ДЕ виробляють процесори Intel
Як я вже писав у попередній посаді, на даний момент у компанії Intel є 4 заводи, здатних масово виробляти процесори за технологією 32нм: D1D та D1C у штаті Орегон, Fab 32 у штаті Арізона та Fab 11X у Нью-Мексико.
Подивимося як вони влаштовані
Висота кожної фабрики Intel з виробництва процес- Рівень системи вентиляції Мікропроцесор складається з мільйонів транзисторів Рівень «чистих кімнат» Поверх займає площу кількох футбольних полів Крім підвищених вимог до стерильності замі- нижній рівень Призначений для систем, що підтримують роботу фа- Інженерний рівень |
Для будівництва фабрики такого рівня потрібно близько 3 років і близько 5 мільярдів - саме цю суму повинен буде «відбити» завод у наступні 4 роки (до того часу як з'являться нові технологічний процес та архітектура, необхідна для цього продуктивність - близько 100 робочих кремнієвих пластин у година). Для будівництва заводу потрібно:
- Більше 19 000 тонн сталі
- Більше 112 000 кубічних метрів бетону
- Більше 900 кілометрів кабелю
ЯК виробляють мікропроцесори
Технічно сучасний мікропроцесор виконаний у вигляді однієї надвеликої інтегральної схеми, що складається з кількох мільярдів елементів - це одна з найскладніших конструкцій, створених людиною. Ключовими елементами будь-якого мікропроцесора є дискретні перемикачі – транзистори. Блокуючи і пропускаючи електричний струм (включення-вимикання), вони дають можливість логічним схемам комп'ютера працювати у двох станах, тобто у двійковій системі. Розміри транзисторів вимірюються у нанометрах. Один нанометр (нм) – це одна мільярдна частина метра.
Коротко процес виготовлення процесора виглядає так: із розплавленого кремнію на спеціальному устаткуванні вирощують монокристал циліндричної форми. Злиток, що вийшов, охолоджують і ріжуть на «млинці», поверхня яких ретельно вирівнюють і полірують до дзеркального блиску. Потім у «чистих кімнатах» напівпровідникових заводів на кремнієвих пластинах методами фотолітографії та травлення створюються інтегральні схеми. Після повторної очистки пластин, фахівці лабораторії під мікроскопом проводять вибіркове тестування процесорів - якщо все «ОК», то готові пластини розрізають на окремі процесори, які пізніше укладають у корпуси.
Давайте розглянемо весь процес докладніше.
Спочатку береться SiO2 у вигляді піску, який у дугових печах (при температурі близько 1800°C) відновлюють коксом:
SiO2 + 2C = Si + 2CO
Такий кремній має назву «технічний» і має чистоту 98-99.9%. Для виробництва процесорів потрібна набагато чистіша сировина, яка називається «електронним кремнієм» — у такій має бути не більше одного чужорідного атома на мільярд атомів кремнію. Для очищення до такого рівня кремній буквально народжується заново. Шляхом хлорування технічного кремнію отримують тетрахлорид кремнію (SiCl4), який надалі перетворюється на трихлорсилан (SiHCl3):
3SiCl4 + 2H2 + Si ↔ 4SiHCl3
Дані реакції з використанням рециклу побічних кремнійвмісних речовин, що утворюються, знижують собівартість і усувають екологічні проблеми:
2SiHCl3 ↔ SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 ↔ SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl ↔ SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 ↔ Si + 2H2
Водень, що вийшов в результаті, можна багато де використовувати, але найголовніше те, що був отриманий «електронний» кремній, чистий-пречистий (99,9999999%). Трохи згодом у розплав такого кремнію опускається затравка («точка зростання»), яка поступово витягується з тигля. В результаті утворюється так звана "буля" - монокристал заввишки з дорослої людини. Вага відповідна — на виробництві такий буль важить близько 100 кг.
Злиток шкурять «нульовкою»:) і ріжуть алмазною пилкою. На виході - пластини (кодова назва "вафля") товщиною близько 1 мм і діаметром 300 мм (~12 дюймів; саме такі використовуються для техпроцесу в 32нм з технологією HKMG, High-K/Metal Gate).
Тепер найцікавіше - у відшліфовані кремнієві пластини необхідно перенести структуру майбутнього процесора, тобто впровадити у певні ділянки кремнієвої пластини домішки, які у результаті утворюють транзистори. Як це зробити?
Проблема вирішується за допомогою технології фотолітографії – процесу вибіркового травлення поверхневого шару із використанням захисного фотошаблону. Технологія побудована за принципом "світло-шаблон-фоторезист" і проходить таким чином:
— На кремнієву підкладку наносять шар матеріалу, з якого потрібно сформувати рисунок. На нього наноситься фоторезист - шар полімерного світлочутливого матеріалу, що змінює свої фізико-хімічні властивості при опроміненні світлом.
