Из чего процессор сделан: Из чего состоит процессор компьютера и как он работает |

Содержание

Устройство процессора, из чего состоит процессор компьютера

Сейчас полно информации в интернете по теме процессоров, можно найти кучу статей о том как он работает, где в основном упоминаются регистры, такты, прерывания и прочее…Но, человеку не знакомому со всеми этими терминами и понятиями достаточно трудно вот так «с лету» вникнуть в понимание процесса, а начинать надо с малого — а именно с элементарного понимания как устроен процессор и из каких основных частей он состоит.

Итак, что же окажется внутри микропроцессора, если его разобрать:

цифрой 1 обозначается металлическая поверхность (крышка) микропроцессора, служащая для отвода тепла и защиты от механических повреждений того, что находится за этой крышкой (тоесть внутри самого процессора).

Под номером 2 — находится сам кристалл, по факту являющийся самой важной и дорогой в изготовлении частью микропроцессора. Именно благодаря этому кристаллу происходят все вычисления (а это и есть самая главная функция процессора) и чем он сложнее, чем совершенней — тем мощнее получается процессор и тем дороже соответственно. Кристалл изготавливается из кремния. На самом деле процесс изготовления очень сложный и содержит в себе десятки шагов, подробнее в этом видео:

Цифра 3 — специальная текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные части процессора, кроме того она играет роль контактной площадки — на ее обратной стороне есть большое количество золотистых «точек» — это контакты (на рисунке их немного видно). Благодаря контактной площадке (подложке) обеспечивается тесное взаимодействие с кристаллом, ибо напрямую хоть как нибудь воздействовать на кристалл не представляется возможным.

Крышка (1) крепится к подложке (3) с помощью клея-герметика, устойчивого к высоким температурам. Между кристаллом (2) и крышкой нет воздушного зазора, его место занимает термопаста, при застывании из нее получается «мостик» между кристаллом процессора и крышкой, благодаря чему обеспечивается очень хороший отток тепла.

Кристалл соединяется с подложкой с помощью пайки и герметика, контакты подложки соединяются с контактами кристалла. На этом рисунке наглядно показано как соединяются контакты кристалла с контактами подложки при помощи очень тонких проводков (на фото 170-кратное увеличение):

Вообще устройство процессоров разных производителей и даже моделей одного производителя может сильно разниться. Однако принципиальная схема работы остается прежней — у всех есть контактная подложка, кристалл (или несколько, расположенных в одном корпусе) и металлическая крышка для отвода тепла.

Так например выглядит контактная подложка процессора Intel Pentium 4 (процессор перевернут):

Форма контактов и структура их расположения зависит от сокета процессора и материнской платы компьютера (сокеты должны совпадать). Например на рисунке чуть выше контакты у процессора без «штырьков», поскольку штырьки находятся прямо в сокете материнской платы.

А бывает другая ситуация, где «штырьки» контактов торчат прямо из контактной подложки. Эта особенность характерна в основном для процессоров AMD:

Как уже упоминалось выше, устройство разных моделей процессоров одного производителя может различаться, перед нами яркий тому пример — четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad, который по сути представляет собой 2 двухъядерных процессора линейки core 2 duo, совмещенных в одном корпусе:

Важно! Количество кристаллов внутри процессора и количество ядер процессора — не одно и то же.

В современных моделях процессоров Intel умещается сразу 2 кристалла (чипа). Второй чип — графическое ядро процессора, по-сути играет роль встроенной в процессор видеокарты, тоесть даже если в системе отсутствует видеокарта, графическое ядро возьмет на себя роль видеокарты, причем довольно мощной (в некоторых моделях процессоров вычислительная мощь графических ядер позволяет играть в современные игры на средних настройках графики).

Вот и все устройство центрального микропроцессора, вкратце конечно же.

Как работает процессор: простыми словами о сложном

Все современное оборудование, от беспроводных наушников до сложнейших рабочих станций работает под управлением процессора. Каждый из нас знает, что процессор – это мозг устройства, он принимает команды от пользователя, делает вычисления и предоставляет результаты.

