Современные микропроцессоры - одни из сложнейших устройств, изготавливаемых человеком. Производство полупроводникового кристалла намного более ресурсоемко, чем, скажем, возведение многоэтажного дома или организация крупнейшего выставочного мероприятия. Однако благодаря массовому выпуску CPU в денежном эквиваленте мы этого не замечаем, да и редко кто задумывается обо всей грандиозности элементов, занимающих столь видное место внутри системного блока. Мы решили изучить детали производства процессоров и поведать о них в данном материале. Благо в Сети сегодня достаточно информации на эту тему, а специализированная подборка презентаций и слайдов корпорации Intel позволяет выполнить поставленную задачу максимально наглядно. Предприятия других гигантов полупроводниковой индустрии работают по тому же принципу, поэтому с уверенностью можно сказать, что все современные микросхемы проходят идентичный путь создания.

Первое, о чем стоит упомянуть, - строительный материал для процессоров. Кремний (англ. silicon) - второй после кислорода наиболее распространенный элемент на планете. Он является природным полупроводником и используется как основной материал для производства чипов всевозможных микросхем. Больше всего кремния содержится в обычном песке (особенно кварце) в виде диоксида кремния (SiO2).

Впрочем, кремний - не единственный материал. Самый близкий его родственник и заменитель - германий, однако в процессе совершенствования производства ученые выявляют хорошие полупроводниковые свойства у соединений других элементов и готовятся опробовать их на практике или уже это делают.

1 Кремний проходит многоступенчатый процесс очистки: сырье для микросхем не может содержать больше примесей, чем один чужеродный атом на миллиард.

2 Кремний расплавляют в специальной емкости и, опустив внутрь постоянно охлаждаемый вращающийся стержень, «наматывают» на него благодаря силам поверхностного натяжения вещество.

3 В итоге получаются продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, каждая массой около 100 кг.

4 Заготовку нарезают на отдельные кремниевые диски - пластины, на которых будут расположены сотни микропроцессоров. Для этих целей используются станки с алмазными режущими дисками или проволочно-абразивные установки.

5 Подложки полируют до зеркального блеска, чтобы устранить все дефекты на поверхности. Следующий шаг - нанесение тончайшего фотополимерного слоя.

6 Обработанная подложка подвергается воздействию жесткого ультрафиолетового излучения. В фотополимерном слое происходит химическая реакция: свет, проходя через многочисленные трафареты, повторяет рисунки слоев CPU.

7 Реальный размер наносимого изображения в несколько раз меньше собственно трафарета.

8 Участки, «протравленные» излучением, вымываются. На кремниевой подложке получается рисунок, который затем подвергается закреплению.

9 Следующий этап изготовления одного слоя - ионизация, в процессе которой свободные от полимера участки кремния бомбардируются ионами.

10 В местах их попадания изменяются свойства электрической проводимости.

11 Оставшийся полимер удаляют, и транзистор почти готов. В изолирующих слоях делаются отверстия, которые благодаря химической реакции заполняются атомами меди, используемыми в качестве контактов.

12 Соединение транзисторов представляет собой многоуровневую разводку. Если взглянуть в микроскоп, на кристалле можно заметить множество металлических проводников и помещенных между ними атомов кремния или его современных заменителей.

13 Часть готовой подложки проходит первый тест на функциональность. На этом этапе на каждый из выбранных транзисторов подается ток, и автоматизированная система проверяет параметры работы полупроводника.

14 Подложка с помощью тончайших режущих кругов разрезается на отдельные части.

15 Годные кристаллы, полученные в результате данной операции, используются в производстве процессоров, а бракованные отправляются в отходы.

16 Отдельный кристалл, из которого будет сделан процессор, помещают между основанием (подложкой) CPU и теплорас-пределительной крышкой и «упаковывают».

17 В ходе окончательного тестирования готовые процессоры проверяются на соответствие требуемым параметрам и лишь затем сортируются. На основании полученных данных в них прошивается микрокод, позволяющий системе должным образом определить CPU.

18 Готовые устройства упаковываются и направляются на рынок.

Интересные факты о процессорах и их производстве

«Силиконовая долина» (Silicon Valley, США, Калифорния)

Получила свое название благодаря основному строительному элементу, использующемуся в производстве микрочипов.

«Почему пластины для производства процессоров круглые?» - наверняка спросите вы.

Для производства кремниевых кристаллов применяется технология, позволяющая получать только цилиндрические заготовки, которые затем режутся на части. До сих пор еще никому не удавалось изготовить квадратную пластину, лишенную дефектов.

Почему микрочипы квадратные?

Именно такая литография позволяет использовать площадь пластины с максимальной эффективностью.

Зачем процессорам столько ножек/контактов?

Помимо сигнальных линий каждый процессор для работы нуждается в стабильном питании. При энергопотреблении порядка 100-120 Вт и низком напряжении через контакты может протекать ток силой до 100 А. Значительная часть контактов CPU выделена именно под систему питания и дублируется.

