فرادرسCPU چگونه ساخته می‌شود؟ – به زبان ساده
با این که طرز کار پردازنده مرکزی یا CPU ممکن است شبیه معجزه به نظر برسد؛ اما در واقع نتیجه ده‌ها سال کار مهندسی هوشمندانه است. از زمانی که ترانزیستورها به عنوان بلوک‌های سازنده هر ریزتراشه‌ای وارد مقیاس میکروسکوپی شدند، روش‌های ساخت آن‌ها نیز رفته رفته پیچیده‌تر شده است.
لیتوگرافی نوری
ترانزیستورها اینک چنان کوچک شده‌اند که سازندگان عملاً با استفاده از روش‌های معمول نمی‌توانند آن‌ها را بسازند. با این که ماشین‌های تراشکاری دقیق و حتی پرینترهای سه‌بعدی می‌توانند محصولات بسیار ظریفی را تولید کنند؛ اما دقت همگی آن‌ها در سطوحی بالاتر از میکرومتر است و برای مقیاس‌های نانومتر که تراشه‌های امروزی ساخته می‌شوند مناسب نیستند.
لیتوگرافی نوری با حذف نیاز به حرکت دادن ماشین‌آلات پیچیده با دقتی بسیار بالا، این مشکل را رفع کرده است. به جای آن ما از حکاکی نوری یک تصویر روی تراشه استفاده می‌کنیم که مانند یک پروژکتور سقفی قدیمی عمل می‌کند که احتمالاً در کلاس‌های درس مشاهده کرده‌اید. اما طرز کار لیتوگرافی نوری بر عکس پروژکتور است، یعنی نسخه مورد نظر را با دقت مطلوب تا مقیاس مورد نیاز کوچک می‌کند.
تصویر روی ویفر سیلیکونی که در آزمایشگاه‌های کنترل شده با دقت بسیار بالایی ماشین‌کاری شده است انعکاس می‌یابد، چون هر ذره کوچک غبار روی ویفر می‌تواند به معنی از دست رفتن هزاران دلار باشد. ویفر به وسیله ماده‌ای که «مقاوم به نور» (Photoresist) است ساخته می‌شود. این ماده به نور واکنش می‌دهد و در طی این واکنش از بین می‌رود و یک تصویر حکاکی شده از CPU به دست می‌آید که به وسیله مس پر می‌شود یا آلاییده (doped) می‌شود تا ترانزیستور ساخته شود. این فرایند سپس بارها تکرار می‌شود تا یک CPU شبیه به طرز کار پرینتر 3 بعدی که لایه‌های پلاستیک را روی هم قرار می‌دهد ساخته شود.
مشکلات لیتوگرافی نوری در مقیاس نانو
همه تلاش ما در طی سال‌های اخیر، در جهت کاهش اندازه ترانزیستورها بوده است تا بتوانیم تعداد بیشتری را در فضای مشخص جای دهیم و بدین ترتیب سرعت و عملکرد پردازنده‌ها را افزایش دهیم؛ اما کوچک کردن ترانزیستورها در صورتی که عملاً کار نکنند چه فایده‌ای می‌تواند داشته باشد؟ واقعیت این است که مقیاس نانو مشکلات زیادی در فیزیک ایجاد می‌کنند. یکی از وظایف ترانزیستورها قطع جریان الکتریسیته در موارد مقتضی است؛ اما امروزه ترانزیستورها آن قدر کوچک شده‌اند که الکترون‌ها می‌توانند از میان آن‌ها عبور کنند. این وضعیت «تونل‌زنی کوانتومی» (quantum tunneling) نام دارد و یک مشکل عمده برای مهندسان سیلیکون (نیمه‌رساناها) محسوب می‌شود.
نقص‌ها نیز یک مشکل دیگر محسوب می‌شوند. حتی لیتوگرافی نوری نیز سقفی برای میزان دقت خود دارد. این وضعیت شبیه به مشاهده یک تصویر تار از پروژکتور است که وقتی به اندازه کافی متمرکز نشده باشد واضح دیده نمی‌شود. در حال حاضر سازندگان تلاش می‌کنند که این اثر را با بهره‌گیری از لیزر در اتاقک خلأ و با استفاده از نور با انرژی بالاتر فرابنفش که طول موج بالاتری نسبت به نوری که ما می‌توانیم ببینیم دارد، مرتفع سازند. اما مشکل با کوچک‌تر شدن اندازه همچنان بر جای خود باقی است.