Но в тонкостях работы разбираются единицы. В этой статье мы постараемся доступно устранить подобный пробел в знаниях.

Транзисторы и кодирование информации

О том, что первые компьютеры занимали целые комнаты и даже отдельные здания, вы наверняка знаете. Вычисления они производили при помощи электромеханических реле и вакуумных ламп. Революция произошла в 60 годах, когда появились первые кремниевые транзисторы. Позже на их основе были разработаны интегральные монолитные схемы – прототипы современных процессоров.

В основе каждого транзистора находится кремниевая структура. Поскольку кремний – материал, обладающий свойствами полупроводника, в зависимости от условий он может пропускать электрический ток или нет. Прошедший заряд – это единица, отсутствие заряда – ноль. Именно с помощью этих двух значений строится бинарный код, с помощью которого компьютер общается с пользователем. Другую информацию он воспринимать не способен.

И 1, и 0 – это 1 бит информации, 8 бит – составляют байт. При помощи 8-значной комбинации нулей и единиц можно закодировать любое число от 0 до 255. И уже при помощи этих комбинаций присвоить соответствующие коды любым понятиям, значениям и явлениям.

Для того, чтоб процессор понимал пользователя, были придуманы логические вилки (операторы). Мы все их знаем из курса информатики в школе: и/или, если/то/иначе. Такие команды позволяют компьютеру исходя из заданных условий принимать решения.

Что такое техпроцесс?

Производительность процессора в рамках одной серии или семейства напрямую зависит от количества транзисторов: чем больше транзисторов, тем больше комбинаций составляется в единицу времени, и тем больше вычислений производит устройство.

У первого процессора Intel 4004, вышедшего в 1971 году было 2250 транзисторов. Pentium 4 вмещал 42 млн транзисторов. Современные процессоры Epyc от AMD оснащены 39,54 миллиардами кремниевых транзисторов.

С размером транзисторов тесно связано понятие – техпроцесс.

Техпроцесс каждый из производителей диктует по своему. Кто-то размером транзистора целиком, кто-то размером только одной части – затвора. Третий вариант, который будет самым правильным – размер шага при производстве, то есть минимальным размером элемента, которым может оперировать разработчик при построении схемы. Так-же следует учесть, что производители указывают наименьший элемент, тогда как некоторые электронные элементы, от которых невозможно отказаться могут иметь размеры в десятки раз больше.

Тактовая частота

Это понятие зачастую является определяющим при покупке процессора.

Заряды проходящие через транзисторы создает тактовый генератор. Количество импульсов в единицу времени определяет скорость работы процессора. Однако он есть не в каждом процессоре. Может встречаться и другая конфигурация: на плате есть один или несколько тактовых генераторов, и они-же могут быть опционально включены в микропроцессоры.

Обязательный элемент каждого процессора – частотный резонатор, он дает корректный отклик на запрос в случае исправности, или не дает, что сообщает системе о неисправности элемента.

В основе каждого генератора имеется кварцевый кристалл. Он генерирует импульс с частотой около 100 МГц. На текущий момент могут еще довольно часто встречаться генераторы с частотой 33 МГц, особенно на дискретных контроллерах, например звуковых платах, sata/hba адаптерах и интерфейсных usb/com расширителях. Чтоб увеличить частоту, генерируемые кварцем колебания проходят через специальные узлы – множители. Они позволяют повысить частоты при пиковых нагрузках или снизить их, если нагрузка уменьшается или компьютер находится в простое.

Кстати, множители – это те самые узлы, которые отвечают за динамическое увеличение частоты в нагрузке и ее снижении в простое. Также они могут позволять разгон в случае отсутствия на них блокировки на повышение сверх штатного значения. Подробнее с этой темой можно ознакомиться в нашей статье.