— Виконується експонування (освітлення фотошару протягом точно встановленого проміжку часу) через фотошаблон
- Видалення відпрацьованого фоторезиста.
Потрібна структура малюється на фотошаблоні - як правило, це платівка з оптичного скла, на яку фотографічним способом нанесені непрозорі області. Кожен такий шаблон містить один із шарів майбутнього процесора, тому він має бути дуже точним та практичним.
Пластина опромінюється потоком іонів (позитивно або негативно заряджених атомів), які в заданих місцях проникають під поверхню пластини і змінюють провідні властивості кремнію (зелені ділянки - це впроваджені чужорідні атоми).
У фотографії світло проходило через негативну плівку, падало на поверхню фотопаперу та змінювало її хімічні властивості. У фотолітографії принцип схожий: світло пропускається через фотошаблон на фоторезист, і тих місцях, де він пройшов через маску, окремі ділянки фоторезиста змінюють властивості. Через маски пропускається світлове випромінювання, що фокусується на підкладці. Для точного фокусування необхідна спеціальна система лінз або дзеркал, здатна не просто зменшити зображення, вирізане на масці, до розмірів чіпа, а й точно спроектувати його на заготовці. Надруковані пластини, як правило, у чотири рази менше, ніж самі маски. 
Весь відпрацьований фоторезист (змінив свою розчинність під дією опромінення) видаляється спеціальним хімічним розчином - разом з ним розчиняється частина підкладки під засвіченим фоторезистом. Частина підкладки, яка була закрита маскою від світла, не розчиниться. Вона утворює провідник чи майбутній активний елемент - результатом такого підходу стають різні картини замикань кожному шарі мікропроцесора.
Власне, всі попередні кроки були потрібні для того, щоб створити в необхідних місцях напівпровідникові структури шляхом впровадження донорної (n-типу) або акцепторної (p-типу) домішки. Допустимо, нам потрібно зробити в кремнії область концентрації носіїв p-типу, тобто зону діркової провідності. Для цього пластину обробляють за допомогою пристрою, який називається імплантером — іони бору з величезною енергією вистрілюються з високовольтного прискорювача і рівномірно розподіляються в незахищених зонах, утворених при фотолітографії.
Там, де діелектрик був прибраний, іони проникають у шар незахищеного кремнію – інакше вони «застряють» у діелектриці. Після чергового процесу травлення забираються залишки діелектрика, але в пластині залишаються зони, у яких локально є бор. Зрозуміло, що у сучасних процесорів може бути кілька таких шарів — у такому разі на малюнку, що вийшов, знову вирощується шар діелектрика і далі все йде по протоптаній доріжці — ще один шар фоторезиста, процес фотолітографії (вже по новій масці), травлення, імплантація…
Логічні елементи, що утворилися у процесі фотолітографії, мають бути поєднані один з одним. Для цього пластини поміщають в розчин сульфату міді, в якому під дією електричного струму атоми металу «осідають» в «проходах», що залишилися — в результаті цього гальванічного процесу утворюються провідні області, що створюють з'єднання між окремими частинами процесорної «логіки». Надлишки провідного покриття забираються поліруванням.
Ура – найскладніше позаду. Залишилося хитрим способом поєднати «залишки» транзисторів — принцип і послідовність усіх цих з'єднань (шин) і називається процесорною архітектурою. Для кожного процесора ці з'єднання різні - хоч схеми і здаються абсолютно плоскими, в деяких випадках може використовуватися до 30 рівнів таких проводів.
Коли обробка пластин завершена, пластини передаються з виробництва до монтажно-випробувального цеху. Там кристали проходять перші випробування, і ті, які проходять тест (а це переважна більшість), вирізають із підкладки спеціальним пристроєм.
На наступному етапі процесор упаковується в підкладку (на малюнку – процесор Intel Core i5, що складається з CPU та чіпа HD-графіки).
Підкладка, кристал і теплорозподільна кришка з'єднуються разом - саме цей продукт ми матимемо на увазі, говорячи слово «процесор». Зелена підкладка створює електричний та механічний інтерфейс (для електричного з'єднання кремнієвої мікросхеми з корпусом використовується золото), завдяки якому стане можливим встановлення процесора в сокет материнської плати – по суті, це просто майданчик, на якому розведені контакти від маленького чіпа. Теплорозподільна кришка є термоінтерфейсом, що охолоджує процесор під час роботи - саме до цієї кришки будуть примикати система охолодження, радіатор кулера або здоровий водоблок.
Тепер уявіть собі, що компанія анонсує, наприклад, 20 нових процесорів. Всі вони різні між собою - кількість ядер, обсяги кешу, технології, що підтримуються... У кожній моделі процесора використовується певна кількість транзисторів (обчислюване мільйонами і навіть мільярдами), свій принцип з'єднання елементів... І все це треба спроектувати і створити/автоматизувати - шаблони, лінзи, літографії, сотні параметрів для кожного процесу, тестування… І все це має працювати цілодобово, одразу на кількох фабриках… У результаті мають з'являтися пристрої, які не мають права на помилку в роботі… А вартість цих технологічних шедеврів має бути в рамках пристойності…
Доброго дня, любителі комп'ютерного заліза. Сьогодні ми поговоримо про те, що таке техпроцес у процесорі. На що впливає ця величина, як допомагає під час роботи комп'ютера, що відповідає і таке інше.
