Procesor - najważniejszy element komputera

Intel wprowadził na rynek najbardziej zaawansowany procesor, Intel Xeon 5500, pierwszy procesor serwerowy oparty na mikroarchitekturze Intela, znanej pod nazwą kodową Nehalem.



Film: Jak powstaje procesor (Źródło: AMD)
Gdyby domy kurczyły się w identycznym tempie co tranzystory, nie dałoby się ich zobaczyć bez mikroskopu. W średnicy ludzkiego włosa można zmieścić ponad 2000 tranzystorów 45-nanometrowych. Ale nie tylko tranzystory kojarzą się z procesorami. Oto prezentacja graficzna, która doskonale obrazuje powstawanie tych popularnych komponentów!

Od piasku do naświetlania

Krzem jest jednym z najpopularniejszych pierwiastków na Ziemi. Aż 25 proc. masy skorupy ziemskiej to właśnie krzem. Z kolei piasek, a zwłaszcza kwarc, zawiera dużą ilość tego pierwiastka - występuje w nim w formie dwutlenku krzemu. Jest podstawowym materiałem wykorzystywanym w przemyśle półprzewodnikowym.

W środku powyższej grafiki widzimy stopiony krzem. Krzem jest oczyszczany z niepożądanych domieszek w wieloetapowym procesie, by ostatecznie producent mógł uzyskać materiał o jakości nadającej się do wykorzystania w produkcji półprzewodników. Co warte uwagi, materiał ten może zawierać zaledwie 1 atom zanieczyszczeń na każdy miliard atomów krzemu.

Po prawej widać już monokryształ krzemu. Waży około 100 kg i zawiera 99,9999 proc. tego pierwiastka!

powstawanie procesora


Źródło: Intel
W kolejnym etapie następuje cięcie monokryształów. Są one cięte na plastry, które określa się jako wafle krzemowe - mają formę cienkich dysków.

Po prawej widać już przykładowy plaster krzemu. Plastry te są polerowane, dopóki nie uzyskają niemal idealnie płaskiej i gładkiej jak lustru powierzchni. Co warte wzmianki, producenci tacy jak Intel mogą kupować przygotowane plastry krzemowe od innych firm, które specjalizują się w ich wytwarzaniu.

monokryształ krzemu


Architektura Intel QuickPath

Warto wspomnieć, że w procesie produkcyjnym 45 nm Intel wykorzystuje plastry krzemu o średnicy 300 mm. Kiedy powstawały pierwsze układy scalone tej firmy, używano plastrów o średnicy ok. 50 mm. Wniosek jest następujący: większe wymiary plastra pozwalają na wyraźne zmniejszenie kosztów wytwarzania układów.

plastry krzemu


Źródło: Intel
Czas na kolejne efektowne rozwiązania. Po lewej widzimy nakładanie warstwy materiału światłoczułego. Płynny materiał tego typu nakładany jest na obracający się plaster krzemu. Cały proces jest podobny do stosowanego w produkcji klasycznych, analogowych błon fotograficznych. Ruch obrotowy plastra stosuje się, by uzyskać cienką i równomierną warstwę materiału światłoczułego. W środku zaprezentowano naświetlanie. Warstwa światłoczuła jest naświetlana przy użyciu promieniowania ultrafioletowego. To z kolei powoduje reakcję chemiczną podobną do tej, jaka zachodzi na powierzchni analogowej błony fotograficznej, gdy użytkownik naciśnie spust migawki by wykonać zdjęcie. Warstwa światłoczuła pod wpływem promieniowania ultrafioletowego staje się rozpuszczalna. Co ważne, w procesie naświetlania wykorzystywane są maski, które umożliwiają odwzorowanie na powierzchni plastra odpowiedniej struktury zaprojektowanych wcześniej obwodów i elementów elektronicznych, które mają różną formę dla wielu warstw, z których zaś składa się wytwarzany mikroprocesor. Po prawej widać kolejny etap naświetlania. Choć jeden plaster krzemu służy do wytworzenia wielu układów scalonych, od tego momentu skoncentrujemy się już tylko na małym i podstawowym elemencie architektury każdego mikroprocesora - mowa o tranzystorze i jego strukturze. Obecnie dostępne technologie pozwalają na wytworzenie tranzystorów o tak małych wymiarach, że na główce szpilki zmieściłoby się ich 30... milionów.