У процессоров с разблокированным множителем пользователь по собственному желанию может увеличить тактовые частоты. Современные процессоры могут разгоняться на 20 – 30 % и даже больше.

Архитектура

Архитектура процессора – это компоновка транзисторов. Транзисторы объединяются в массивы – ядра. Каждое ядро в процессоре может независимо от других выполнять различные задачи, для этого регулярно повторяется следующий цикл действий:

Получение информации.

Раскодирование.

Выполнение вычисления.

Фиксация результата.

Вычисления выполняются по специальным алгоритмам и инструкциям, которые хранятся во временной памяти процессора.

Чтоб увеличить производительность процессора, современные компьютерные ядра делятся на 2 потока. Каждый поток занимается выполнением отдельных вычислений, обеспечивая процессору многозадачность и уменьшая очереди задач.

Кэш: зачем процессору собственная память?

Жесткие и твердотельные диски, а также оперативная память работают недостаточно быстро, чтоб обеспечить все нужды процессора. Поэтому каждый микрочип оснащен собственной сверхбыстрой кэш-памятью, хранящей данные с которыми в конкретный момент, работает процессор. Также в кэш-памяти размещаются инструкции по выполнению конкретных задач.

Что такое система на чипе?

Современные процессоры для телефонов, планшетов и ноутбуков уже давно перестали быть отдельными вычислительными центрами, специализирующимися на выполнении конкретных задач. Современный процессор – это целая система, которая включает собственно блоки для выполнения задач – ядра, а также модуль для отрисовки изображений – графический адаптер. Роль ядер выполняют исполнительные блоки, которых значительно больше, чем в CPU, и которые параллельно выполняют миллионы задач. Также некоторые системы могут содержать и дополнительные опции, например, центр беспроводного соединения 5G или технологию передачи данных Thunderbolt.

Intel показывает, как делают ЦП

Перейти к основному содержанию

Tom’s Hardware поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Ваш процессор появился из песка

Песок. Состоящий из 25 процентов кремния, он является вторым после кислорода наиболее распространенным химическим элементом в земной коре. Песок, особенно кварц, содержит большое количество кремния в форме диоксида кремния (SiO2) и является основным ингредиентом для производства полупроводников.

Очистка и выращивание

После получения необработанного песка и отделения кремния излишки материала утилизируются, а кремний очищается в несколько этапов, чтобы, наконец, достичь качества производства полупроводников, которое называется кремнием электронного класса. Полученная чистота настолько высока, что в кремнии электронного качества может быть только один чужеродный атом на каждый миллиард атомов кремния. После процесса очистки кремний переходит в фазу плавления. На этой картинке вы можете видеть, как из расплава очищенного кремния вырастает один большой кристалл. Полученный монокристалл называется слитком.

Большой слиток

Монокристаллический слиток изготовлен из кремния электронного класса. Один слиток весит примерно 100 кг (или 220 фунтов) и имеет чистоту кремния 99,9999%.

Нарезка слитков

Затем слиток перемещается на стадию нарезки, где отдельные кремниевые диски, называемые пластинами, тонко нарезаются. Некоторые слитки могут стоять выше пяти футов. Существует несколько разных диаметров слитков в зависимости от требуемого размера пластины. Сегодня процессоры обычно изготавливаются на пластинах диаметром 300 мм.

Полировка пластин

После резки пластины полируются до безупречной зеркально-гладкой поверхности. Intel не производит собственные слитки и пластины, а вместо этого покупает готовые к производству пластины у сторонних компаний. В передовом 45-нм техпроцессе Intel High-K/Metal Gate используются пластины диаметром 300 мм (или 12 дюймов). Когда Intel впервые начала производить микросхемы, она печатала схемы на 50-миллиметровых (2-дюймовых) пластинах. В настоящее время Intel использует пластины диаметром 300 мм, что снижает затраты на один чип.

Нанесение фоторезиста

Голубая жидкость, изображенная выше, представляет собой отделку фоторезиста, аналогичную той, что используется в фотопленке. Пластина вращается на этом этапе, чтобы обеспечить равномерное покрытие, гладкое и очень тонкое.