Почати хотілося б із того, що процесори складаються з транзисторів. Під кришкою теплорозподільника знаходиться сам кристал ЦП на кремнієвій підкладці, до складу якого входять мільярди мініатюрних транзисторів. Про нутрощі CPU – .
Їхні габарити настільки крихітні, що вимірюються в нанометрах. Звідси бере свій початок величина.
Візьмемо наприклад компанію AMD та її процесорні ядра сімейства Bulldozer та Liano, виконані за нормами 32 нм. На площі кристала розміром всього 315 мм2 розміщено 1,2 млрд. транзисторів. Якщо порівнювати з більш старою технологією 45 нм, в якій на підкладці 346 мм2 знаходилося лише 900 млн транзисторів – прогрес очевидний.
Зменшення, а точніше оптимізація техпроцесу дає такі переваги:
- підвищення підсумкової продуктивності при ідентичних характеристиках двох пристроїв (перший і другий процесор мають, наприклад, 4 ядра потужністю 3 ГГц);
- зниження енергоспоживання;
- можливість додати додаткові робочі інструкції;
- підвищення частот;
- збільшення кількості ядер на одній підкладці (вони займають менше місця);
- зниження витрат на виготовлення чіпів (на одній кремнієвій болванці міститься більше процесорів).
- Збільшення кеш‐пам'яті процесора (більше місця на кристалі для встановлення модуля)
Еволюція техпроцесу
Якщо покопатися в історії напівпровідників 70-х і 80-х років, можна зустріти пристрої, розроблені за нормами техпроцесу 3 мкм. До такого технологічного прориву вперше прийшли компанії Zilog у 1975 році та Intel у 1979 році відповідно.
Компанії активно розвивали технології та вдосконалювали літографічне обладнання. На початку середини 90-х прогрес досяг нових висот і на ринку стали з'являтися моделі на зразок Intel Pentium Pro і MMX, а також знаменитий «равлик» Pentium II.
Усі вироби виконували за нормами процесу 0,35 мкм, тобто. 350 нм. Буквально через 10 років технології дозволили скоротити розмір транзистора втричі, до 130 нм, і це був прорив. Проте культовий період припав на 2004 рік, коли інженери почали освоювати собі 65 нм. Тоді світ побачив знамениті Pentium 4, Core 2 Duo, а також AMD Phenom X4 та Turion 64 x2. У цей же час ринок затопили чіпи Falcon і Jasper для Xbox 360.
Поточний період розробки
Плавно підбираємося до сучасних розробок і почнемо з актуального процесу 32 нм – епоха Intel Sandy Bridge і AMD Bulldozer.
Синьому табору вдалося створити кристал із частотою до 3,5 ГГц, на який можна помістити до 4 ядер та графічний чіп частотою до 1,35 ГГц. Також в чіп вбудували PCI-E контролер версії 2.0, підтримку пам'яті DDR3. Усі ядра отримали по 256 КБ кешу L2 та до 8 МБ L3. І все це розміщувалося на підкладці 216 мм2
Червоні ж примудрилися розмістити на підкладці до 16 процесорних ядер частотою до 4 ГГц із підтримкою передових на 2011 рік інструкцій x86, запровадити підтримку Hyper Transport та оснастити чіпи підтримкою DDR3.
Перехід на 22 нм здійснив лише Intel, додавши своїм продуктам Ivy Bridge та Haswell на кшталт Core i5, i7 та Xeon вищу продуктивність при зниженому енергоспоживання. Архітектура не зазнала значних змін. 
Літографія 14 нм подарувала світу у 2017 році новий виток протистояння між AMD Ryzen та Intel Coffee Lake. У першому випадку маємо зовсім нову архітектуру та визнання у всьому світі після багаторічного застою. У другому – збільшення ядер на підкладці в десктопному сегменті.
Додатково можна відзначити зниження енергоспоживання, додавання нових інструкцій, зниження розміру кремнієвої пластини і підвищення потужності в станах двох таборів. A11 Bionic).
Навіщо зменшувати техпроцес?
Як я вже говорив вище, оптимізація літографії веде до розміщення більшої кількості транзисторів на підкладці меншого розміру. Говорячи простою мовою, на одній площі можна розташувати не 1, а 1,5 млрд. транзисторів, що веде до підвищення продуктивності без збільшення тепловиділення.
Таким чином встановлюється більше ядер, допоміжних компонентів та систем керування шинами.
Коефіцієнт множення системної шини процесора також зростає, отже, і його міць зростає.