Wypłukiwanie naświetlonej warstwy światłoczułej

Poniżej zilustrowane zostało wypłukiwanie naświetlonej warstwy światłoczułej. Zmodyfikowana w procesie naświetlania część warstwy światłoczułej jest wypłukiwana przez odpowiedni rozpuszczalnik. Wówczas na plastrze krzemowym uwidacznia się struktura, która odpowiada wzorowi, jaki miała maska użyta w naświetlaniu.

wyplukiwanie warstwy swiatloczulej


Źródło: Intel
W środku widzimy już wytrawianie - plaster jest poddawany działaniu środków chemicznych. Te trawią jego powierzchnię z wyjątkiem miejsc, w których pozostał materiał światłoczuły odporny na ich działanie. Po prawej mamy usuwanie warstwy światłoczułej. Warstwa ta, wciąż pokrywająca część powierzchni plastra, jest usuwana i w rezultacie ujawnia się kształt zaprojektowanego układu.

ochrona plastra


Źródło: Intel

Następnie powierzchnia plastra jest ponownie pokrywana materiałem światłoczułym (kolor niebieski). Pozostały na powierzchni materiał światłoczuły ma tym razem chronić przed implantacją jonów, która jest kolejnym elementem procesu produkcyjnego.

W środku widzimy właśnie implantację jonów. To jedna z postaci procesu nazywanego domieszkowaniem, która polega na bombardowaniu krzemu przez jony innych pierwiastków lub związków chemicznych. Odpowiednie jony zostają wstrzyknięte w obszary krzemu, które nie są osłonięte pozostałymi na jego powierzchni elementami warstwy światłoczułej. Zmieniają się także ich parametry elektryczne.

Powierzchnia plastra jest bombardowana przez strumienie jonów o ogromnej prędkości - są one przyspieszane do ponad 300 000 km/godz.
Po zakończeniu implantacji jonów pozostała na powierzchni plastra warstwa materiału światłoczułego jest usuwana. Odpowiednie elementy struktury (kolor zielony) zostały domieszkowane, czyli poza krzemem w ich skład wchodzą już także inne atomy.

domieszkowanie krzemu


Źródło: Intel
Kolejno widzimy już prawie gotowy tranzystor (po lewej). W warstwie izolacyjnej powyżej tranzystora (kolor purpurowy) widać trzy otwory. W kolejnym etapie zostaną one wypełnione miedzią, która umożliwi utworzenie połączeń elektrycznych tranzystora z innymi elementami układu.
W środku zobrazowano galwanizację. Plastry krzemu są wkładane do roztworu siarczanu miedzi i rozpoczyna się proces galwanizacji - pokrywania plastra miedzią. Plaster jest podłączony do źródła napięcia stałego jako katoda przyciągająca jony miedzi. Te osadzają się na jego powierzchni.
Po galwanizacji (po prawej) atomy miedzi tworzą na powierzchni plastra cienką warstwę materiału przewodzącego.

