İşlemciler Nasıl Yapılır?

fotografos/Shutterstock

CPU'ların çalışma şekli sihir gibi görünse de, onlarca yıllık akıllı mühendisliğin sonucudur. Herhangi bir mikroçipin yapı taşları olan transistörler mikroskobik ölçeklere büzülürken, üretilme şekilleri daha da karmaşıklaşır.

Fotolitografi

J. Robert Williams / Shutterstock

Transistörler artık o kadar küçüktür ki, üreticiler bunları normal yöntemler kullanarak inşa edemezler. Hassas torna tezgahları ve hatta 3D yazıcılar inanılmaz derecede karmaşık kreasyonlar oluşturabilse de, genellikle mikrometre hassasiyet seviyelerinde (bir inçin yaklaşık otuz binde biri kadar) en üst seviyeye çıkarlar ve bugünün yongalarının yapıldığı nanometre ölçekleri için uygun değildirler.

Fotolitografi bu sorunu, karmaşık makineleri çok hassas bir şekilde hareket ettirme ihtiyacını ortadan kaldırarak çözer. Bunun yerine, bir görüntüyü çip üzerine yapıştırmak için ışık kullanır – sınıflarda bulabileceğiniz eski bir projektör gibi, fakat tersi durumda, kalıbı istenen hassasiyete indirir.

Görüntü, kontrollü laboratuarlarda çok yüksek hassasiyetle işlenen bir silikon gofret üzerine yansıtılmaktadır, çünkü gofret üzerindeki herhangi bir toz lekesi binlerce dolarda kaybedilmek anlamına gelebilir. Gofret, ışığa tepki veren ve yıkanan, transistörleri oluşturmak için bakır ile doldurulabilen veya katlanabilen CPU'nun aşınmasına neden olan, fotorezist adı verilen bir malzeme ile kaplanmıştır. Bu işlem daha sonra birçok kez tekrarlanır, CPU'yu bir 3D yazıcıya benzer şekilde oluşturmak plastik katmanları oluşturacaktır.

Nano Ölçekli Fotolitografinin Sorunları

Gerçekten işe yaramazsa transistörleri küçültüp küçültemeyeceğiniz önemli değildir ve nano ölçekli teknoloji, fizikle ilgili birçok sorunla karşılaşmaktadır. Transistörlerin kapalıyken elektrik akışını durdurmaları gerekiyor, ancak elektronların tam içinden akabileceği kadar küçülüyorlar. Buna kuantum tünelleme denir ve silikon mühendisleri için büyük bir problemdir.

Kusurlar başka bir problemdir. Fotolitografinin bile kesinliği vardır. Projektördeki bulanık görüntüye benziyor; Havaya uçtuğunda ya da küçülürken o kadar net değildir. Şu anda, dökümhaneler, bir vakum odasındaki lazerleri kullanarak, insanların algılayabileceğinden çok daha yüksek bir dalga boyu olan “aşırı” ultraviyole ışığı kullanarak bu etkiyi azaltmaya çalışıyor. Ancak boyut küçüldükçe sorun da devam edecek.

Kusurlar bazen gölgeleme denilen bir işlemle azaltılabilir – kusur bir CPU çekirdeğine çarparsa, bu çekirdek devre dışı bırakılır ve çip daha düşük bir uç parçası olarak satılır. Aslında, çoğu CPU serisi aynı plan kullanılarak üretilir, ancak çekirdekler devre dışı bırakılır ve daha düşük bir fiyata satılır. Hata önbelleğe veya başka bir önemli bileşene çarparsa, o yonganın atılması gerekebilir, bu da daha düşük bir verime ve daha pahalı fiyatlara neden olabilir. 7nm ve 10nm gibi daha yeni işlem düğümleri daha yüksek hata oranlarına sahip olacak ve sonuç olarak daha pahalı olacaktır.

İLGİLİ: “7nm” ve “10nm” CPU'lar İçin Ne İfade Ediyor ve Neden Önemli?

Paketleme

MchlSkhrv / Shutterstock

CPU'yu tüketici kullanımı için paketlemek, sadece bir strafor içeren bir kutuya koymaktan çok daha fazlasıdır. Bir CPU bittiğinde, sistemin geri kalanına bağlanamadığı sürece hala işe yaramaz. “Paketleme” işlemi, hassas silikon kalıbın çoğu kişiye “CPU” olarak düşündüğü PCB'ye bağlandığı yöntemi ifade eder.

Bu işlem çok fazla hassasiyet gerektirir, ancak önceki adımlarda olduğu gibi değil. CPU kalıbı bir silikon karta monte edilir ve anakartla temas eden tüm pinlere elektrik bağlantıları yapılır. Modern CPU'lar binlerce pin içerebilir ve 4094 tanesi yüksek kaliteli AMD Threadripper vardır.

İşlemci çok fazla ısı ürettiğinden ve önden de korunması gerektiğinden, tepeye “entegre bir ısı yayıcı” monte edilmiştir. Bu, kalıba temas eder ve ısıyı, üzerine monte edilmiş bir soğutucuya aktarır. Bazı meraklılar için, bu bağlantıyı yapmak için kullanılan termal macun yeterince iyi değil, bu da işlemcilerini daha premium bir çözüm uygulamalarına yol açan insanlarla sonuçlanıyor.

Hepsi bir araya getirildikten sonra, gerçek kutulara paketlenebilir, raflara çarpmaya ve gelecekteki bilgisayarınıza yerleştirilebilir. Üretimin ne kadar karmaşık olduğu ile, çoğu CPU'nun sadece birkaç yüz dolar olması harika.

CPU'ların nasıl yapıldığı hakkında daha fazla teknik bilgi edinmek istiyorsanız, Wikichip'in litografi işlemleri ve mikro mimariler hakkındaki açıklamalarına göz atın.