На даний момент оптимальними процесорами, які увібрали в себе найкраще із сучасних технологій, можна назвати Intel 8700k та AMD Ryzen 1800x. Є звичайно і новий варіант від «червоних» в особі Ryzen 2700 (12 нм), але його продуктивність трохи скромніше. 
Сподіваємось, ви зрозуміли суть, яку я хотіли донести до вас у цій статті. У наступних оглядах ми торкнемося таких понять як , охолодження та інших актуальних питань, які вимагають пояснення. Залишайтеся з нами та публікаціями. Успіхів!
Великі справи починаються з малого. Цей вислів справедливий для багатьох речей, але в цій статті піде мова про виготовлення мікропроцесорів, якими нашпиговані різні побутові прилади, що вас оточують, від смартфонів і до холодильників.
Підготовка сировини
Комп'ютерні чіпи складної структури, здатні проводити миттєві обчислення, народжуються великих тиглях з кварцового скла, заповнених до країв піском, що пройшов багатоступінчасту очистку.Насамперед із піску, набраного в якомусь кар'єрі, отримують «технічний» кремній шляхом додавання в мінерал вуглецю за високої температури. Кремній, що вийшов в результаті, при чистоті досягає 98%, але все ще зовсім не підходить для цілей електронної промисловості і, щоб стати «електронним кремнієм», йому потрібна додаткова обробка хлором. У процесі каскаду хімічних реакцій із хлором, кремній буквально синтезується заново, позбавляючись останніх ознак домішок.
Тільки після цього тигель з найчистішим електронним кремнієм поміщають у герметичну піч, яка наповнена аргоном. Звичайно, можна було б відкачати з неї повітря, але створити ідеальний вакуум на землі дуже складно, якщо не неможливо, а з хімічної точки зору аргон дає практично той самий ефект. Цей інертний газ заміняє кисень, захищаючи склад від окислення, а сам ніяк не реагує з кремнієм у тиглі.
Тільки після цього колишній пісок розігрівається до 1420 градусів Цельсія, що всього на 6 градусів вище за його точку плавлення. Для цього використається графітовий нагрівач. Вибір матеріалу, як і у випадку з кварцом тигля, обумовлений тим, що графіт не реагує з кремнієм і, отже, не може забруднити матеріал майбутнього процесора.
У нагрітий тигель опускається тонкий затравний кристал кремнію, що розміром і формою нагадує олівець. Він має запустити процес кристалізації. Подальше можна відтворити в домашніх умовах із розчином солі, цукру, лимонної кислоти або, наприклад, мідного купоросу. Остигаючий розчин починає кристалізуватися навколо затравальної точки, утворюючи ідеальну молекулярну решітку. Так вирощують кристали солі, так росте кремній.
Затравальний кристал кремнію поступово піднімають з тигля, зі швидкістю приблизно півтора міліметра в хвилину, і з ним з розчину піднімається монокристал. Зростання кристала відбувається повільно і на один тигель йде в середньому 26 годин, тому виробництво працює цілодобово.
За цей час утворюється «буля» - цілісний циліндричний кристал діаметром 300 міліметрів, довжиною до 1-2 метрів і вагою близько 100 кілограмів. Якщо поглянути на нього під сильним збільшенням, погляду відкриється строга структура - ідеальні кристалічні грати з атомів кремнію, абсолютно однорідні по всьому об'єму.
Кристал настільки міцний, що його вага може витримати нитку діаметром всього 3 міліметри. Так що готову заготовку для процесорів витягують з тигля за цей затравний кристал.
Однак з «буля» поводяться акуратніше, ніж з антикварною вазою, кристал витримує величезні навантаження на розрив, але надзвичайно тендітний.
Після хімічного та рентгеноскопічного дослідження для перевірки чистоти кристала та правильності молекулярних грат, заготовку поміщають в установку для різання кремнію. Вона поділяє кристал на пластини товщиною близько 1 міліметра за допомогою дротяної пилки з алмазним напиленням.
Звісно, не обходиться без ушкоджень. Якою б гострою була пила, після нарізки, на поверхні пластин залишаються мікроскопічні дефекти. Так що за нарізкою слідує етап полірування.
Але навіть після обробки у потужній шліфувальній машині пластини кремнію ще недостатньо гладкі, щоб пустити їх на виробництво мікрочіпів. Тому полірування повторюють знову і знову вже з використанням хімічних реагентів.
В результаті виходить поверхня, в порівнянні з якою, дзеркало нагадує великий наждачний папір. Така пластина без розривів та мікродефектів стає основою для мільйонів мікроелектронних пристроїв, що утворюють мікросхему. Очищені від пилу кремнієві диски, які прийнято називати «вейфер» або «вафля» в герметичних контейнерах вирушають у чисту кімнату.