نقایص ساخت در برخی موارد با استفاده از فرایندی به نام binning قابل کاهش هستند. اگر یک نقص در یکی از هسته‌های CPU وجود داشته باشد، دیگر قابل استفاده نیست و آن پردازنده به عنوان ضایعات خط تولید با قیمت کمتری فروخته می‌شود. در واقع اغلب CPU –ها با استفاده از نقشه اولیه مشابهی ساخته می‌شوند؛ اما هسته‌های دارای مشکلی دارند که باعث می‌شود غیرفعال شوند و با قیمت کمتری به فروش برسند. اگر این نقص در قسمت کش یا دیگر اجزای ضروری رخ دهد، آن تراشه باید دور انداخته شود که موجب کاهش یافتن بازده تولید و افزایش قیمت محصول تمام شده می‌شود. بنابراین تراشه‌های جدیدتری که شرکت‌های تولیدکننده می‌سازند، مانند تراشه‌های 7 و 10 نانومتری نرخ نقایص بالاتری خواهند داشت و در نتیجه گران‌قیمت‌تر خواهند بود.
بسته‌بندی
بسته‌بندی CPU برای استفاده مشتری چیزی بیش از قرار دادن آن داخل یک جعبه با مقداری فوم است. زمانی که کار ساخت یک CPU پایان می‌یابد، این تراشه همچنان بی‌استفاده است، مگر این که به بقیه سیستم خود وصل شود. فرایند «بسته‌بندی» به روشی گفته می‌شود که تراشه سیلیکونی ظریف به یک PCB که اغلب افراد آن را به نام CPU می‌شناسند متصل شود.
این فرایند نیازمند دقت بسیار بالایی است؛ اما دقت مورد نیاز به اندازه مراحل قبلی هم نیست. قرص CPU روی صفحه سیلیکونی سوار می‌شود و اتصال‌های الکتریکی برای همه پین‌هایی که با مادربورد اتصال خواهند یافت برقرار می‌شوند. CPU-های مدرن می‌توانند هزاران پین داشته باشند. برای نمونه CPU-های پیشرفته تریادریپر (Threadripper) متعلق به شرکت AMD دارای 4094 پین هستند.
از آنجا که CPU گرمای زیادی تولید می‌کند، باید در برابر گرما نیز مقاوم‌سازی شود و از این رو یک «پراکنده ساز یکپارچه حرارت» (Integrated Heat Spreader) روی آن سوار می‌شود. این صفحه با دیسک CPU در تماس است و گرما را به یک خنک‌کننده ارسال می‌کند که روی آن سوار شده است. در برخی موارد از خمیر حرارتی استفاده می‌شود چون ممکن است این اتصال به خوبی صورت نگرفته باشد.
زمانی که همه چیز در کنار هم قرار گرفت، اینک در بسته‌های واقعی بسته‌بندی می‌شود و آماده ارسال به فروشگاه‌ها و نصب روی رایانه‌های آینده است. با توجه به فرایند بسیار پیچیده ساخت CPU–ها اینک بهتر متوجه می‌شویم که چرا قیمت آن‌ها تا این حد بالا است.
اگر این نوشته برای شما مفید بوده است، آموزشهای زیر به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزشهای علوم کامپیوتر
- آموزش طراحی کامپیوتر پایه (بر اساس کتاب مانو) در معماری کامپیوتر
- مجموعه آموزشهای دروس مهندسی کامپیوتر
- چگونه CPU و مادربرد رایانه خود را تعویض کنیم؟ — راهنمای مصور و آسان
- مفهوم فناوری ۷ نانومتری و 1۰ نانومتری در CPU — به زبان ساده
- CPU چگونه کار می کند؟ — به زبان ساده
- اورکلاک سی‌پی‌یو — یک راهنمای کامل برای افراد مبتدی
==
