Процессор – это мозг любого компьютера. Он выполняет миллиарды операций в секунду, отвечает буквально за любое действие на компьютере, а выглядит как небольшая пластинка с контактами. Как создаются эти невероятно сложные устройства?
Об этом расскажет Игорь Позняев, автор канала «Блог системного администратора». Давайте посмотрим, как обычный песок превращается в настоящий электронный «мозг».
Начинается все с песка
Точнее, нужен не сам песок, а кремний. Проще всего его получить из кварцевого песка, правда, в нем, помимо нужного нам кремния, есть еще очень много примесей, которые необходимо удалить.
Поэтому песок загружают в электродуговые печи, нагревают до 1700 градусов, и в итоге получают металлургический кремний (Silicon metal). Его чистота составляет порядка 98-99%, и может показаться, что этого достаточно – нет. Он все еще слишком «грязный», поэтому следующий этап – получение поликристаллического кремния.
Для этого его обрабатывают химически, например, с использованием хлорсиланов. Так получается кремний, уже пригодный для использования в микроэлектронике – его чистота достигает 99,9999999 (то есть одна лишняя частица на миллиард частиц кремния).
Уже очищенный кремний плавят, и когда он расплавится – начинают выращивать кристалл. Для этого в тигель погружают затравку – маленький кристалл кремния. Медленно вращая и поднимая затравку, получают огромный цилиндрический кристалл кремния, их еще называют «булями». Були могут достигать 2 метров в длину и до 45 сантиметров в диаметре.
Последний подготовительный этап – нарезка пластин. Булю начинают нарезать на тонкие диски – их называют «вафлями». После нарезки пластины шлифуются и полируются до идеальной гладкости, поскольку любая неровность или дефект на поверхности может привести к браку.
Самое интересное
Фотолитография. Слово звучит страшно, к тому же это самый сложный и дорогой этап производства. Впрочем, я постараюсь объяснить все просто и понятно, чтобы понял каждый. На данном этапе на вафлю как бы послойно «наносится» все то, что позже будет называться процессором. Один цикл выглядит примерно так.
На поверхность пластины наносится фоторезист – это светочувствительный полимер, проще говоря, «посвети, чтобы затвердело». Далее пластина с фоторезистом помещается в степпер – машину, которая проецирует изображение будущей структуры с фотошаблона (их еще называют «масками») на фоторезист.
После этого вафля отправляется на обработку химикатами. Здесь «смывается» все лишнее, в зависимости от того, куда попал свет, соответственно, получается рельефный рисунок на пластине, который соответствует схеме процессора.
Далее – травление. Суть в том, чтобы убрать лишний материал, на котором нет фоторезиста – для этого используют либо химические растворы, либо плазму. Так создаются нужные углубления и структуры, после чего удаляется оставшийся фоторезист.
Теперь настало время легирования. По сути, это просто ввод примесей в определенные участки кремния, чтобы изменить его электрические свойства, так получаются области с положительной (p-тип) и отрицательной (n-тип) проводимостью – это основа для работы транзисторов.
Последний этап – нанесение слоев. Поверх пластины наносятся очень тонкие слои различных материалов, то есть проводников (медь и алюминий), изоляторов (диоксид и нитрид кремния), а также полупроводников. Один слой готов – осталось повторить процесс несколько сотен раз, чтобы получилась красивая структура из миллиардов связанных транзисторов.
Выдыхаем – формирование архитектуры процессора закончилось. Самый сложный этап позади, однако до полок магазинов еще довольно далеко.
Ведь теперь процессор нужно сделать
У нас есть вафли, на которых вытравлены сотни (а иногда и тысячи) кристаллов для процессоров, их также называют чипами. Теперь эти заготовки проходят первичное тестирование.
Специальные зонды касаются контактных площадок чипа, чтобы провести электрические тесты. Так проверяется работоспособность транзисторов и их соединений. Если на каком-то этапе производства возник дефект, такие чипы помечаются (но не выбрасываются).
Пластина с протестированными чипами разрезается лазером или специальным алмазным резаком, после чего уже отдельные кристаллы монтируются на текстолитовую подложку. Она нужна, чтобы вы могли вставить процессор в материнскую плату. Чип же соединяется с подложкой при помощи шариков припоя.
На готовый «бутерброд» надевают крышку, с которой кристалл контактирует при помощи термоинтерфейса – и все, процессор готов. Правда, пока не ясно, какой именно.
Как это – не ясно?
Немного выше я упоминал, что бракованные кристаллы не выбрасываются, а проходят тот же путь, что и полностью годные. Дело в том, что выход полностью годных кристаллов сравнительно невелик, и вместо того, чтобы выпускать только «идеальные» процессоры, компании пошли на хитрость и начали продавать отбраковку по сниженным ценам. Все верно, ваш Core i3 или Core i5 – это бракованный i9.
Давайте объясню проще. Кристаллы у серий процессоров одинаковые – условно, производитель заказывает только кристаллы для Core i9. Однако если во время производства что-то идет не так, кристалл портится и перестает соответствовать нужным спецификациям (например, у него не работает 2 ядра из 8). Можно такой кристалл выбросить, но ведь у него все еще есть 6 полноценных ядер! Поэтому такой чип можно поставить не в Core i9, а, например, в Core i7.
Если не работают 4 ядра – в Core i5, если 6 ядер – в Pentium, в общем, аналогия понятна. Так получается довести выход годных кристаллов до 80-95%, соответственно, производитель продает больше процессоров в штуках, так что хорошо и производителю (он не теряет прибыли), и пользователям (которые могут купить процессор попроще, но и подешевле).
Тесты также включают в себя проверку максимальной частоты (и соответствие чипов спецификациям для серии), ну и проверку на стабильность – то есть насколько хорошо процессор работает при максимальной нагрузке. Не перегревается ли, и так далее.
В общем, процессоры – как отпечатки пальцев людей, в том смысле, что двух одинаковых не бывает. У вас может быть как «удачный» Core i9, который разгоняется до 6.5 ГГц, так и условно «неудачный», который работает нестабильно уже на +100 МГц от своей стоковой частоты. Оба они прошли тестирование на фабрике, оба соответствуют спецификациям, просто один оказался «чище», а другой – нет. Лотерея, одним словом.
Ну а после этого на процессор наносится маркировка, сам процессор кладут в красивую коробку, коробку – в машину, и примерно так процессоры оказываются на полках магазинов. На самом деле, весь процесс настолько сложен и интересен, что кажется, будто это фантастика. Вспомните об этом, когда будете запускать игру или монтажную программу.
Кстати, примерно так же производятся вообще все кремниевые чипы, то есть чипсеты материнских плат и графические процессоры видеокарт. Так что, если вы думали, что купили «бракованный» i5 – скорее всего, «бракованная» у вас еще и плата и видеокарта. Ну, в каком-то смысле «бракованная».