Воздействие УФ-излучения

На этом этапе фотостойкое покрытие подвергается воздействию ультрафиолетового (УФ) света. Химическая реакция, вызванная ультрафиолетовым излучением, аналогична той, что происходит с материалом пленки в камере в тот момент, когда вы нажимаете кнопку спуска затвора.

Области резиста на пластине, подвергшиеся воздействию УФ-излучения, становятся растворимыми. Экспонирование осуществляется с помощью масок, которые действуют как трафареты. При использовании с УФ-светом маски создают различные узоры цепей. По сути, при построении ЦП этот процесс повторяется снова и снова, пока несколько слоев не будут наложены друг на друга.

Линза (в центре) уменьшает изображение маски до небольшого фокуса. Полученный «отпечаток» на пластине обычно в четыре раза меньше, чем рисунок на маске.

Подробнее Разоблачение

На картинке показано, как выглядел бы один транзистор, если бы мы могли видеть его невооруженным глазом. Транзистор действует как переключатель, контролирующий поток электрического тока в компьютерной микросхеме. Исследователи Intel разработали транзисторы настолько маленькие, что, по их утверждению, примерно 30 миллионов из них могут поместиться на булавочной головке.

Промывка фоторезиста

После воздействия УФ-света открытые участки синего фоторезиста полностью растворяются в растворителе. Это показывает рисунок фоторезиста, созданный маской. С этой точки начинают расти зачатки транзисторов, межсоединений и других электрических контактов.

Травление

Слой фоторезиста защищает материал пластины, который нельзя стравливать. Обнаженные участки будут вытравлены химическими веществами.

Удаление фоторезиста

После травления фоторезист удаляется, и желаемая форма становится видимой.

Текущая страница:
Страница 1

Следующая страница Страница 2

Tom’s Hardware является частью Future US Inc, международной медиа-группы и ведущего цифрового издателя. Посетите наш корпоративный сайт (откроется в новой вкладке).

Как песок становится кремнием? Объяснение производства ЦП

Мир работает на информации, и человечество создает примерно 2,5 миллиона терабайт данных в день. Однако все эти данные бесполезны, если мы не можем их обработать, поэтому, возможно, одна из вещей, без которых современный мир не может жить, — это процессоры.

Но как сделать процессор? Почему это современное чудо? Как производитель может разместить миллиарды транзисторов в таком маленьком корпусе? Давайте углубимся в то, как Intel, один из крупнейших мировых производителей чипов, создает ЦП из песка.

Основной ингредиент любого процессора, кремний, добывается из песка пустыни. Этот материал в изобилии встречается в земной коре и состоит примерно на 25-50% из диоксида кремния. Он обрабатывается для отделения кремния от всех других материалов в песке.

Обработка повторяется несколько раз, пока производитель не создаст образец с чистотой 99,9999%. Затем очищенный кремний выливается в цилиндрический слиток электронного качества. Диаметр цилиндра составляет 300 мм, а вес около 100 кг.

Затем производитель нарезает слиток на пластины толщиной 925 микрометров. После этого он полируется до зеркального блеска, удаляя все изъяны и дефекты на его поверхности. Эти готовые пластины затем отправляются на завод Intel по производству полупроводников для превращения из пластины кремния в высокотехнологичный компьютерный мозг.

Шоссе FOUP

Поскольку процессоры являются высокоточными деталями, их основа из чистого кремния не должна загрязняться ни до, ни во время, ни после производства. Здесь на помощь приходят открывающиеся спереди унифицированные контейнеры (FOUP). Эти автоматизированные контейнеры вмещают 25 пластин одновременно, сохраняя их в безопасном месте в помещении с контролируемой средой при транспортировке пластин между машинами.

Кроме того, каждая пластина может проходить одни и те же шаги сотни раз, иногда переходя из одного конца здания в другой. Весь процесс встроен в машины, так что FOUP знает, куда идти для каждого шага.

