پردازنده مرکزی چگونه ساخته می شود؟

۲۹ تیر ۱۴۰۰ - ۰۹:۰۰
پردازنده مرکزی چگونه ساخته می شود؟

اگرچه نحوه کار پردازنده مرکزی به نظر جادویی می‌رسد، اما این فناوری در واقع نتیجه دهه‌ها تلاش هوشمندانه مهندسان است. هرچقدر که ترانزیستورها -که عناصر سازنده هر ریزتراشه هستند- کوچک‌تر شوند تا به مقیاس‌های میکروسکوپی برسند، نحوه تولید آن‌ها پیچیده‌تر می‌شود.

فوتولیتوگرافی

ترانزیستورها اکنون به قدری کوچک هستند که تولیدکنندگان نمی‌توانند آن‌ها را با استفاده از روش‌های معمولی بسازند. گرچه دستگاه‌های قدیمی ولی دقیق و حتی چاپگرهای سه‌بعدی می‌توانند تراشه‌های فوق‌العاده پیچیده‌ای ایجاد کنند، اما آن‌ها معمولاً در سطح میکرومتری و البته با دقت بالا کار می‌کنند. یک میکرومتر حدود یک سی هزارم اینچ است. این دستگاه‌ها برای مقیاس‌های نانومتری که تراشه‌های امروزی بر مبنای آن ساخته می‌شوند، مناسب نیستند.

فوتولیتوگرافی با رفع نیاز به حرکت دقیق ماشین‌آلات پیچیده، این مسئله را حل می‌کند. فوتولیتوگرافی به جای ساخت یک تراشه به کمک حرکت دقیق ماشین‌آلات، از نور برای حکاکی تصویر بر روی تراشه استفاده می‌کند. این دستگاه مانند یک پروژکتور سقفی قدیمی کار می‌کند که ممکن است در کلاس‌های درس با آن مواجه شده باشید.

اما برعکس پروژکتور که تصاویر کوچک را بزرگ می‌کند، استنسیل تصاویر بزرگ را با مقیاس مشخص کوچک می‌کند.

مطالب مرتبط:

فوتولیتوگرافی پردازنده مرکزی

این تصویر بر روی ویفر سیلیکونی حکاکی خواهد شد که با دقت بسیار بالایی در آزمایشگاه‌های کنترل‌شده ساخته می‌شود، زیرا هر لکه گرد و غبار موجود در ویفر می‌تواند به معنای از دست دادن هزاران دلار باشد.

ویفر با ماده‌ای که در برابر نور مقاومت از خود نشان می‌دهد، پوشانده می‌شود. این ماده به نور پاسخ می‌دهد و شسته می‌شود و در نتیجه یک اچ از پردازنده مرکزی ایجاد می‌شود که می‌تواند با مس پر شود یا دوپ شود تا ترانزیستور تشکیل شود.

این فرایند پس از آن بارها تکرار می‌شود. ساخت پردازنده مرکزی دقیقاً مانند ساخت لایه‌های پلاستیکی توسط یک چاپگر سه‌بعدی است. تفاوت اصلی در مقیاس قطعات پردازنده مرکزی نسبت به یک لایه پلاستیکی است.

مسائل و مشکلات مربوط به فوتولیتوگرافی در مقیاس نانو

فوتولیتوگرافی پردازنده مرکزی در مقیاس نانو

ترانزیستورها می‌توانند تا مقیاس‌های بسیار کمتری کوچک شوند، اما ممکن است آن‌ها به خوبی عمل نکنند. فناوری ترانزیستورها در مقیاس نانو با بسیاری از مسائل و مشکلات فیزیک روبه‌رو می‌شود. قرار است ترانزیستورها وقتی خاموش هستند، جریان الکتریسیته را متوقف کنند، اما هرساله این نیمه‌هادی‌ها در حال کوچک‌تر شدن هستند و الکترون‌ها می‌توانند از طریق آن‌ها عبور کنند. این پدیده تونل کوانتومی نامیده می‌شود و یک مشکل عظیم برای مهندسان سیلیکون است.

مشکل دیگر مربوط به نواقص موجود در دستگاه‌های ساخت تراشه است. حتی فوتولیتوگرافی با وجود دقت بالایی که دارد، به صورت صددرصدی دقیق نیست. درست مانند یک پروژکتور که ممکن است تصویر تاری را ارائه دهد، تصویر کوچک‌شده فوتولیتوگرافی نیز ممکن است دارای مشکلات مشابهی باشد. کاملاً واضح نیست که وقتی تصاویر داده‌شده به فوتولیتوگرافی کوچک می‌شوند، از چه دقتی برخوردار خواهند بود.

در حال حاضر، کارخانه‌های ریخته‌گری در تلاش هستند تا با استفاده از لیزر در محفظه خلأ و با استفاده از نور فرابنفش شدید، طول موج بسیار کمتر از آنچه انسان می‌تواند درک کند را تولید کنند تا این اثر را کاهش دهد. اما با کوچک‌تر شدن اندازه ترانزیستورها این مشکل ادامه خواهد یافت.

