Затем готовая пластина подвергается испытанию. Обычно это проверка головки катетера в автоматическом устройстве для снятия пластин. Электрические параметры измеряются при контакте детектора с разобранной конструкцией. В ходе этого процесса бракованные кристаллы маркируются и отбраковываются.
Содержание
Компьютерные чипы с очень сложными структурами и мгновенными вычислениями рождаются в огромных кварцевых тиглях, заполненных до краев песком, который был промыт на разных стадиях.
Прежде всего, «технический» кремний производится из песка, добываемого в карьерах, путем добавления углерода в минерал при высоких температурах. Чистота получаемого кремния достигает 98%, но он все еще совершенно непригоден для целей электронной промышленности и требует дополнительного хлорирования, чтобы стать «электронным кремнием». В каскаде химических реакций с хлором кремний буквально заново синтезируется, чтобы удалить последние следы примесей.
Только после этого тигель с наиболее чистым электронным кремнием помещается в герметичную печь, заполненную аргоном. Конечно, можно удалить из него воздух, но на Земле очень трудно, если вообще возможно, создать идеальный вакуум, а с химической точки зрения аргон обладает примерно таким же эффектом. Этот инертный газ заменяет кислород и защищает состав от окисления, но совершенно не реагирует с кремнием в тигле.
Только после этого бывший песок нагревается до 1420°C. Это всего на 6° выше точки плавления. Для этого используются подогреватели тонера. Выбор таких материалов, как кварцевые тигли, основан на том, что графит не вступает в реакцию с кремнием и поэтому не может загрязнять материал будущих процессоров.
В нагретый тигель помещают тонкие кристаллы кремния размером и формой карандаша. Это инициирует процесс кристаллизации. Это можно воспроизвести в домашних условиях, используя, например, растворы соли, сахара, лимонной кислоты и сульфата меди. Охлажденный раствор начинает кристаллизоваться вокруг точки высева, образуя идеальную молекулярную решетку. Именно так растут кристаллы соли, и то же самое относится к кремнию.
Кристаллы кремния постепенно поднимаются из тигля со скоростью около 1,5 миллиметра в минуту, и вместе с ними из раствора выходят растущие монокристаллы. Рост кристаллов происходит медленно и длится в среднем 26 часов на тигель. В это время производство продолжается в течение 24 часов.
В этот период формируется «пуля». Это массивный цилиндрический кристалл диаметром 300 мм, длиной 1-2 метра и весом около 100 кг. При большом увеличении видна его жесткая структура — идеальная сетка из атомов кремния, идеально равномерная по всей длине.
Кристалл настолько прочен, что нить диаметром всего 3 мм может выдержать его вес. Таким образом, конечная часть процессора выходит из тигля, оснащенного тем же затравочным кристаллом.
Однако с «пулями» обращаются более осторожно, чем с древними вазами. Кристаллы выдерживают огромные растягивающие напряжения, но очень хрупки.
После химического и рентгеновского исследования для проверки чистоты кристаллов и правильности молекулярной решетки куски помещаются на станок для резки кремния. Для раскалывания кристаллов на плитки толщиной около 1 мм используется раструб из алмазной проволоки.
Конечно, ущерб не остался без последствий. Даже самые острые пилы оставляют небольшие дефекты на поверхности пластины после разреза. Поэтому за этапом измельчения следует этап полировки.
В чистой комнате
В 1958 году Джек Кирби, изобретатель интегральных схем, совершил большой прорыв, включив в схему один транзистор. Сегодня, согласно закону Мура, количество логических компонентов в микропроцессорах превышает миллиард и продолжает удваиваться каждые два года.
Работа с этими крошечными компонентами является сложной задачей для производителей микросхем, поскольку даже пылинка может испортить будущие изделия. По этой причине лаборатория площадью 2 000 м2 полностью изолирована от внешнего мира и оснащена передовой системой кондиционирования и очистки воздуха, которая очищает воздух в 10 000 раз лучше, чем в операционной.