Po lewej widzimy już polerowanie. Nadmiar miedzi jest usuwany z powierzchni plastra.
Po prawej zaś zobrazowano warstwy metaliczne. Na powierzchni mikroprocesora tworzy się wiele warstw z metalicznymi ścieżkami, które można sobie wyobrazić jako przewody elektryczne, które łączą różne tranzystory. Struktura tych połączeń jest określona przez architekturę układu opracowaną przez zespół inżynierów, którzy projektowali funkcjonalność danego mikroprocesora (np. Core 2 Duo).
Ciekawostka: wydaje się, że procesory komputerowe są bardzo płaskie, ale w rzeczywistości składają się z ponad 20 warstw, które tworzą złożony układ połączeń elektrycznych. Jeśli przyjrzymy się procesorowi w dużym powiększeniu, widać skomplikowany zestaw ścieżek połączeniowych i tranzystorów. Całość wygląda wówczas jak futurystyczna sieć autostrad biegnących na różnych wysokościach.

polerowanie plastra


Źródło: Intel

Testowanie i sortowanie układów na plastrze

Testowanie i sortowanie układów na plastrze to kolejny etap produkcji procesorów. Pierwszy test funkcjonalności polega na tym, że do każdego z układów znajdujących się na plastrze przykładane są specjalnie zaprojektowane sygnały testowe, a odpowiedzi układów monitorowane i porównywane z wzorcem - wszystko w celu sprawdzenia, czy są prawidłowe.

testowanie ukladow


Źródło: Intel
Następnie mamy do czynienia z cięciem plastra (w środku). Plaster jest cięty na kawałki w formie płytek krzemowych, które zawierają pełną strukturę półprzewodnikową pojedynczych mikroprocesorów. Wciąż brakuje jednak zewnętrznych połączeń i obudowy.
Po prawej zaprezentowano odrzucanie wadliwych układów. Tylko układy, które wygenerowały prawidłową odpowiedź na wszystkie sygnały testujące przechodzą do kolejnego etapu. W nim tworzone są połączenia zewnętrzne i obudowa.



Procesor prawie gotowy

Już niemal koniec! Po lewej widać już pojedynczą płytkę mikroprocesora, która została wycięta z plastra. Następnie odbywa się umieszczanie płytki z mikroprocesorem w obudowie. Kompletny i znany wszystkim procesor składa się z płytki krzemowej ze strukturą układu, warstwy podkładu i radiatora.
Warstwa podkładu (kolor zielony) zawiera zestaw styków tworzących mechaniczny i elektryczny interfejs z innymi elementami systemu komputerowego. Z kolei srebrny radiator tworzy interfejs termiczny z systemem chłodzenia, czyli wentylatorem, który później jest instalowany przez użytkownika i w czasie pracy komputera utrzymuje temperaturę procesora na odpowiednim poziomie.

montaż plastra w obudowie


Źródło: Intel

Po prawej widzimy procesor. Bez cienia wątpliwości jest to najbardziej skomplikowany produkt wytwarzany obecnie przez człowieka. W rzeczywistości proces produkcyjny składa się z kilkuset różnych etapów - zaprezentowaliśmy tylko te najważniejsze, realizowane w najbardziej sterylnym i czystym środowisku jakie istnieje na świecie.

Ostatnie testy i pakujemy

Po lewej widać ostateczne testy mikroprocesorów, które obejmują pomiar najważniejszych parametrów, takich jak maksymalna częstotliwość taktowania czy poziom ciepła generowany w czasie pracy.
W środku zaprezentowano sortowanie układów. Procesory są sortowane na podstawie wyników testów. Do jednej linii transportowej trafiają układy o takich samych parametrach.

ostateczne testy procesorów


Źródło: Intel
Po prawej mamy opakowanie detaliczne. Wyprodukowane i przetestowane procesory są umieszczane w opakowaniach zbiorczych, przeznaczonych dla producentów komputerów, lub też w pudełkach, takich jak prezentowane na ilustracji. Widoczne na obrazku pudełka wędrują do sklepów zajmujących się sprzedażą detaliczną.

Przeczytaj wiadomości o bankowości i finansach w portalu informacyjnym.

Tworzenie procesora

procesor.com.pl
procesory, maszyny wieloprocesorowe i projektowanie stron internetowych kraków oraz tworzenie stron.
amd intel pentuim core duo xeon
procesory intel, procesory amd, naprawa komputerów i reklama internetowa

© 2007 Procesor inc.