Утилизация отходов производства

Раньше дефектные пластины, их остатки и бракованные микрочипы шли в отходы. На сегодняшний день ведутся разработки, позволяющие использовать их в качестве основы для производства солнечных батарей.

«Костюм кролика».

Такое название получил комбинезон белого цвета, который обязаны носить все рабочие производственных помещений. Делается это для поддержания максимальной чистоты и защиты от случайного попадания частиц пыли на производственные установки. «Костюм кролика» впервые был использован на фабриках по производству процессоров в 1973 году и с тех пор стал общепринятым стандартом.

99,9999%

Для производства процессоров пригоден только кремний высочайшей степени чистоты. Заготовки очищают спецхимией.

300 мм

Таков диаметр современных кремниевых пластин для производства процессоров.

1000 раз

Именно настолько чище воздух в помещениях фабрик для производства чипов, чем в операционной.

20 слоев

Процессорный кристалл очень тонкий (меньше миллиметра), но в нем умещаются более 20 слоев сложнейших структурных объединений транзисторов, которые выглядят как многоуровневые хайвеи.

2500

Именно столько кристаллов процессора Intel Atom (имеют наименьшую площадь среди cовременных CPU) размещаются на одной 300-миллиметровой пластине.

10 000 000 000 000 000 000

Сто квинтиллионов транзисторов в виде структурных элементов микрочипов отгружаются с фабрик каждый год. Это приблизительно в 100 раз больше, чем оценочное количество муравьев на планете.

A

Стоимость производства одного транзистора в процессоре сегодня равна цене печати одной буквы в газете.

В процессе подготовки статьи использовались материалы с официального веб-сайта корпорации Intel, www.intel.ua

Есть несколько популярных производителей процессоров для планшетов и смартфонов (мобильных компьютеров). Центральный процессор производит все вычисления в компьютерном аппарате, а тек же он производит обработку информации. В основном от процессора зависит производительность всей системы, но есть и другие компоненты, влияющие на итоговую производительность. От марки центрального процессора сильно зависит цена всего аппарата, выбирая производительный чип будьте готовы и заплатить за него не малые деньги.

Центральный процессор мобильных компьютеров представляет собой систему на чипе, включающую в себя и видеопроцессор, и модем, и различные контролеры и др. Такой чип имеет аббревиатуру SoC (System-on-a-Chip) – система на кристалле.

Немаловажным фактором производительности всего устройства является программное обеспечение. Операционная система и установленные приложения, которые рационально используют возможности центрального процессора могут значительно повысить производительность компьютера.

Qualcomm

Это американская компания, которая основана еще в 1985 году Ирвином Якобсом, Франклином Антонио и др.

Первый процессор фирмы Qualcomm сделан в 2005 году, лицензировав у компании ARM её процессорное ядро Cortex A8, компания Qualcomm разработала на его основе собственный микропроцессор для мобильных телефонов на ядре Scorpion. Чип полностью поддерживает набор инструкций ARMv7, используемый в Cortex A8, но является доработанным по сравнению с базовым ядром ARM. Scorpion работает на более высокой частоте, 1 ГГц и потребляет при этом вдвое меньше электроэнергии. Процессор выпускается по технологии 65 нм.

Сегодня лучшие чипы этой компании называются Snapdragon, самая новая разработка Qualcomm идет под маркой Snapdragon 810 . Этот чип имеет 8 ядер и работает на частоте 2 ГГц.

MediaTek

MediaTek Inc. - полупроводниковая компания, занимающаяся разработкой компонентов для беспроводной связи, оптических систем хранения данных, GPS, HDTV, DVD. Компания основана 28 мая 1997 года. Штаб-квартира расположена в Индустриальном и научном парке Синьчжу (Тайвань); подразделения существуют в Китае, Дании, ОАЭ, Индии, Японии, Южной Корее, Сингапуре, Великобритании, США и Швеции.

MediaTek не имеет собственных производственных мощностей и все производство организовано на заводах других фирм. Разрабатывает системы на кристалле для связи, HDTV, цифрового телевидения, DVD, GPS, Blu-ray.

Чипсеты MediaTek для мобильных телефонов позволили создать смартфоны в ценовом диапазоне ниже 200 долларов, имеющие хорошую производительность.

Последняя разработка для смартфонов называется MT6797 (Helio X20) . Этот чип имеет 10 ядер и работает на частоте до 2,5 ГГц.

Apple

Американская компания, делающая для своих продуктов и свои же комплектующие. Так обстоят дела и с процессорами. Для своих планшетов и смартфонов компания Apple производит и собственные процессоры.

Фирма Apple знаменита своими планшетами iPad и смартфонами iPhone, хотя это и не единственные продукты компании. Находится компания в Купертино, штат Калифорния.

Последний выпущенный процессор от Apple — это А9 и А9Х . И хотя эти чипы имеют 2 ядра и частоту работы 1,8 ГГц, но в связке с фирменной операционной системой iOS устройства, сделанные на чипах А9, получаются вполне производительными.