У чистій кімнаті
1958 року винахіднику інтегральної мікросхеми Джеку Кірбі вдалося зробити прорив, розмістити на своїй схемі один транзистор. У наші дні кількість логічних елементів мікропроцесора перевалила за мільярд і продовжує подвоюватися кожні два роки у відповідність до закону Мура.
Робота з такими мікроскопічними деталями ставить перед виробниками чіпів серйозний виклик, оскільки навіть єдина порошинка може занапастити майбутній виріб. Тому цехи площею кілька тисяч квадратних метрів, повністю ізолюють від зовнішнього світу, оснащують найскладнішими системами очищення і кондиціонування повітря, що роблять його 10000 разів чистіше, ніж у хірургічній палаті.
Всі фахівці, які працюють у такій чистій кімнаті, не просто дотримуються стерильності, а й носять захисні костюми з антистатичних матеріалів, маски, рукавички. І все ж, незважаючи на всі застереження, щоб зменшити ризик шлюбу, компанії-виробники процесорів намагаються автоматизувати максимум операцій, що виробляються в чистій кімнаті, поклавши їх на промислові роботи.
Процес виготовлення процесорів поставлено на конвеєр. Доставлена в герметичному боксі ідеально рівна "вейфер" проходить через 400-500 технологічних операцій і виходить з цеху лише через кілька місяців уже у вигляді готового мікрочіпа.
Створення з «вафлі» мікрочіпа передбачає побудову найскладнішого технологічного ланцюжка, описати який у деталях немає жодної можливості через обмеження на обсяги статті. Навіть якби їх не було, компанії типу Intel і AMD зовсім не поспішають ділитися секретами виробництва. У конструкторських відділах компаній проектуються найскладніші тривимірні схеми взаємного розташування елементів процесора – топології мікросхем. Вони являють собою багаторівневе нагромадження елементів, що поділяється на шари і наноситься пошарово на кремнієву підкладку. Робити це вручну, звичайно ж неможливо, занадто тонкий процес, занадто дрібні елементи буквально нанометрового розміру.
Процесори Intel восьмого покоління, відомі під позначенням Coffee Lake, усіяні 14 нанометровими транзисторами, AMD анонсувала друге покоління процесорів AMD Ryzen, відоме під кодовою назвою Pinnacle Ridge, побудованих на 12 нанометрових елементах. Нові відеокарти NVIDIA з архітектурою ядер Volta також збудовані за 12 нанометровою технологією. Система на чіпі Qualcomm Snapdragon 835 ще менша - всього 10 нанометрів. Постійно зменшувати розміри функціональних елементів процесора і, отже, збільшувати його продуктивність вдається завдяки вдосконаленню технології під назвою фотолітографія.
Загалом цей процес можна описати так:
Спочатку пластина кремнію покривається основою - матеріалом, який має стати частиною майбутньої схеми, потім поверх рівномірним шаром наноситься хімічний реагент, чутливий до світла. Цей склад виконає всю роботу, але суть пізніше.
Насамперед із корпоративних архівів витягується докладна схема процесора, що зберігається в найсуворішому секреті. Її нижній шар представляють у вигляді негативу і переносять на фотошаблон - захисну пластину, що діє подібно до трафарету. Вона значно більше чіпа, так що світло, що проходить крізь неї, фокусують за допомогою складної системи лінз, зменшуючи проектоване зображення до потрібного розміру.
У тих місцях, де світло не досягає кремнію, пластина залишається недоторканою, у освітлених він ініціює реакцію в хімічному реагенті, що змінює його властивості. Потім майбутній процесор оброблять ще одним складом, і ці ділянки розчиняться, залишивши тільки ті області, що не зазнавали впливу. Вони й утворюють струмопровідні логічні елементи процесора.
Після цього на пластину нанесуть шар діелектрика і поверх додадуть нові компоненти процесора, знову ж таки, за допомогою фотолітографії.
Деякі шари нагріваються, деякі впливають іонізовані плазми, інші покриваються металом. Кожен тип обробки змінює властивості шару та повільно створює частину головоломки, що формує конкретну модель чіпа. В результаті виходить своєрідний листковий пиріг, де у кожного шару своя функціональність і вони пов'язані між собою складним чином за коштами «доріжок» з атомів міді, яку беруть в облогу кремнієву підкладку з розчину сульфату міді, пропускаючи через нього електричний струм.
Це завершальний етап обробки, після якого мікрочіпи перевіряють на працездатність. Незважаючи на всі запобіжні заходи та багатоденні зусилля відсоток шлюбу залишається високий. Роботи виберуть і виріжуть із кремнієвої пластини лише 100% працездатні чіпи.
Вони будуть розсортовані за показниками енергоефективності, струмами та максимальними робочими частотами, отримають різні позначення і, зрештою, будуть продані за різною ціною.
Останні штрихи
На шляху до покупців процесори залишають чисту кімнату і вирушають на лінію, де готову мікросхему приклеюють на квадрат, званий підкладкою. Кристал спаюється з нею у спеціальній печі за температури 360 градусів Цельсія.
