Iako se način na koji procesori funkcionišu može činiti kao rezultat magije, zapravo je reč o decenijama brižljivog inženjeringa. Sa smanjivanjem tranzistora – osnovnih elemenata svakog mikročipa – do mikroskopskih dimenzija, sam proces proizvodnje postaje sve kompleksniji.
Fotolitografija
Tranzistori su sada toliko neverovatno sitni da ih proizvođači ne mogu stvarati konvencionalnim metodama. Iako precizne strugove, pa čak i 3D štampači, mogu da kreiraju izuzetno složene strukture, oni obično dostižu maksimalnu preciznost (oko jedan tridesethiljaditi deo inča) i nisu prikladni za nanometarske dimenzije na kojima se grade današnji čipovi.
Fotolitografija prevazilazi ovaj problem tako što eliminiše potrebu za ultra preciznim pomeranjem komplikovanih mašina. Umesto toga, ona koristi svetlost za urezivanje šablona na čip – slično starinskom grafoskopu koji se može naći u učionicama, ali sa obrnutim efektom, redukujući šablon do željene preciznosti.
Slika se projektuje na silikonsku pločicu, koja se mašinski obrađuje sa izuzetnom preciznošću u kontrolisanim laboratorijskim uslovima, budući da svaka čestica prašine na pločici može rezultirati gubitkom od hiljada dolara. Pločica se oblaže materijalom zvanim fotoresist, koji reaguje na svetlost i ispira se, ostavljajući urezani CPU koji se može ispuniti bakrom ili dopirati radi formiranja tranzistora. Ovaj proces se zatim ponavlja mnogo puta, izgrađujući CPU na sličan način na koji 3D štampač stvara slojeve plastike.
Izazovi fotolitografije na nano-skali
Nije dovoljno samo smanjiti tranzistore ukoliko oni ne funkcionišu ispravno, a tehnologija nano-skale se susreće sa mnogim fizičkim problemima. Tranzistori bi trebalo da zaustave protok električne energije kada su isključeni, ali postaju toliko mali da elektroni mogu da prolaze kroz njih. Ovaj fenomen se naziva kvantno tuneliranje i predstavlja veliki problem za inženjere koji rade sa silikonom.
Defekti predstavljaju još jedan izazov. Čak je i fotolitografija ograničena svojom preciznošću. To je slično mutnoj slici sa projektora; nije sasvim jasna kada se uveća ili smanji. Trenutno, fabrike pokušavaju da ublaže ovaj problem korišćenjem ekstremne ultraljubičaste svetlosti, mnogo veće talasne dužine od one koju ljudi mogu da percipiraju, koristeći lasere u vakuumskoj komori. Međutim, problem će i dalje postojati kako se veličina bude smanjivala.
Defekti se ponekad mogu ublažiti procesom koji se naziva binning—ako kvar pogodi jezgro CPU-a, to jezgro se onesposobljava, a čip se prodaje kao model nižeg ranga. Zapravo, većina CPU linija se proizvodi po istom nacrtu, ali sa onesposobljenim jezgrima i prodaje se po nižoj ceni. Ako kvar pogodi keš memoriju ili neku drugu ključnu komponentu, taj čip će možda morati da se odbaci, što dovodi do nižeg prinosa i viših cena. Noviji procesni čvorovi, poput 7nm i 10nm, će imati veće stope defekata i stoga će biti skuplji.
Pakovanje
Pakovanje CPU-a za potrošačku upotrebu je više od pukog stavljanja u kutiju sa malo stiropora. Kada je CPU gotov, on je i dalje beskoristan ako se ne može povezati sa ostatkom sistema. Proces „pakovanja“ se odnosi na metod gde se delikatan silikonski čip pričvršćuje za PCB koji većina ljudi smatra „CPU“.
Ovaj proces zahteva visok nivo preciznosti, ali ne toliko kao prethodni koraci. CPU čip je montiran na silikonsku ploču, a električne veze se sprovode do svih pinova koji dolaze u kontakt sa matičnom pločom. Savremeni procesori mogu imati hiljade pinova, a vrhunski AMD Threadripper ih ima 4094.
Budući da CPU proizvodi mnogo toplote, a takođe treba da bude zaštićen sa prednje strane, „integrisani raspršivač toplote“ se montira na vrhu. On ostvaruje kontakt sa čipom i prenosi toplotu na hladnjak koji je montiran na vrh. Za neke entuzijaste, termalna pasta koja se koristi za stvaranje ove veze nije dovoljno dobra, što dovodi do toga da ljudi odvajaju integrisane raspršivače toplote sa svojih procesora kako bi primenili kvalitetnije rešenje.
Kada se sve sklopi, može se upakovati u kutije, spremno za dolazak na police i instaliranje u vaš budući računar. S obzirom na složenost proizvodnog procesa, čudo je da većina procesora košta samo nekoliko stotina dolara.
Ako želite da saznate više tehničkih detalja o procesu proizvodnje CPU-a, pogledajte objašnjenja na WikiChip-u o procesima litografije i mikroarhitekturama.