Свои процессоры Apple не продает другим производителям мобильных компьютеров и на своих устройствах не использует процессоры сторонних фирм.

Intel

Intel Corporation - американская корпорация, производящая широкий спектр электронных устройств и компьютерных компонентов, включая микропроцессоры, наборы системной логики (чипсеты) и др. Штаб-квартира - в городе Санта-Клара, штат Калифорния, США.

Очень популярны процессоры Intel для ноутбуков. А вот для планшетов и смартфонов Intel не является лидером по поставкам центральных процессоров. Продукция Intel в этом сегменте уступает другим фирмам. Популярный чип от Intel для мобильных устройств это – Intel Atom.

Последняя разработка от Intel – это процессор Intel Atom x7-Z8700 . Это 4 ядерный процессор с частотой работы 2,4 ГГц. Он подходит для решения повседневных задач и для несложных игр. Но главное преимущество процессоров от Intel – это экономичность.

Nvidia

Компания NVidia знаменита своими видеокартами. Так же она выпускает и процессоры для смартфонов и планшетов, называются эти чипы Tegra. NVIDIA Tegra - семейство систем на кристалле разработанное компанией NVIDIA как платформа для производства мобильных интернет-устройств. Кристалл Tegra объединяет в себе ARM-процессор, графический процессор, медиа- и DSP- процессоры, контроллеры памяти и периферийных устройств, имея при этом низкое энергопотребление.

Появлению SoC Tegra предшествовало приобретение компанией NVIDIA в 2007 году компании PortalPlayer, которая занималась разработкой и поставкой медиапроцессоров для iPod. Первая модель APX 2500 серии Tegra была анонсирована 12 февраля 2008 года, а полный анонс всей серии и линии продуктов на Tegra состоялся 2 июня, 2008 года.

Последняя разработка вышла в январе 2015 года. NVIDIA Tegra X1 (кодовое название - NVIDIA Erista) - шестое поколение системы на кристалле семейства NVIDIA Tegra. Этот чип имеет 8 ядер.

Чипы Tegra хорошо подойдут для устройств, которые планируется использовать в том числе и для сложных игр. Но цена этих процессоров высока.

Samsung

Samsung Group - южнокорейская группа компаний, основанная в 1938 году. На мировом рынке известен как производитель высокотехнологичных компонентов, телекоммуникационного оборудования, бытовой техники, аудио- и видеоустройств. Главный офис компании расположен в Сеуле.

Exynos - семейство ARM микропроцессоров компании Samsung Electronics, представляющих собой систему на кристалле SoC.

Последняя разработка в области мобильных процессоров: Exynos 7 Octa — содержит четыре ядра ARM Cortex-A57 (ARM Cortex-A72) и четыре ядра ARM Cortex-A53 по принципу ARM big.LITTLE.

Процессоры идут на производство собственных аппаратов.

Huawei

Для собственных аппаратов фирма Huawei разработала и выпускает процессоры Kirin. Последняя разработка - это чип Kirin 950 , который будет представлен в конце 2015 года. Он имеет 8 ядер и работает на частоте 2,4 ГГц. Компания Huawei производит собственные процессоры под брендом Hisilicon.

В конфигурацию Kirin 950 входят четыре процессорных ядра Cortex-A72, четыре Cortex-A53 и GPU Mali-T880. Вполне возможно, что именно на ней будет основан смартфон Honor 7 Plus.

Allwinner

Китайская компания, выпускает процессоры для бюджетных аппаратов. В основном используется в недорогих китайских планшетах от малоизвестных фирм.

Компания Allwinner на выставке CES 2015 представила свою новую однокристальную платформу A64 . Это первая 64-разрядная система производителя. Она предназначена для планшетов и стоит всего $5. При этом в её конфигурацию входят четыре процессорных ядра Cortex-A53. Платформа умеет декодировать видео разрешением до 4K в форматах H. 264 и H.265 (HEVC), а также поддерживает вывод изображения посредством HDMI.

Ни для кого не секрет, что производственные фабрики компании Intel на данный момент являются одними из ведущих фабрик в мире по уровню технической оснащенности. Чем они отличаются от суровых Челябинских труболитейных заводов? А давайте посмотрим.

3 x Easter eggs

Эта статья может быть в первую очередь полезна тем, кто хочет построить свою фабрику для производства процессоров – если подобная мысль у вас хоть раз возникала, то смело заносите статью в закладки;) Для того, чтобы понять, о каких масштабах идет речь, я советую ознакомиться с предыдущей статьей под названием «Трудности производства процессоров ». Важны понимать масштабы не столько самой фабрики (хотя и их тоже), сколько самого производства – некоторые «детальки» современных процессоров делаются буквально на атомарном уровне. Соответственно и подход здесь особый.

Понятное дело, что без заводов в производстве не обойтись. На данный момент у компании Intel есть 4 завода, способных массово производить процессоры по технологии 32нм: D1D и D1C в штате Орегон, Fab 32 в штате Аризона и Fab 11X в Нью-Мексико.