Потім чіп накривається кришкою. Вона служить і для захисту ще крихкого кремнію від пошкоджень і для відведення від нього тепла. Ви напевно добре її уявляєте, саме до кришки буде притискатися основа системи охолодження, будь то кулер або теплообмінник СВО (системи водяного охолодження). Це не менш відповідальний етап, ніж попередній. Адже від того, наскільки добре кришка процесора відводить тепло від кристала, багато в чому залежить стабільність і швидкість його роботи, його майбутня максимальна продуктивність.
Старі процесори Intel буквально припаювалися до теплорозподільних кришок. Однак останні покоління фірмових чіпів отримують прокладку-термоінтерфейс між кристалом і кришкою і охолоджуються гірше, що дуже засмучує ентузіастів комп'ютерного заліза, які бажають вичавити максимум своїх придбань. Дійшло до того, що вони «скальпують» процесори – самостійно знімають із них теплорозподільник та замінюють термоінтерфейс на більш ефективний. Але не відволікатимемося на хитрості оверклокінгу, оскільки процесор ще не готовий.
Завершальний етап - створення електричних контактів, які зв'яжуть мікропроцесор із материнською платою комп'ютера. Зазвичай для цього виготовляють олов'яні циліндрики, так звані ніжки процесора, які спочатку приклеюються, а потім припаюються до підкладки, де для них передбачені місця. Для мікрочіпів з великою кількістю зв'язків замість ніжок іноді використовують дрібні олов'яні кульки, оскільки вони міцніші і надійніші, проте останнім часом від них стали відмовлятися на користь простих контактних майданчиків.
Закінчений мікрочіп промивають у розчині води з розчинником, щоб видалити зайвий флюс та бруд, а потім проводять фінальну перевірку якості виконаної роботи. Це можуть бути як стрес-тести продуктивності, як у чистій кімнаті, так і суворіші випробування. Так, чіпи, що призначаються для роботи в екстремальних умовах, наприклад, у космічній та військовій галузях, поміщаються герметичні в корпуси з кераміки та багаторазово тестуються при екстремальних температурах у вакуумних камерах.
Потім, залежно від призначення мікропроцесора, він відправляється прямо в руки покупців, а потім у сокети материнських плат, або на інші заводи, де маленький кремнієвий кристал займе своє місце на комп'ютерній платі відеокарти, космічного супутника, розумного холодильника, а може потрапить у корпус смартфона.
Буває досить складно пояснити старшому поколінню, чому сучасні смартфони коштують дуже дорого. Наші гаджети настільки еволюціонували, що функціонал телефону в сучасних пристроях став підрядним. По суті ми користуємося маленьким комп'ютером, який, як і раніше, може здійснювати дзвінки.
Наші стаціонарні комп'ютери, мобільні комп'ютери, ноутбуки виконують безліч завдань, але хіба ви не замислювалися, що відбувається всередині цих пристроїв? Що виконує роль «мозку» системи? Звісно процесор.
Давайте розберемося в основних поняттях та термінах сучасних процесорів.
Архітектура
Існують різні архітектури процесорів. Більше того, більшість програм заточено під певну архітектуру – 64bit або 32bit. Такі програми підтримують певну архітектуру процесора.
Процесор, що має 32-бітну архітектуру, може обробляти 32 біта інформації за один цикл. Аналогічно й із 64-бітними процесорами.
Крім того, кількість підтримуваної оперативної пам'яті (RAM) також залежить від архітектури процесора.
Процесорам з 16-розрядною архітектурою доступні сміховинні за сучасними мірками 64 КБ оперативної пам'яті. 32-бітного процесора доступні 4 ГБ пам'яті (існують серверні версії Windows з можливістю використання більшої кількості пам'яті). А для 64-бітного процесора це 16 ексабайтів.
Ядра
Ядра це обробні комірки процесора. Вони отримують інструкції та діють на їх основі. У спрощеному розумінні, що більше у вас ядер, то краще швидкість обробки. Уявіть робочих заводів. Що більше робочих, то швидше обробляються матеріали.
Але велика кількість робітників вимагатиме великих коштів на зарплату. Велика кількість ядер, однозначно, збільшить швидкість обробки, але одночасно знадобиться більше енергії, а також процесор буде значно сильніше нагріватися.
Тактова частота
Часто ми чуємо, що процесор має 3,2 ГГц чи 3,6 ГГц чи 4,0 ГГц. Що таке ГГЦ?
ГГц це абревіатура від слова Гігагерц. Приставка "гіга" означає "мільярд", а герці - це стандартна одиниця вимірювання частоти в мікроелектроніці, що в абревіатурі ГГЦ позначає "цикл в секунду". Таким чином, процесор із частотою 2 ГГц може виконувати 2 мільярди циклів за одну секунду.
