Die Funktionsweise von CPUs mag magisch erscheinen, ist aber das Ergebnis jahrzehntelanger ausgeklügelter Technik. Da Transistoren – die Bausteine jedes Mikrochips – auf mikroskopische Größenordnungen schrumpfen, wird ihre Herstellung immer komplizierter.
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Fotolithografie
Transistoren sind mittlerweile so unglaublich klein, dass Hersteller sie nicht mit normalen Methoden bauen können. Während Präzisionsdrehmaschinen und sogar 3D-Drucker unglaublich komplizierte Kreationen herstellen können, erreichen sie normalerweise eine Präzision im Mikrometerbereich (das sind etwa ein dreißigtausendstel Zoll) und sind nicht für die Nanometerskala geeignet, in der heutige Chips gebaut werden.
Photolithographie löst dieses Problem, indem es die Notwendigkeit beseitigt, komplizierte Maschinen sehr präzise zu bewegen. Stattdessen verwendet es Licht, um ein Bild auf den Chip zu ätzen – wie ein Vintage-Overhead-Projektor, den Sie vielleicht in Klassenzimmern finden, aber umgekehrt, um die Schablone auf die gewünschte Präzision zu verkleinern.
Das Bild wird auf einen Siliziumwafer projiziert, der in kontrollierten Labors mit sehr hoher Präzision bearbeitet wird, da jedes einzelne Staubkorn auf dem Wafer einen Verlust von Tausenden von Dollar bedeuten kann. Der Wafer ist mit einem Material namens Photoresist beschichtet, das auf das Licht reagiert und weggespült wird, wodurch eine Ätzung der CPU zurückbleibt, die mit Kupfer oder gedopt Transistoren zu bilden. Dieser Vorgang wird dann viele Male wiederholt, wodurch die CPU aufgebaut wird, ähnlich wie ein 3D-Drucker Plastikschichten aufbauen würde.
Die Probleme mit der Photolithographie im Nanomaßstab
Es spielt keine Rolle, ob Sie die Transistoren kleiner machen können, wenn sie nicht wirklich funktionieren, und die Nanotechnologie hat viele Probleme mit der Physik. Transistoren sollen den Stromfluss stoppen, wenn sie ausgeschaltet sind, aber sie werden so klein, dass Elektronen direkt durch sie fließen können. Das nennt man Quantentunneln und ist ein massives Problem für Silizium-Ingenieure.
Defekte sind ein weiteres Problem. Auch die Fotolithografie hat eine Grenze in ihrer Präzision. Es ist analog zu einem verschwommenen Bild vom Projektor; es ist nicht ganz so klar, wenn es aufgeblasen oder verkleinert wird. Derzeit versuchen Gießereien, diesen Effekt zu mildern, indem sie „extremes“ ultraviolettes Licht, eine viel höhere Wellenlänge, als der Mensch wahrnehmen kann, wenn man Laser in einer Vakuumkammer verwendet. Aber das Problem wird bestehen bleiben, wenn die Größe kleiner wird.
Fehler können manchmal mit einem sogenannten Binning-Prozess gemildert werden. Wenn der Fehler einen CPU-Kern trifft, wird dieser Kern deaktiviert und der Chip als unteres Endteil verkauft. Tatsächlich werden die meisten CPUs nach dem gleichen Bauplan hergestellt, haben jedoch deaktivierte Kerne und werden zu einem niedrigeren Preis verkauft. Wenn der Defekt den Cache oder eine andere wesentliche Komponente trifft, muss dieser Chip möglicherweise weggeworfen werden, was zu einer geringeren Ausbeute und höheren Preisen führt. Neuere Prozessknoten wie 7nm und 10nm haben höhere Fehlerraten und sind daher teurer.
Verpacken Sie es
Das Verpacken der CPU für den Verbrauchergebrauch bedeutet mehr, als sie nur mit etwas Styropor in eine Schachtel zu legen. Wenn eine CPU fertig ist, ist sie immer noch nutzlos, es sei denn, sie kann sich mit dem Rest des Systems verbinden. Der „Packaging“-Prozess bezieht sich auf die Methode, bei der der empfindliche Siliziumchip an der Leiterplatte befestigt wird, die die meisten Leute als „CPU“ bezeichnen.
Dieser Prozess erfordert viel Präzision, aber nicht so viel wie die vorherigen Schritte. Der CPU-Chip ist auf einer Siliziumplatine montiert, und an allen Pins, die Kontakt mit der Hauptplatine haben, werden elektrische Verbindungen geführt. Moderne CPUs können Tausende von Pins haben, wobei der High-End-AMD-Threadripper 4094 davon hat.
Da die CPU viel Wärme produziert und auch von vorne geschützt werden soll, ist oben ein „integrierter Heatspreader“ angebracht. Dieser kommt mit der Matrize in Kontakt und leitet die Wärme an einen darüber angebrachten Kühler ab. Für einige Enthusiasten ist die Wärmeleitpaste, die verwendet wird, um diese Verbindung herzustellen, nicht gut genug, was dazu führt, dass Menschen ihre Prozessoren entleeren um eine hochwertigere Lösung anzuwenden.
Sobald alles zusammengestellt ist, kann es in echte Kartons verpackt werden, bereit, in die Regale zu kommen und in Ihren zukünftigen Computer eingesteckt zu werden. Bei der Komplexität der Herstellung ist es ein Wunder, dass die meisten CPUs nur ein paar hundert Dollar kosten.
Wenn Sie noch mehr technische Informationen über die Herstellung von CPUs erfahren möchten, lesen Sie die Erklärungen von Wikichip zu Lithographieverfahren und Mikroarchitekturen.