Устройство завода

Высота каждой фабрики Intel по производству процессоров на 300-мм кремниевых пластинах составляет 21 метр, а площадь достигает 100 тысяч квадратных метров. В здании завода можно выделить 4 основных уровня:

Уровень системы вентиляции
Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов – самая маленькая пылинка, оказавшаяся на кремниевой пластине, способна уничтожить тысячи транзисторов. Поэтому важнейшим условием производства микропроцессоров является стерильная чистота помещений. Уровень системы вентиляции расположен на верхнем этаже - здесь находятся специальные системы, которые осуществляют 100% очистку воздуха, контролируют температуру и влажность в производственных помещениях. Так называемые «Чистые комнаты» делятся на классы (в зависимости от количества пылинок на единицу объема) и самая-самая (класс 1) примерно в 1000 раз чище хирургической операционной. Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.

Уровень «чистых комнат»
Этаж занимает площадь нескольких футбольных полей – именно здесь изготавливают микропроцессоры. Специальная автоматизированная система осуществляет перемещение пластин от одной производственной станции к другой. Очищенный воздух подается через систему вентиляции, расположенную в потолке, и удаляется через специальные отверстия, расположенные в полу.
Помимо повышенных требований к стерильности помещений, «чистым» должен быть и работающий там персонал - только на этом уровне специалисты работают в стерильных костюмах, которые защищают (благодаря встроенной системе фильтрации, работающей от батареи) кремниевые пластины от микрочастиц текстильной пыли, волос и частиц кожи. Такой костюм называется «Bunny suit» - чтобы надеть его в первый раз, может потребоваться от 30 до 40 минут. Специалистам компании для этого требуется порядка 5 минут.

Нижний уровень
Предназначен для систем поддерживающих работу фабрики (насосы, трансформаторы, силовые шкафы и т.п.). Большие трубы (каналы) передают различные технические газы, жидкости и отработанный воздух. Спецодежда сотрудников данного уровня включает каску, защитные очки, перчатки и специальную обувь.

Инженерный уровень
По назначению является продолжением нижнего уровня. Здесь находятся электрические щиты для энергоснабжения производства, система трубопроводов и воздуховодов, а так же кондиционеры и компрессоры.

Пыль - мелкие твёрдые тела органического или минерального происхождения. Пыль - это частички среднего диаметра 0,005 мм и максимального - 0,1 мм. Более крупные частицы переводят материал в разряд песка, который имеет размеры от 0,1 до 1 мм. Под действием влаги пыль обычно превращается в грязь. Интересные факты В плотно запертой с закрытыми окнами квартире за две недели оседает порядка 12 тысяч пылевых частиц на 1 квадратный сантиметр пола и горизонтальной поверхности мебели. В этой пыли содержится 35 % минеральных частиц, 12 % текстильных и бумажных волокон, 19 % чешуек кожи, 7 % цветочной пыльцы, 3 % частиц сажи и дыма. Оставшиеся 24 % неустановленного происхождения. Подсчитано, что один гектар газона связывает 60 тонн пыли.

Для постройки фабрики такого уровня требуется около 3 лет и порядка $5млрд – именно эту сумму должен будет «отбить» завод в последующие 4 года (к тому времени как появятся новые технологический процесс и архитектура; необходимая для этого производительность – порядка 100 рабочих кремниевых пластин в час). Если после этих цифр ни одна мышца на вашем лице не дрогнула, то вот вам (уже для внесения в смету) еще немного приблизительной статистики. Для постройки завода требуется:
- более 19 000 тонн стали
- более 112 000 кубических метров бетона
- более 900 километров кабеля

Наглядный процесс строительства одной из фабрик компании (заливал в HD):

Intel Copy Exactly

У большинства производителей полупроводниковой электроники оборудование и процессы, используемые в лабораториях для исследований и разработок, отличаются от того, что применяется на заводах по производству самой продукции. В связи с этим возникает проблема – при переходе с опытного производства на серийное, часто возникают непредвиденные ситуации и прочие задержки, возникающие из-за необходимости дорабатывать и адаптировать технологические процессы – в общем, делать всё для достижения наивысшего процента выхода годной продукции. Помимо задержки серийного производства это может привести и к другим осложнениям – да хотя бы к изменениям в значениях параметров техпроцесса. Соответственно, результат может получиться непредсказуемым.
У компании Intel в такой ситуации свой подход, который называется Copy Exactly . Суть данной технологии – в полном копировании лабораторных условий на строящиеся фабрики. Повторяется все до мелочей - не только само здание (конструкция, оборудование и настройки, трубопроводная система, чистые комнаты и покраска стен), но и входные/выходные параметры процессов (которых более 500!), поставщики исходных материалов и даже методики обучения персонала. Все это позволяет работать фабрикам в полную силу практически сразу после запуска, но и это не главный плюс. Благодаря такому подходу фабрики имеют большую гибкость – в случае аварии или реорганизации, начатые на одном заводе пластины смогут быть сразу «продолжены» на другом, без особого ущерба для бизнеса. Подобный подход по достоинству оценили конкурирующие компании, но почему-то практически никто его больше не применяет.