Цей термін іноді замінюють аналогічним частота або тактова частота вашого процесора. Чим вище число, тим краще вибраний процесор.
Кеш процесора
Кеш мікропроцесора – це маленький блок усередині процесора, який зберігає трохи пам'яті. Щоразу, коли нам потрібно виконати якесь завдання, потік даних повинен перейти з ОЗУ в процесор. Процесор працює набагато швидше, ніж оперативна пам'ять, тому більшу частину часу процесор перебуває в режимі очікування і чекає на дані з ОЗУ. Щоб цей процес виконувався ефективно, ОЗУ постійно надсилає дані в кеш процесора.
У звичайних десктопних процесорах середнього класу у вашому розпорядженні близько 2-3 Мб кешу. У процесорах high-end рівня та спеціалізованих рішеннях для «важких» завдань – від 6 Мб та вище. Що більше кеш вашого процесора, то краще.
Літографія (техпроцес)
Літографія процесора або техпроцес, яким виготовлений кристал, пов'язані з розмірами використовуваних транзисторів. Зазвичай техпроцес вимірюється в нанометрах, і чим менше число, тим компактніший і енергоефективніший ваш процесор. Сучасна високотехнологічна літографія дозволяє збільшити кількість ядер в одному слоті та знизити споживання енергії.
Середній показник літографії актуальних процесорів коливається не більше 14-32 нм.
Thermal Design Power (TDP) або вимоги щодо тепловідведення
Цей показник є потужністю у ватах, яку розсіює процесор під час завантаження всіх ядер та базової частоти. Що нижче цей показник, то краще для процесора. Нижчий TDP дозволяє розганяти процесор до вищих частот, і означає, що виділяється менше тепла для розсіювання.
Стандартні десктопні процесори зазвичай споживають більше енергії і мають TDP в районі 40 Вт і вище, у той час як їх мобільні аналоги в 3 рази менші за енергію і майже на стільки ж холодніше.
Підтримка оперативної пам'яті
У рамках аналізу терміну архітектура ми вже згадували підтримку оперативної пам'яті. Але це справедливо лише для теорії. Максимальна кількість пам'яті, що підтримується, як правило обумовлено виробником в характеристиках процесора. Вони також містить інформацію про підтримуваної версії DDR.
Розгін (оверклокінг)
Ми вже говорили про тактову частоту, тож розгін, це збільшення тактової частоти процесора для більш високої продуктивності. Як правило, розгоном займаються геймери, користувачі, які використовують важкі програми для обробки відео або фотографій, і просто ентузіасти комп'ютерного заліза як свого роду розваги/змагання.
Розгін доступний більшості високопродуктивних процесорів, потрібен лише розблокований множник (коефіцієнт множення). Досвідчені оверклокери знають, навіть якщо множник заблокований, то розгін (підвищення частоти) можливий по шині, рахунок збільшення її частоти. Але! Якщо ви погано знайомі з точним налаштуванням показників процесора і не знаєте налаштування BIOS своєї материнської плати, робити розгін процесора вам не варто. Це не є безпечним і може призвести до поломки.
Hyper-Threading (Гіперпоточність або мультипоточність)
Коли стало очевидно, що додавання ядер не може залишатися найкращим рішенням для задоволення потреб у прискореній обробці, було винайдено технологію Hyper-Threading – віртуальні ядра процесора, що дозволяють втілити ідею мультипоточності.
У результаті, коли ми говоримо про двоядерний процесор з технологією Hyper-Threading це означає, що він має 2 фізичні ядра і 2 віртуальні ядра. Таким чином, технічно ви отримуєте чотириядерний процесор у корпусі двоядерного процесора.
Висновки
Процесори мають безліч характеристик і змінних, пов'язаних з ними. Ми знаємо, що процесор є ключовою частиною будь-якого сучасного цифрового пристрою. Тому перед вибором пристрою дуже важливо вивчити характеристики його процесора і врахувати всі перелічені властивості.
Для кращої продуктивності такі речі як частота, кількість ядер, кеш процесора повинні бути вищими, в той час як техпроцес, TDP повинні бути, чим нижче, тим краще.
Виставляйте правильні характеристики у системі фільтрів buyon.ru та вибирайте найкращий процесор для своєї системи.
Чи все ще є питання? Напишіть у коментарях!
Усі сучасні обчислювальні технології базуються з урахуванням напівпровідникової електронної техніки. Для її виробництва використовуються кристали кремнію – одного із найпоширеніших мінералів у складі нашої планети. З моменту відходу в минуле громіздких лампових систем та з розвитком транзисторних технологій цей матеріал зайняв важливе місце у виробництві обчислювальної техніки.
Центральні та графічні процесори, чіпи пам'яті, різні контролери – все це робиться на основі кремнієвих кристалів. Вже півстоліття основний принцип не змінюється, удосконалюються лише технології створення чіпів. Вони стають більш тонкими та мініатюрними, енергоефективними та продуктивними. Головним параметром, який удосконалюється, є техпроцес.