Кроме того, FOUP перемещаются по монорельсам, подвешенным к потолку, что позволяет им максимально быстро и эффективно перемещать деталь с одного производственного этапа на другой.

Фотолитография

Источник изображения: Chaiken/Wikimedia Commons

В процессе фотолитографии используется фоторезист для печати рисунков на кремниевой пластине. Фоторезист — это прочный, светочувствительный материал, похожий на то, что вы найдете на пленке. После этого пластина подвергается воздействию ультрафиолетового света с маской рисунка процессора.

Маска обеспечивает экспонирование только тех мест, которые они хотят обработать, оставляя фоторезист в этой области растворимым. После того, как рисунок полностью отпечатан на кремниевой пластине, он проходит через химическую ванну, чтобы удалить весь экспонированный фоторезист, оставив образец чистого кремния, который пройдет следующие этапы процесса.

Ионная имплантация

Этот процесс, также известный как легирование, включает атомы различных элементов для улучшения проводимости. После завершения первоначальный слой фоторезиста удаляется и наносится новый, чтобы подготовить пластину к следующему шагу.

Офорт

После очередного этапа фотолитографии кремниевая пластина направляется на травление, где начинают формироваться транзисторы процессора. Фоторезист наносится на участки, где кремний должен остаться, а участки, которые необходимо удалить, химически травятся.

Оставшийся материал медленно становится каналами транзисторов, по которым электроны перетекают из одной точки в другую.

Депонирование материала

После создания каналов кремниевая пластина возвращается в фотолитографию для добавления или удаления слоев фоторезиста по мере необходимости. Затем он переходит к нанесению материала. Различные слои различных материалов, таких как диоксид кремния, поликристаллический кремний, диэлектрик high-k, различные металлические сплавы и медь, добавляются и травятся для создания, доработки и соединения миллионов транзисторов на чипе.

Химическая механическая планаризация

Каждый слой процессора подвергается химико-механической планаризации, также известной как полировка, для удаления лишнего материала. После удаления самого верхнего слоя обнажается лежащий в основе медный узор, что позволяет производителю создавать дополнительные медные слои для соединения различных транзисторов по мере необходимости.

Хотя процессоры выглядят невероятно тонкими, они обычно имеют более 30 слоев сложной схемы. Это позволяет ему обеспечивать вычислительную мощность, необходимую для современных приложений.

Тестирование, нарезка и сортировка

Кремниевая пластина может пройти все вышеперечисленные процессы для создания процессора. Как только кремниевая пластина завершит этот путь, она начнет тестирование. Этот процесс проверяет каждую созданную деталь на пластине на функциональность — работает она или нет.

После этого пластина разрезается на части, называемые штампом. Затем он сортируется, и годные матрицы отправляются на упаковку, а неисправные выбрасываются.

Превращение кремниевого кристалла в процессор

Этот процесс, называемый упаковкой, превращает штампы в процессоры. Подложка, обычно печатная плата, и теплораспределитель помещаются на кристалл для формирования процессора, который вы покупаете. Подложка — это место, где кристалл физически соединяется с материнской платой, а теплоотвод взаимодействует с охлаждающим вентилятором ЦП с постоянным током или ШИМ.

Тестирование и контроль качества

Готовые процессоры снова тестируются, но на этот раз на производительность, мощность и функциональность. Этот тест определяет, какой это будет чип — хорошо ли это быть i3, i5, i7 или i9.процессор. Затем процессоры соответствующим образом группируются для розничной упаковки или помещаются в лотки для доставки производителям компьютеров.

Микроскопически маленький, но невероятно сложный

Процессоры кажутся простыми снаружи, но на самом деле они невероятно сложны. Производство процессоров занимает от двух с половиной до трех месяцев непрерывной работы 7 дней в неделю. И, несмотря на то, что за этими чипами стоит высокоточная инженерия, нет никакой гарантии, что они получат идеальную пластину.