Как я уже говорил, в зале вычислительной техники Московского Политехнического музея компания Intel открыла свою экспозицию, одну из самых крупных в зале. Стенд получил название «От песка до процессора » и представляет собой достаточно познавательную конструкцию.

Во главе зала стоит «Chipman» в точной копии костюма, которые применяются на заводах корпорации. Рядом – макет одной из фабрик; неподалеку стоит стенд, внутри которого находятся «процессоры на разных этапах» - куски оксида кремния, кремниевые пластины, сами процессоры и т.д. Все это снабжено большим количество информации и подкреплено интерактивным стендом, на котором любой желающий может рассмотреть устройство процессора (передвигая ползунок масштаба – вплоть до молекулярного строения). Чтобы не быть голословным, вот пара фотографий экспозиции:

В понедельник будет статья про само производство процессоров. А пока снова откиньтесь на спинку стула и посмотрите (желательно в HD) этот видеоролик:

Несколько лет тому назад компания Intel представила пошаговый процесс производства микропроцессоров: от песка до конечного продукта. Фактически процесс производства полупроводниковых элементов выглядит поистине удивительным.

Шаг 1. Песок

Кремний, составляющий по общей массе около 25 процентов всех химических элементов в земной коре, является вторым по распространению после кислорода. Песок имеет высокое процентное содержание диоксида кремния (SiO 2), который является основным ингредиентом не только для производства процессоров Intel, но и вообще для полупроводникового производства.

Расплавленный кремний

Вещество очищается в течение нескольких этапов, пока не получится кремний полупроводниковой чистоты, используемый в полупроводниках. В конечном счете, он поступает в виде монокристаллических слитков диаметром около 300 миллиметров (12 дюймов). Ранее слитки имели диаметр 200 миллиметров (8 дюймов), а в далеком 1970 году - еще меньше - 50 миллиметров (2 дюйма).

На данном уровне производства процессоров после очистки чистота кристалла составляет один атом примеси на миллиард атомов кремния. Вес слитка составляет 100 килограмм.

Шаг 3. Нарезание слитка

Слиток нарезается очень тонкой пилой на отдельные ломтики, называемые подложками. Каждая из них впоследствии полируется, чтобы получилась бездефектная зеркально-гладкая поверхность. Именно на эту гладкую поверхность впоследствии будут наноситься крошечные медные провода.

Экспонирование фоторезистивного слоя

На вращающуюся с высокой скоростью подложку заливается фоторезистивная жидкость (такие же материалы используются в традиционной фотографии). При вращении на всей поверхности подложки образуется тонкий и равномерный резистивный слой.

Ультрафиолетовый лазер через маски и линзу воздействует на поверхность подложки, образуя на ней небольшие освещенные ультрафиолетовые линии. Линза делает сфокусированное изображение в 4 раза меньше маски. Везде, где ультрафиолетовые линии воздействуют на резистивный слой, возникает химическая реакция, в результате которой данные участки становятся растворимыми.

Шаг 5. Травление

Растворимый фоторезистивный материал затем полностью растворяется с помощью химического растворителя. Таким образом, для частичного растворения или травления небольшого количества полированного полупроводникового материала (подложки) используется химический травитель. Оставшаяся часть фоторезистивного материала удаляется путем похожего процесса промывки, открывая (экспонируя) протравленную поверхность подложки.

Формирование слоев

Для создания крошечных медных проводов, которые в конечном счете будут передавать электричество к/от различных соединителей, добавляются дополнительные фоторезисты (светочувствительные материалы), которые также промываются и экспонируются. В дальнейшем выполняется процесс ионного легирования для добавления примесей и защиты мест осаждения ионов меди от медного купороса во время процесса гальваностегии.

На различных этапах этих процессов производства процессора добавляются дополнительные материалы, которые протравливаются и полируются. Данный процесс повторяется 6 раз для формирования 6 слоев.

Конечный продукт выглядит как сетка из множества микроскопических медных полос, проводящих электричество. Некоторые из них соединены с другими, а некоторые - расположены на определенном расстоянии от других. Но все они используются для реализации одной цели - для передачи электронов. Другими словами, они предназначены для обеспечения так называемой «полезной работы» (например, сложение двух чисел с максимально возможной скоростью, что является сутью модели вычислений в наши дни).

Многоуровневая обработка повторяется на каждом отдельном небольшом участке поверхности подложки, на котором будут изготовлены чипы. В том числе к таким участкам относятся те из них, которые частично расположены за пределами подложки.

Шаг 7. Тестирование

Как только будут нанесены все металлические слои и созданы все транзисторы, наступает время следующего этапа производства процессоров "Интел" - тестирования. Устройство с множеством штырьков размещается в верхней части чипа. К нему прикрепляется множество микроскопических проводков. Каждый такой проводок имеет электрическое соединение с чипом.