Практично всі сучасні чіпи складаються із кристалів кремнію, які обробляються методом літографії, з метою формування окремих транзисторів. Транзистор є ключовим елементом будь-якої інтегральної мікросхеми. Залежно від стану електричного поля він може передавати значення, еквівалентне логічній одиниці (пропускає струм) або нулю (виступає ізолятором). У чіпах пам'яті з допомогою комбінацій нулів і одиниць (положень транзистора) записуються дані, а процесорах – при перемиканні проводяться обчислення.
У 14-нм технології (порівняно з 22-нм) скорочено кількість бар'єрів, збільшена їх висота, зменшено відстань між діелектричними ребрами
Технологічний процес – це процедура та порядок виготовлення будь-якої продукції. В електронній промисловості, у загальноприйнятому значенні, це величина, яка вказує на роздільну здатність обладнання, що застосовується під час виробництва чіпів. Від неї також залежить розмір функціональних елементів, одержуваних після обробки кремнію (тобто, транзисторів). Чим чутливіше та точніше обладнання використовується для обробки кристалів під заготівлі процесорів – тим тоншим буде техпроцес.
Що означає числова величина техпроцесу
У сучасному напівпровідниковому виробництві найпоширеніша фотолітографія – витравлення елементів на кристалі, покритому діелектричною плівкою, за допомогою впливу світла. Саме роздільна здатність оптичного обладнання, що випромінює світло для витравлення, і є техпроцесом у загальноприйнятому тлумаченні цього слова. Це вказує, наскільки тонким може бути елемент на кристалі.
На що впливає техпроцес
Техпроцес безпосередньо позначається на кількості активних елементів напівпровідникової мікросхеми. Чим тонше техпроцес - тим більше транзисторів поміститься на певній площі кристала. Насамперед це означає збільшення кількості продукції з однієї заготівлі. По-друге – зниження споживання енергії: що тонше транзистор – то менше він витрачає енергії. Як результат, при рівній кількості та структурі розміщення транзисторів (а отже, і збільшення продуктивності) процесор менше витрачатиме енергію.
Мінусом переходу на тонкий техпроцес є подорожчання обладнання. Нові промислові агрегати дозволяють робити процесори краще та дешевше, але самі набирають у ціні. Як наслідок, лише великі корпорації можуть вкладати мільярди доларів у нове обладнання. Навіть такі відомі компанії, як AMD, Nvidia, Mediatek, Qualcomm або Apple, самостійно процесорів не роблять, довіряючи це завдання гігантам на кшталт TSMC.
Що дає зменшення техпроцесу
При зменшенні технологічного процесу виробник має можливість підняти швидкодію, зберігши колишні розміри чіпа. Наприклад, перехід із 32 нм на 22 нм дозволив удвічі збільшити щільність транзисторів. Як наслідок, на тому ж кристалі, що раніше, стало можливим розміщення не чотирьох, а вже восьми ядер процесора.
Для користувачів головна перевага полягає у зниженні енергоспоживання. Чіпи на тоншому техпроцесі вимагають менше енергії, виділяють менше тепла. Завдяки цьому можна спростити систему живлення, зменшити кулер, менше уваги приділити обдуву компонентів.
Техпроцес процесорів на смартфонах
Смартфони вимогливі до апаратних ресурсів та швидко витрачають заряд акумулятора. Тому, для уповільнення витрати розряду, розробники процесорів для мобільних пристроїв намагаються впроваджувати у виробництво найновіші техпроцеси. Наприклад, колись популярні двоядерники MediaTek MT6577 вироблялися за техпроцесом 40 нм, а Qualcomm Snapdragon 200 ранніх серій виготовлялися за 45-нанометровою технологією.
У 2013-2015 роках основним техпроцесом для чипів, що використовуються у смартфонах, став 28 нм. MediaTek (аж до Helio X10 включно), Qualcomm Snapdragon серій S4, 400, а також моделі 600, 602, 610, 615, 616 та 617 – це все 28 нм. Він же використовувався і при виготовленні Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. «Гарячий» Snapdragon 810, що цікаво, був виконаний більш тонким техпроцесом 20 нм, але це йому не сильно допомогло.
Apple у своєму A7 (iPhone 5S) теж обходилася 20-нанометровою технологією. У Apple A8 для шостого Айфона застосували 20 нм, а моделі A9 (для 6s і SE) вже використовується новий 16 нм технологічний процес. У 2013-2014 роках Intel робили свої Atom Z3xxx за 22-нанометровою технологією. З 2015 року у виробництво запустили чіпи із 14 нм.
Наступним кроком у розвитку процесорів для смартфонів є повсюдне освоєння техпроцесів 14 та 16 нм, а далі варто очікувати 10 нм. Першими екземплярами на ньому можуть стати Qualcomm Snapdragon 825, 828 та 830.