Все специалисты, работающие в таких чистых помещениях, носят защитную одежду из антистатических материалов, маски и перчатки, а также соблюдают стерилизацию. Несмотря на все меры предосторожности, направленные на снижение риска возникновения дефектов, производители процессоров стараются автоматизировать как можно больше работы в чистом пространстве, передавая их на аутсорсинг промышленным роботам.
Процессоры производятся на сборочных линиях. Совершенно плоские «пластины», поставляемые в запечатанных коробках, проходят 400-500 этапов производства, прежде чем через несколько месяцев покинуть завод в виде готовых микрочипов.
Создание микрочипа из плиток включает в себя очень сложный ряд процессов, которые невозможно описать подробно из-за ограниченности места в статье. Даже в противном случае такие компании, как Intel и AMD, не спешат делиться своими производственными секретами. Очень сложные трехмерные схемы интерфейсов (топологии микросхем) компонентов процессора разрабатываются в конструкторских отделах компаний. Это многослойная стопка элементов, разделенных на слои на кремниевой подложке и нанесенных слой за слоем. Конечно, вручную это сделать невозможно, это очень тонкий процесс, а элементы очень маленькие, буквально нанометрового размера.
Процессор Intel 8-го поколения, известный как Coffee Lake, имеет 14-нанометровые транзисторы, в то время как AMD представила процессор AMDRyzen второго поколения под кодовым названием PinnacleRidge, выполненный с использованием 12-нанометровых компонентов. Новейшая видеокарта NVIDIA с архитектурой ядра Volta также выполнена по 12-нанометровой технологии. Система чипов Qualcomm Snapdragon 835 еще меньше — всего 10 нанометров. Постоянное уменьшение размеров и эффективности функциональных компонентов процессора было доведено до совершенства в технологии, известной как фотолитография.
Процесс можно кратко описать следующим образом.
Сначала кремниевая пластина покрывается подложкой (материал, который станет частью будущей схемы), затем на нее наносится равномерный слой светочувствительных химических реагентов. Этот союз выполняет всю работу, но содержание приходит позже.
Сначала из документов компании, которые являются совершенно секретными, извлекается подробная схема процессора. Нижний слой проявляется как негатив и переносится на фотомассаж (защитную пластину, которая действует как трафарет). Поскольку он значительно больше чипа, проходящий через него свет фокусируется с помощью сложной системы линз, чтобы уменьшить проецируемое изображение до нужного размера.
Последние штрихи
По пути к покупателю процессоры покидают чистую комнату и отправляются на сборочную линию, где готовые чипы прикрепляются к квадрату, называемому подложкой. Кристаллы плавятся в специальной печи при температуре 360 градусов Цельсия.
На чип надевается крышка. Крышка защищает все еще хрупкий силикон от повреждений и отводит от него тепло. Вероятно, можно представить, что система охлаждения будет представлять собой теплообменник для системы охлаждения, поскольку именно к крышке прижимается система охлаждения. Это более важный шаг, чем предыдущий. Кроме того, стабильность и скорость работы процессора, а также его максимальная производительность в будущем в значительной степени зависят от того, сколько тепла отводит крышка от чипа.
Старые процессоры Intel были буквально заперты в теплораспределительном кожухе. Однако последнее поколение персональных чипов имеет тепловой интерфейс между чипом и крышкой, который обеспечивает меньшее охлаждение, к большому разочарованию компьютерных материалов, которые хотят максимизировать свое приобретение. Они дошли до того, чтобы «вырезать» процессор — удалить тепловой рассеиватель и заменить тепловой интерфейс более эффективным. Однако не стоит отвлекать внимание от трюка с разгоном, так как процессор еще не готов.
Завершающим этапом является изготовление электрических контактов, которые соединяют микропроцессор с компьютерной платой. Обычно это делается путем изготовления оловянного валика. Оловянный валик — это так называемая «нога» процессора, которая сначала заклинивается, а затем приваривается к плате в местах, где предусмотрено пространство. Для микросхем с большим количеством соединений вместо ножек иногда используются маленькие оловянные шарики. Это связано с тем, что они более прочные и надежные, но в последнее время от них отказались в пользу обычных контактных подушек.