Для воспроизведения работы чипа ему передается последовательность тестовых сигналов. При тестировании проверяются не только традиционные вычислительные способности, но также выполняется внутренняя диагностика с определением значений напряжения, каскадных последовательностей и другие функции. Ответ чипа в виде результата тестирования сохраняется в базе данных, специально выделенной для данного участка подложки. Данный процесс повторяется для каждого участка подложки.

Нарезание пластин

Для нарезания пластин применяется очень маленькая пила с алмазным наконечником. База данных, заполненная на предыдущем этапе, используется для определения, какие чипы, отрезанные от подложки, сохранены, а какие отброшены.

Шаг 9. Заключение в корпуса

Все рабочие пластины помещаются в физические корпуса. Несмотря на то, что пластины были предварительно протестированы и в отношении их было принято решение, что они работают корректно, это не означает, что они являются хорошими процессорами.

Процесс заключения в корпуса означает помещение кремниевого кристалла в материал подложки, к контактам или массиву шариковых выводов которого подсоединены миниатюрные золотые проводки. Массив шариковых выводов можно обнаружить на обратной стороне корпуса. В верхней части корпуса устанавливается теплоотвод. Он представляет собой металлический корпус. По завершении этого процесса центральный процессор выглядит как готовый продукт, предназначенный для потребления.

Примечание: металлический теплоотвод является ключевым компонентом современных высокоскоростных полупроводниковых устройств. Раньше теплоотводы были керамическими и не использовали принудительное охлаждение. Оно потребовалось для некоторых моделей 8086 и 80286 и для моделей, начиная с 80386. Предшествующие поколения процессоров имели намного меньше транзисторов.

Например, процессор 8086 имел 29 тысяч транзисторов, в то время как современные центральные процессоры имеют сотни миллионов транзисторов. Столь маленькое по нынешним меркам количество транзисторов не вырабатывало достаточно тепла, чтобы требовалось активное охлаждение. Чтобы отделить данные процессоры от нуждающихся в таком типе охлаждения, впоследствии на керамические чипы ставилось клеймо «Требуется теплоотвод».

Современные процессоры генерируют достаточно тепла, чтобы расплавиться в считанные секунды. Только наличие теплоотвода, подсоединенного к большому радиатору и вентилятору, позволяет им функционировать в течение продолжительного времени.

Сортировка процессоров по характеристикам

К этому этапу производства процессор выглядит таким, каким его покупают в магазине. Однако для завершения процесса его производства требуется еще один этап. Он называется сортировкой.

На этом этапе измеряются действительные характеристики отдельного центрального процессора. Измеряются такие параметры, как напряжение, частота, производительность, тепловыделение и другие характеристики.

Лучшие чипы откладываются как изделия более высокого класса. Они продаются не только как самые быстрые компоненты, но и как модели с низким и сверхнизким напряжением.

Чипы, которые не вошли в группу лучших процессоров, часто продаются как процессоры с более низкими тактовыми частотами. Кроме того, четырехъядерные процессоры более низкого класса могут продаваться как двух- или трехъядерные.

Производительность процессоров

В процессе сортировки определяются конечные значения скорости, напряжения и тепловые характеристики. Например, на стандартной подложке только 5 % произведенных чипов могут функционировать на частоте более 3,2 ГГц. В то же время 50 % чипов могут функционировать на частоте 2,8 ГГц.

Производители процессоров постоянно выясняют причины, почему основная часть производимых процессоров работает на частоте 2,8 ГГц вместо требуемой 3,2 ГГц. Иногда для увеличения производительности в конструкцию процессора могут быть внесены изменения.

Рентабельность производства

Рентабельность бизнеса по производству процессоров и большинства полупроводниковых элементов лежит в пределах 33-50 %. Это означает, что, по меньшей мере, от 1/3 до 1/2 пластин на каждой подложке рабочие, а компания в этом случае рентабельна.

У компании Intel операционная прибыль при применении технологии 45 нм для подложки 300 мм составляет 95 %. Это означает, что если из одной подложки возможно изготовить 500 кремниевых пластин, 475 из них будут рабочими и только 25 будут выброшены. Чем больше пластин можно получить с одной подложки, тем большую прибыль будет иметь компания.

Технологии Intel, используемые в наши дни

История применения новых технологий Intel для массового производства процессоров:

• 1999 г. - 180 нм;
• 2001 г. - 130 нм;
• 2003 г. - 90 нм;
• 2005 г. - 65 нм;
• 2007 г. - 45 нм;
• 2009 г. - 32 нм;
• 2011 г. - 22 нм;
• 2014 г. - 14 нм;
• 2019 г. - 10 нм (планируется).

В начале 2018 г. компания Intel объявила о переносе массового производства 10-нм процессоров на 2019 год. Причина этого - в большой стоимости производства. На данный момент компания продолжает поставлять 10-нм процессоры в небольших объемах.