این نواقص را در برخی از اوقات می‌توان با فرایندی به‌ نام بینینگ کاهش داد. اگر نواقص موجود در ترانزیستورها در هسته پردازنده اختلال ایجاد کند، آن هسته غیرفعال شده و تراشه به عنوان یک تراشه با هسته کمتر فروخته می‌شود. در واقع، بیشتر پردازنده‌های ارزان‌قیمت‌تر با استفاده از همان طرح اولیه تولید می‌شوند، اما هسته‌های آن‌ها غیرفعال شده و با قیمت پایین‌تری به فروش می‌رسند.

اگر نقص به حافظه پنهان یا یک مؤلفه ضروری دیگر برسد، کارخانه سازنده تراشه ممکن است مجبور به بازیافت آن تراشه شود. البته برخی از این تراشه‌های ناقص به بازار وارد خواهند شد که به خاطر نواقص موجود در حافظه پنهان یا اجزای دیگر، عملکرد کمتری خواهند داشت. ساخت تراشه بر مبنی معماری‌های جدید مانند ۷ نانومتر و ۱۰ نانومتر نرخ نقص بالاتری دارند و در نتیجه گران‌تر از تراشه‌های قدیمی‌تر هستند.

بسته‌بندی پردازنده مرکزی

پردازنده مرکزی

بسته‌بندی پردازنده مرکزی برای رسیدن به دست مصرف‌کننده چیزی فراتر از قرار دادن آن در یک جعبه با مقداری پلی‌استر است. وقتی کار تولید پردازنده به پایان می‌رسد، این قطعه هنوز برای استفاده توسط کاربر مناسب نیست مگر اینکه بتواند به درگاه مناسب متصل شود. فرایند بسته‌بندی به روشی گفته می‌شود که قالب سیلیکونی ظریف به پی سی بی متصل می‌شود که بیشتر مردم آن را پردازنده مرکزی تصور می‌کنند.

این فرایند به دقت زیادی نیاز دارد، اما دقت مورد نیاز آن به اندازه مراحل قبلی نیست. قالب پردازنده بر روی یک صفحه سیلیکونی نصب می‌شود و اتصالات الکتریکی در تمام پین‌هایی که با مادربرد تماس می‌گیرند، برقرار می‌شود. پردازنده‌های مدرن می‌توانند هزاران پین داشته باشند. به عنوان مثال، پردازنده‌های پیشرفته شرکت ای ام دی دارای ۴۰۹۴ پین هستند.

از آنجا که پردازنده مرکزی گرمای زیادی تولید می‌کند و همچنین باید از جلو محافظت شود، یک پخش‌کننده گرمای یکپارچه به قسمت فوقانی نصب می‌شود. این پخش‌کننده گرمایی باعث تماس پردازنده با قالب می‌شود و گرما را به یک خنک‌کننده که در قسمت بالای پردازنده نصب می‌شود (مانند فن) منتقل می‌کند. برای انتقال بهتر گرما از پردازنده به هیت سینک از خمیر حرارتی استفاده می‌شود.

البته عملکرد خمیر حرارتی به اندازه کافی خوب نیست که منجر به این موضوع شده است که محققان به دنبال راه‌حل‌های بهتری برای انتقال گرما از پردازنده به بیرون باشند.

هنگامی که تولید پردازنده مرکزی به پایان می‌رسد، می‌توان آن را در جعبه‌های مختلف بسته‌بندی کرد با وجود پیچیدگی ساخت و تولید این تراشه‌ها، جای تعجب است که قیمت بیشتر پردازنده‌های مرکزی فقط چند صد دلار است.

سؤالات رایج:

خمیر حرارتی چگونه باعث انتقال گرما می‌شود؟

سطح پردازنده و هیت سینک دارای منافذ بسیار ریزی هستند. در صورت تماس پردازنده و هیت سینک در حالت عادی و بدون استفاده از خمیر حرارتی، این منافذ با هوا پر خواهند شد. از آنجایی که هوا دارای رسانایی حرارتی بسیار پایینی است، انتقال گرما از پردازنده به سمت هیت سینک به خوبی صورت نمی‌گیرد. رسانایی حرارتی خمیرهای حرارتی بالا است و با پوشاندن سطح پردازنده از این نوع خمیرها، انتقال گرما از پردازنده به هیت سینک با سرعت بسیار بیشتری انجام می‌شود.

دوپ چیست؟

دوپینگ به معنای ورود ناخالصی‌ها به یک کریستال نیمه‌هادی به منظور اصلاح ساختار آن‌ها است. دو مورد از مهم‌ترین مواد سیلیکون قابل دوپینگ بور (۳ الکترون ظرفیت = ۳ ظرفیتی) و فسفر (۵ الکترون ظرفیت = ۵ ظرفیتی) است. مواد دیگر آلومینیوم، ایندیم (۳ ظرفیتی) و آرسنیک، آنتیموان (۵ ظرفیتی) هستند.

دوپانت در ساختار شبکه کریستال نیمه‌هادی ادغام شده است و تعداد الکترون‌های خارجی نوع دوپینگ را تعریف می‌کند. عناصر دارای ۳ الکترون ظرفیت برای دوپینگ نوع پی استفاده می‌شود. رسانایی یک بلور سیلیکونی که عمداً دوپ شده است می‌تواند با ضریب ۱۰ به توان افزایش یابد.

اینستاگرام تکفارس

تلگرام تکفارسمنبع: How To Geek

برچسب‌ها: ، ،

نظرات

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.