Интегрированный микрочип промывается раствором воды и растворителя для удаления избыточного потока и грязи, после чего проводится окончательный контроль качества. Это варьируется от стресс-тестов в чистом помещении до более строгих испытаний. Например, микросхемы, предназначенные для использования в экстремальных условиях, таких как космос или военная промышленность, упаковываются в керамические корпуса и многократно тестируются при экстремальных температурах в вакуумных камерах.
Затем они попадают прямо в руки заказчика, потом в гнездо материнской платы или на другой завод, в зависимости от назначения микропроцессора. В корпус холодильника или, возможно, смартфона.
Что вы имеете в виду, говоря «Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром 3 мм»?
Пожалуйста, ознакомьтесь со следующим утверждением. Силиконовой нити диаметром 3 мм достаточно, чтобы поднять весь кристалл, поэтому нет необходимости что-то мастерить и выходить из переваривания из тонкого блока, где он начал расти.
Последняя прямая линия в процессе изготовления — это приваривание подложки к чипу. Для этого конструкция отправляется в печь, нагретую до 360°C. После охлаждения процессора устанавливается крышка, чтобы надежно защитить довольно хрупкую фугу.
Основные характеристики процессора
— Количество ядер процессора.
Многоядерный процессор — это процессор, содержащий два или более вычислительных ядра в одном процессорном чипе или в одном корпусе. Все современные процессоры являются многоядерными.
Многоядерный режим уже давно используется как способ повышения производительности процессоров. Для «домашних» компьютеров и рабочих станций предлагаются 64-ядерные процессоры (Ryzen Threadripper). Для серверов на рынке представлено 128 ядер.
Производительность вычислительных ядер различных архитектур варьируется в широких пределах. Однако при сравнении процессоров одной архитектуры, чем их больше (ядер), тем производительнее процессор.
-Количество нитей.
Чем больше нитей, тем лучше. Количество потоков не всегда соответствует количеству ядер процессора. Например, благодаря гиперпоточности (в случае Intel) и одновременной многопоточности (в случае AMD), четырехъядерный процессор может работать с восемью потоками, что во многом лучше, чем у шестиядерного конкурента.
-Размер кэша 2 и 3 уровня.
Кэш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется как изолятор для временного хранения информации, подлежащей обработке в определенное время. Более подробную информацию смотрите здесь. Чем больше укрытие, тем лучше.
Не все современные процессоры имеют кэш-память третьего уровня, но это не критично. На самом деле, многие бенчмарки показывают, что производительность процессоров Intel Core2Quadro, выпущенных между 2007 и 2011 годами, без кэша третьего уровня все еще адекватна. На самом деле, кэши второго уровня очень большие.
-Частота процессора.
Здесь все просто. Чем выше частота процессора, тем выше производительность. Однако это справедливо, если речь идет о процессорах одной архитектуры. Этот индикатор показывает количество операций (ударов), выполняемых процессором в единицу времени. Однако процессоры с более совершенными архитектурами обрабатывают больше информации за один тактовый цикл. В результате новые низкочастотные процессоры могут быть значительно быстрее старых высокочастотных процессоров.
Концепция технологии процесса была рассмотрена в предыдущем разделе данной статьи. Чем тоньше используемый технологический процесс, тем больше транзисторов может содержать процессор, что приводит к снижению энергопотребления и тепловыделения. Другая важная характеристика процессора, TDP, сильно зависит от технологии процессорного процесса.
Thermal Design Point — это число, которое указывает на энергопотребление процессора и количество тепла, выделяемого им во время работы. Единицей измерения является ватт. TDP зависит от многих факторов, включая количество ядер, производственный процесс и частоту процессора.