Охарактеризуем технологии производства процессоров Intel с точки зрения стоимости. Дороговизну руководство компании объясняет длинным производственным циклом и применением большого количества масок. В основе 10-нм технологии лежит глубокая ультрафиолетовая литография (DUV) с применением лазеров, работающих на длине волны 193 нм.

Для 7-нм процесса будет использоваться экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV) с применением лазеров, работающих на длине волны 13,5 нм. Благодаря такой длине волны удастся избежать применения мультипаттернов, широко используемых для 10-нм процесса.

Инженеры компании считают, что на данный момент нужно отшлифовать технологию DUV, а не прыгать напрямую на 7-нм процесс. Таким образом, пока будут снятыми с производства процессоры, использующие 10-нм технологию.

Перспективы микропроцессорного производства компании AMD

Единственным реальным конкурентом "Интел" на рынке производства процессоров на сегодняшний день является AMD. Из-за ошибок "Интел", связанных с 10-нм технологией, AMD немного поправила свое положение на рынке. У Intel массовое производство с использованием технологического процесса 10 нм сильно запоздало. Компания AMD, как известно, использует для производства своих чипов третью сторону. И теперь сложилась ситуация, когда AMD для производства использует во всю 7-нм технологии производства процессоров, не уступающие главному конкуренту.

Основными сторонними производителями полупроводниковых устройств с использованием новых технологий для сложной логики являются Тайваньская компания производства полупроводников (TSMC), американская компания GlobalFoundaries и корейская Samsung Foundry.

AMD планирует использовать TSMC исключительно для производства микропроцессоров следующего поколения. При этом будут применяться новые технологии производства процессоров. Компания уже выпустила ряд продуктов с применением 7-нм процесса, включая 7-нм графический процессор. Первый планируется выпустить в 2019 г. Уже через 2 года планируется начать массовое производство 5-нм микросхем.

GlobalFoundaries отказалась от разработки процесса 7 нм, чтобы сосредоточить свои усилия на развитии своих 14/12 нм процессов для клиентов, ориентированных на быстрорастущие рынки. AMD вкладывает в GlobalFoundaries дополнительные инвестиции для производства процессоров AMD текущего поколения Ryzen, EPYC и Radeon.

Производство микропроцессоров в России

Основные микроэлектронные производства расположены в городах Зеленоград ("Микрон", "Ангстрем") и Москва ("Крокус"). Собственное микроэлектронное производство имеется также и в Беларуси - компания "Интеграл", использующая технологический процесс 0,35 мкм.

Производством процессоров в России занимаются компании "МЦСТ" и "Байкал Электроникс". Последняя разработка "МЦСТ" - процессор «Эльбрус-8С». Это 8-ядерный микропроцессор с тактовой частотой 1,1-1,3 ГГц. Производительность российского процессора составляет 250 гигафлопс (операций с плавающей запятой в секунду). Представителями компании заявляется, что по ряду показателей процессор может конкурировать даже с лидером отрасли - компанией Intel.

Производство продолжится моделью "Эльбрус-16" частотой 1,5 ГГц (цифровой индекс в названии обозначает количество ядер). Массовое изготовление этих микропроцессоров будет осуществляться в Тайване. Это должно способствовать уменьшению цены. Как известно, цена на продукцию компании заоблачная. При этом, по характеристикам комплектующие значительно уступают ведущим компаниям в этом секторе экономики. Пока такие процессоры будут использоваться только в государственных организациях и для оборонных целей. В качестве технологии производства процессоров этой линейки будет применяться 28-нм технологический процесс.

"Байкал Электроникс" производит процессоры, предназначенные для использования в промышленности. В частности, это относится к модели "Байкал Т1". Область ее применения - маршрутизаторы, системы с ЧПУ и офисная техника. Компания на этом не останавливается и уже разрабатывается процессор для персональных компьютеров - "Байкал М". Сведений о его характеристиках пока немного. Известно, что у него будет 8-ядерный процессор с поддержкой до 8 графических ядер. Преимущество этого микропроцессора будет заключаться в его энергоэффективности.

Именно при помощи процессора осуществляется различные вычисления, а также выполняются команды. Но так как не все разбираются в таких важных элементах, то люди задаются вопросом, как выбрать процессор для компьютера недорогой, но хороший? Приходится учитывать различные характеристики в процессоре. Об этом мы расскажем в данной статье.

Ядро процессора обеспечивает различным приложениям доступ к компьютерным ресурсам. Минимум может быть одно, максимум 8. В компьютерных процессорах AMD количество ядер указывается после «Х», в Intel указано словами.

Итак, сколько ядер нужно для игр этого года? Ответ такой - не менее 2. Остальное зависит от игр, которые вы будете запускать. Однако в скором времени разработчики планируют выпускать новые консоли, для которых уже потребуются 4 ядра.

Вообще, чем игра круче, тем лучше, если ядер будет больше. Так например World of Tanks точно потребует 4 ядра.

