Hoewel de manier waarop CPU's werken magisch lijkt, is het het resultaat van tientallen jaren slimme engineering. Terwijl transistors - de bouwstenen van elke microchip - krimpen tot microscopisch kleine schaal, wordt de manier waarop ze worden geproduceerd steeds gecompliceerder.
Fotolithografie
Transistors zijn nu zo onwaarschijnlijk klein dat fabrikanten ze niet met normale methoden kunnen bouwen. Terwijl precisie draaibanken en zelfs 3D-printer kunnen ongelooflijk ingewikkelde creaties maken, ze overtreffen meestal op micrometerniveaus van precisie (dat is ongeveer een dertigduizendste van een inch) en zijn niet geschikt voor de nanometerschalen waarop de huidige chips worden gebouwd.
Fotolithografie lost dit probleem op door de noodzaak weg te nemen om gecompliceerde machines heel precies te verplaatsen. In plaats daarvan gebruikt het licht om een afbeelding op de chip te etsen - zoals een vintage overheadprojector die je misschien in klaslokalen aantreft, maar omgekeerd, waarbij het sjabloon wordt verkleind tot de gewenste precisie.
Het beeld wordt geprojecteerd op een siliciumwafel, die in gecontroleerde laboratoria met zeer hoge precisie wordt bewerkt, aangezien elk stofdeeltje op de wafel duizenden dollars zou kunnen mislopen. De wafel is bedekt met een materiaal dat een fotoresist wordt genoemd, dat reageert op het licht en wordt weggewassen, waardoor een etsing van de CPU achterblijft die kan worden gevuld met koper of gedoteerd om transistors te vormen. Dit proces wordt vervolgens vele malen herhaald, waarbij de CPU wordt opgebouwd als een 3D-printer zou lagen plastic opbouwen.
De problemen met fotolithografie op nanoschaal
Het maakt niet uit of je de transistors kleiner kunt maken als ze niet echt werken, en technologie op nanoschaal loopt tegen veel natuurkundige problemen aan. Transistors zouden de stroom van elektriciteit moeten stoppen als ze uit zijn, maar ze worden zo klein dat elektronen er dwars doorheen kunnen stromen. Dit heet kwantumtunneling en is een enorm probleem voor siliciumingenieurs.
Defecten zijn een ander probleem. Zelfs fotolithografie heeft een limiet op zijn precisie. Het is analoog aan een wazig beeld van de projector; het is niet zo duidelijk wanneer het wordt opgeblazen of verkleind. Momenteel proberen gieterijen dit effect te verminderen door gebruik te maken van "Extreem" ultraviolet licht , een veel hogere golflengte dan mensen kunnen waarnemen, met behulp van lasers in een vacuümkamer. Maar het probleem zal blijven bestaan naarmate de maat kleiner wordt.
Defecten kunnen soms worden verholpen met een proces dat binning wordt genoemd - als het defect een CPU-kern raakt, wordt die kern uitgeschakeld en wordt de chip verkocht als een onderdeel van het lagere uiteinde. In feite worden de meeste series CPU's vervaardigd met dezelfde blauwdruk, maar de kernen zijn uitgeschakeld en worden tegen een lagere prijs verkocht. Als het defect de cache of een ander essentieel onderdeel raakt, moet die chip mogelijk worden weggegooid, wat resulteert in een lagere opbrengst en duurdere prijzen. Nieuwere procesknooppunten, zoals 7nm en 10nm , zal een hoger defectpercentage hebben en zal daardoor duurder zijn.
VERWANT: Wat betekenen "7nm" en "10nm" voor CPU's, en waarom zijn ze belangrijk?
Verpakken
De CPU verpakken voor gebruik door de consument is meer dan hem in een doos met wat piepschuim doen. Wanneer een CPU klaar is, is deze nog steeds nutteloos, tenzij deze verbinding kan maken met de rest van het systeem. Het "verpakkingsproces" verwijst naar de methode waarbij de delicate siliciumdobbelsteen wordt bevestigd aan de PCB die de meeste mensen beschouwen als de "CPU".
Dit proces vereist veel precisie, maar niet zoveel als de voorgaande stappen. De CPU-chip is op een siliciumbord gemonteerd en elektrische verbindingen worden naar alle pinnen geleid die contact maken met het moederbord. Moderne CPU's kunnen duizenden pinnen hebben, waarvan de high-end AMD Threadripper er 4094 heeft.
Omdat de CPU veel warmte produceert, en ook aan de voorkant moet worden beschermd, is aan de bovenkant een "geïntegreerde warmteverspreider" gemonteerd. Dit maakt contact met de matrijs en geeft warmte af aan een koeler die bovenop is gemonteerd. Voor sommige enthousiastelingen is de koelpasta die wordt gebruikt om deze verbinding te maken niet goed genoeg, wat resulteert in mensen het verwijderen van hun processors om een meer premium oplossing toe te passen.
Zodra alles in elkaar is gezet, kan het in echte dozen worden verpakt, klaar om in de schappen te liggen en in uw toekomstige computer te worden gestoken. Gezien hoe complex de fabricage is, is het een wonder dat de meeste CPU's maar een paar honderd dollar kosten.
Als je nieuwsgierig bent naar nog meer technische informatie over hoe CPU's worden gemaakt, bekijk dan de uitleg van Wikichip over lithografieprocessen en microarchitecturen .