Помимо прочих преимуществ, «холодные» процессоры (TDP менее 100 Вт) подходят для «разгона», когда пользователь изменяет определенные системные настройки для увеличения частоты процессора. Разгон может увеличить производительность процессора без дополнительных вложений (в некоторых случаях на 20-25%), но это отдельный вопрос.
В то же время, проблему высокого TDP всегда можно решить, приобретя эффективную систему охлаждения (см. последний абзац этой статьи).
-Наличие и производительность видеоядра.
В дополнение к вычислительному ядру процессоры часто содержат графическое ядро. Эти процессоры не только решают основные задачи, но и могут играть роль видеокарты. Некоторых из них достаточно для того, чтобы играть в компьютерные игры, не говоря уже о фильмах, работе с текстом и других задачах.
Что такое сокет
При выборе процессора важно учитывать тип слота, на который он рассчитан.
Сокет (сокет процессора) — это гнездо или гнезда на материнской плате, в которые устанавливается процессор. Каждый процессор может быть установлен только на материнскую плату с нужным размером, нужным количеством гнездовых контактов и гнездом с нужной конструкцией.
Новые слоты разрабатываются производителем процессоров, когда старые слоты уже не могут вмещать новые продукты, соответственно. Сокет LGA775 (Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000 и Core 2 Quad) уже давно используется для процессоров Intel. Затем были представлены сокеты LGA1366, LGA1156, LGA1155 (процессоры i7, i5 и i3) и другие сокеты. Процессорные сокеты AMD также менялись на протяжении десятилетий — AM2, AM2+, AM3, AM4 и т.д. Компьютеры на базе старых сокетов уже редкость, поэтому нет причин ссылаться на старые сокеты.
Важно Если вы модернизируете старый компьютер, приобретая более мощный процессор, убедитесь, что слот совместим со старой материнской платой. В противном случае его также необходимо заменить. Однако даже если сокет подходит для процессора, нет гарантии, что материнская плата будет с ним работать. Логика системы материнской платы («чипсета») также важна. Необходимо убедиться, что он поддерживает процессоры этой архитектуры. Узнайте больше о слотах для процессоров и совместимых чипсетах материнских плат.
Система охлаждения процессора
Процессор должен быть правильно охлажден. Несоблюдение этого требования может привести к поломке.
Как упоминалось выше, верхняя поверхность процессора представляет собой металлическую коробку, которая не только обеспечивает защиту, но и действует как теплоотвод. Система охлаждения установлена над процессором на материнской плате. Теплоотводы должны быть плотно прижаты к поверхности процессора.
Между ними помещается слой термопасты. Это специальное вещество, которое выглядит как паста и обладает высокой теплопроводностью, улучшая передачу тепла от процессора к радиаторам системы охлаждения.
При проектировании процессора необходимо учитывать его TDP (как обсуждалось ранее в разделе о технических характеристиках процессора).
Процессоры обычно продаются со стандартной системой охлаждения. Однако в некоторых случаях эффективность может оказаться недостаточной (например, если процессор перегружен и его частота, а значит и TDP, увеличивается). В этом случае более мощная система охлаждения может быть приобретена отдельно.
Нормальная рабочая температура процессора составляет до 50 градусов Цельсия (возможно, немного выше при максимальной нагрузке). Однако это может отличаться в зависимости от модели. Центральный процессор имеет встроенное устройство для измерения температуры. Для мониторинга температуры в режиме реального времени можно использовать специальное программное обеспечение (например, SpeedFan).
Современные процессоры разработаны таким образом, что при достижении критической температуры они выключаются и не включаются до тех пор, пока не остынут. Это предотвращает разрушение под воздействием высоких температур.
Перегрев может быть вызван неэффективной системой охлаждения, неисправностью системы охлаждения, засорением пылью или засохшей термопастой.
В рамках модернизации одного ядра производители могут внести небольшие изменения для устранения мелких неисправностей. Такие улучшения, которые не «заслуживают» самостоятельного названия ядра, называются ревизиями.