Частота ядра конкретно показывает, сколько за 1 секунду сможет процессор в компьютере выполнить операций. Измеряется в мегагерцах. Высокая чистота позволяет быструю обработку информации. Но какая оптимальная частота ядер процессора лучше? Если вы покупаете процессор для работы, то 1, 6 ГГц хватит, а вот для игр и различных профессиональных программ потребуется 2, 5 и больше. Так что не забудьте про этот параметр.

Фото модели AMD

Кэш и частота шины

Частота шины информирует о том, какова у информации скорость. Большая частота влияет на то, чтобы информация обменивалась быстрее. Кэшем называется блок памяти. Он повышает производительность компьютера и локализуется на ядре.

Если сравнивать его с оперативной памятью по обработке данных, то скорость кэша больше.

Кэш и частота шины - очень важные показатели. Их тоже необходимо учитывать, если вы думаете, как выбрать лучший процессор для компьютера.

Кэш можно разделить на 3 уровня (levels):

• l1 - самый быстрый кэш, а вот объем у него незначительный. Его размеры составляют от 8 до 128 килобайт.
• L2- по объему больше, если сравнивать с первым, однако по скорости медленнее. Минимум 128 килобайт, максимум 12288.
• L3- Больше всех по объему, а по скорости меньше. Достигает 16 1284 килобайта. Третьего уровня в компьютере может и не быть.

Прочие параметры

Прочие параметры не так уж важны, как все вышеперечисленные, но все равно они очень актуальны. К ним относятся сокет, а также тепловыделение.

Сокетом называется разъем материнской платы, именно в него устанавливается процессор. Допустим, на процессоре написано «AM3», это означает, что его вставляют в такой же сокет.

Тепловыделение - это показатель того, как нагревается процессор в ходе эксплуатации. Его учитывают, когда выбирают охлаждающую систему. Измеряется в Вт. Минимум 50, максимум 300.

Желательно, чтобы процессор мог поддерживать разные технологии. Есть команды, которые усовершенствуют производительность. К ним относится технология SSE4. Ведь там будет 54 команды, при их помощи во время работы компьютера с разными приложениями и компонентами производительность процессор увеличивается.

Полупроводниковые элементы составляют внутреннюю цепь. Они устанавливают масштаб технологии. Это носит название технического процесса. В основе элементов находятся транзисторы, которые между собой объединены. Разработчики стараются усовершенствовать технологию, уменьшить транзисторы, в результате увеличить о процессорах характеристики.

Приведем примеры:

• Технический процесс составляет 0,18 мкм. Транзисторов - 42 млн.
• Процесс - 0,09 мкм, транзисторов - 125 млн.

Не каждый человек может ответить, что лучше выбрать Intel или AMD, приведем пример в таблице на основе двух процессоров:

Процессор	Тактовая частота (МГц)
AMD FX-8150 Zambezi	3600
Intel Core i5-3570K	3400

Из полученных результатов видно, что первый процессор обладает большим быстродействием. Тем более что у AMD -8 ядра, а у Intel - 4. Но приложения не все оптимизированы для работы с 4 ядрами. Кэш первого процессора гораздо больше.

Так что если вы думаете, как выбрать процессор для компьютера, первоначально определите, насколько быстрый вам нужен. Если вы собираетесь играть, то конечно же лучше выбирать пошустрее. Есть сравнительные тесты, которые помогут вам определиться. Они на фото, расположенном ниже.

Топ процесоров этого года

Когда вы подбираете процессор для компьютера, то вам не только интересны его характеристики. Хочется узнать и отзывы владельцев. Не постесняйтесь обратиться к знакомому программисту. Или можно посмотреть на топ лучших процессоров для ПК. Здесь представлены наиболее покупаемые модели и качественные, и цена у них приемлемая. Мы показали здесь список, который вам поможет сделать правильный выбор различных устройств, благо сейчас их на рынке большое разнообразие. Не забудьте о своих предпочтениях. Одному нужен компьютер только для работы, а кто-то хочет смотреть фильмы и играть.

Стоимостью в 1500 руб :

• Разработчик - Intel, марка Celeron, серия Е3ХХХ.
• Производитель – AMD, марка Sempron, серия 140/145.

Стоимостью до 3000 руб:

• Intel Pentium Dual-Core G3220 (не дорогой, но хороший).

Стоимостью до 4500:

• Изготовитель Intel, серия - Core i3-4130.

От 6000 до 9000:

• Разработчик – Intel, марки - LGA1150 и Core i5-750.
• AMD Phenom II X6 1055T.
• Для игр – Intel изготовило HD Graphics 4000. Подойдет и для фото.

До 12 000 и выше (лучший процессор):

• Intel – (ADM нет), серии Core i7-4000K и i7-4930K.

Вывод

Не спешите схватить с прилавка слишком мощный процессор. Вы не геймер, не профессиональный обработчик фотографий? У вас нет приложений, которым нужно много ресурсов? Тогда этот элемент потребует излишнюю электроэнергию. Иногда новинка требует переустановить материнскую плату.

Не забудьте перед тем, как правильно выбрать процессор, поинтересоваться мощностью блока питания.