdujących się w nim tranzystorów. Mieszczą się one na niewielkiej powierzchni
(niewiele ponad 1 cm2) w kilku warstwach. W przypadku procesora Athlon liczba
tranzystorów zbliżona jest do 37 milionów. Ułożone są one w tym przypadku w sześciu
warstwach. Tego nie widać gołym okiem. Ujrzeć możemy jedynie przy użyciu mikroskopu.
Tranzystory są odpowiednio uporządkowane i połączone wzajemnie. Oprócz liczby
tranzystorów na rzeczywistą wydajność procesora mają wpływ również inne elementy.
Szczególne znaczenie mają ścieżki i połączenia. Do produkcji ścieżek wykorzystuje się
zazwyczaj jeden z dwóch surowców: ustępujące już powoli aluminium oraz stosunkowo
młoda miedź. Producenci wolą wykonywać ścieżki miedziane, gdyż miedź wydziela mniej
ciepła niż aluminium, przy okazji zapewniając lepsze przewodnictwo. Ścieżki miedziane
również tworzone są w niekonwencjonalny sposób. Miedź znajduje się w postaci specjalnych
krążków o średnicy kilkunastu centymetrów.
Zostaje ona zbombardowana jonami, a następnie rozpylana jest nad waflem. Tak
mikroskopijnie przygotowana miedź opada na powierzchnię płytki krzemowej tworząc
ścieżkę miedzianą. Teoretycznie sama technologia produkcji procesorów jest bardzo prosta,
jednak w praktyce nie ma chyba niczego bardziej skomplikowanego. Oprócz tego, w
pomieszczeniach produkcyjnych obowiązują rygorystyczne normy czystości. Wszyscy
pracownicy pracują w specjalnych kombinezonach.
Nawet najmniejsze ziarnko pyłku mogłoby zepsuć całą pracę. Na tak przygotowanych
waflach obecnych jest kilkaset jąder procesora. Ich liczba zależy w znacznej mierze od
średnicy wafla. Zwykle płytka krzemowa ma średnicę 8 cali, ale spotkać się można również z
większymi. Co się dalej z nimi dzieje? Koniecznie zajrzyjcie na kolejną stronę.
Faza końcowa
Faza końcowa prowadzi do powstania normalnego procesora, gotowego do umieszczenia w
każdym komputerze PC. Z gotowych wafli wycinane są poszczególne jądra procesorów.
Ciekawostką jest to, że im bliżej środka wafla, tym większa jest prędkość pracy jądra
procesora. Dlatego też z tej części wafla produkuje się obecnie najszybsze procesory, a z
części zewnętrznych - mniej wydajne. Kiedy już wszystkie chipy zostaną wycięte, trzeba je
umieścić w obudowach. Obudowy są kilkanaście razy większe od samego jądra procesora.
Wykonane są z materiału stanowiącego izolator.
W jego wnętrzu znajdują się również ścieżki, ale niewielka ilość. Są to wyprowadzenia z
rdzenia do nóżek w obudowie, poprzez które procesor komunikuje się z płytą główną.
Obudowy wiele razy przechodziły metamorfozę. Zmieniała się nie tylko jej wielkość, ale
również rodzaj. Pamiętamy jak jeszcze niedawno procesory Pentium II, a nawet pierwsze
modele Pentium III, produkowane były w obudowach Slot1, w postaci cartridgea. Podobnie
wyglądało to wśród produktów AMD, gdzie w pewnym okresie czasu dominował SlotA. Dziś
producenci procesorów wrócili na ziemię oferując mniejsze, a zarazem tańsze obudowy. Do
najbardziej znanych zaliczyć możemy FC-PGA (w przypadku produktów Intela) oraz
SocketA (w przypadku wyrobów AMD). Zazwyczaj nowa generacja procesorów niesie za
sobą nowy typ obudowy. I tak na przykład, obudowa Pentium III jest inna od obudowy
Pentium 4. Kiedy już skończy się fizyczny etap produkcji procesora, zostaje on poddany
testom sprawnościowym i dopiero wtedy zapada decyzja z jakim zegarem ma oficjalnie
pracować. Kiedy wszystko jest w należytym porządku, taki egzemplarz pakowany jest do
pudełek wraz z akcesoriami (instrukcje, coolery) i trafia na sklepowe półki. Jednak, kiedy
dany egzemplarz nie spełnia podstawowych kryteriów, zostaje on spisany na straty, gdyż jego
naprawa zawsze graniczy z cudem.
Podsumowanie
Proces produkcji procesorów ulega ciągłym ewolucjom. Wykorzystywane są w tym celu
najnowsze technologie. Często słyszymy, że dany procesor został wyprodukowany, np. w
technologii 0.18 mikrona. Co to znaczy? Otóż, znaczy wiele. Jest to tzw. kratowa definicja
technologii, która mówi, jaka jest wielkość kratki, w której znajduje się dany układ.
W chwili obecnej, najwięcej procesorów wykonywanych jest w technologii 0.18 mikrona,
lecz coraz częściej wykorzystuje się technologię 0.13 mikrona. Z pewnością wartość ta
jeszcze nie raz spadnie, a rynek zaleją kolejne generacje procesorów charakteryzujące się
większymi możliwościami i lepszą wydajnością niż ich poprzednicy. Historię wytwarzania
procesora ciekawie określa prawo Moore’a. Podaje ono, że co 18 miesięcy podwaja się liczba
tranzystorów w procesorze. Jeżeli taki wzrost postępował będzie systematycznie, już za kilka
lat doświadczymy możliwości procesorów z zegarem ponad 10 GHz! W ciekawy żart
wzbogacono wszystkie procesory Athlon wyprodukowane w fabryce w Teksasie. Otóż,
ścieżki położone najbliżej powierzchni struktury są upakowane bardzo gęsto i precyzyjnie.
Dalej obecna jest pusta przestrzeń, którą specjaliści z AMD wykorzystali do umieszczenia
mapy Teksasu! Z całą pewnością jest to wymierzone przeciwko odwiecznemu rywalowi –
Intelowi, z którym AMD od wieków walczy o palmę pierwszeństwa na rynku procesorów.
Jak na razie skutecznie (choć ostatnio nie do końca) to mu się udaje. Mam nadzieję, że artykuł
ten choć trochę przybliżył Wam budowę oraz sam proces powstawania serca Waszego
komputera.