|
Procesor (ang. processor) - urządzenie cyfrowe sekwencyjne potrafiące pobierać dane z pamięci, interpretować je i wykonywać jako rozkazy. Wykonuje on bardzo szybko ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora. Procesor wykonywany jest zwykle jako układ scalony zamknięty w hermetycznej obudowie posiadającej złocone wyprowadzenia. Złoto jest konieczne, aby zmniejszyć pojemności pasożytnicze połączeń. Jego sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono techniką fotolitografii szereg warstw półprzewodnikowych. Tworzą one sieć od kilku do kilkudziesięciu milionów tranzystorów. Połączenia wykonane są z metalu (aluminium, miedź). Ważnym parametrem procesora jest rozmiar elementów budujących jego strukturę. Im są one mniejsze tym niższe jest zużycie energii, napięcie pracy oraz wyższa częstotliwość pracy. Współczesne procesory wykonywane są w technologii pozwalającej na uzyskanie elementów o rozmiarach mniejszych niż 90 nm pracujących z częstotliwością 3,6 GHz. Fabryki procesorów muszą posiadać pomieszczenia o niezwykłej czystości, co jest bardzo kosztowne. W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić:
Jedną z podstawowych cech procesora jest długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli słowo ma np. 32 bity, mówimy że procesor jest 32-bitowy. Innym ważnym parametrem określającym procesor jest szybkość z jaką wykonuje on program. Szybkość ta w znacznym stopniu zależy od czasu trwania pojedynczego taktu procesora, jest on odwrotnością częstotliwości procesora. Do typowych rozkazów wykonywanych przez procesor należą:
Komputer oprócz procesora głównego (CPU) posiada procesory pomocnicze: obrazu (GPU), dźwięku, koprocesory arytmetyczne. Procesor bywa też nazywany jednostką centralną (poprzez tłumaczenie ang. CPU, Central Processing Unit w sposób dosłowny) - to określenie przyjęło się jedynie w wąskim gronie informatyków. Większość ludzi jednostkę centralną kojarzy z handlowym terminem określającym jednostką systemową komputera złożoną z elementów takich jak procesor, płyta główna, karta rozszerzenia, pamięć operacyjna, dysk twardy zamkniętych we wspólnej obudowie, nie obejmującą takich urządzeń peryferyjnych jak monitor, klawiatura czy drukarka. ::: Procesor to najważniejsza część komputera, bezpośrednio odpowiedzialna za prędkość jego działania. Istnieje kilka segmentów procesorów: oszczędnościowy (Sempron i Celeron), masowy + wydajnościowy (Athlon i Pentium) i serwerowy (Xeon i Opteron). Im większe oznaczenie modelu procesora w danym segmencie, tym wyższa jego wydajność. Pamiętaj, że do specyficznych zastosowań szybki procesor nie wystarczy - aby na przykład wygodnie grać, należy dobrać do niego odpowiednio szybką kartę graficzną. Procesor instaluje się w podstawce na płycie głównej. Przykładowe rodzaje podstawek to Socket 939, czy Socket 775. ::: 3D Now! Pamięć podręczna pierwszego poziomu L1 ::: Procesor: od projektu do efektuWprowadzenie
Chyba nikogo nie dziwi już fakt, że najważniejszym, a zarazem jednym z najmniejszych elementów komputera jest procesor. To właśnie on jest sercem każdego peceta. Procesory w największym stopniu decydują o wydajności oraz szybkości działania każdego komputera. Na rynku obecnie tak naprawdę liczą się produkty dwóch firm. Mowa tu o firmach AMD oraz Intel, które podbiły cały rynek komputerowy swoimi produktami. Po dzień dzisiejszy nasila się konkurencja między nimi, więc nie ma tu mowy o żadnym monopolu. Procesory poszczególnych producentów nie są wytwarzane tylko w jednej fabryce. Wręcz przeciwnie. Poszczególne fabryki rozsiane są po całym świecie. Możemy więc spotkać się z procesorami AMD wyprodukowanymi w Teksasie lub 100 km od polskiej granicy zachodniej - w Dreźnie. ::: Projekt
 Zanim powstanie jakikolwiek produkt, proces jego produkcji musi być poprzedzony długim, mozolnym i skomplikowanym etapem projektu. Nie trzeba nikogo przekonywać, że projektowanie procesorów jest jedną z najtrudniejszych czynności, ze względu na bardzo niewielkie rozmiary jego wewnętrznej struktury. Całe przygotowanie projektu odbywa się w konkretnej fabryce. Jest to najtrudniejszy i najdłuższy etap produkcji procesora. Zaangażowanych jest w to dziesiątki, a nawet setki specjalistów, inżynierów oraz technologów. W trakcie projektu nowego modelu wykorzystywane są poprzednie generacje procesorów. To właśnie na nich opierany jest nowy projekt. Opracowywane są nowe przebiegi technologiczne, a naukowcy opanowują pojedyncze fazy wytwarzania tych układów. Następnie wszystkie te fazy trzeba ze sobą zintegrować. Trwa to bardzo długo. Projektowanie nowszego typu CPU trwa nawet do dwóch lat. Efektem jest pełna, szczegółowa i obszerna dokumentacja. Kiedy już powstanie pełny projekt, fabryka nie rusza pełną parą. Najpierw, wytwarzanych jest kilka egzemplarzy testowych, nad którymi przeprowadzane są liczne testy i doświadczenia. W przypadku dostrzeżenia błędów egzemplarz trafia z powrotem w ręce specjalistów, a ci wprowadzają do projektu wymagane poprawki. Czynność ta powtarzana jest do momentu, aż układ będzie pozornie prawidłowo wykonany. Pozornie, bo każdy procesor posiada błędy, których do dziś jeszcze nie wyłapano. Dalej projekt trafia na halę produkcyjną, ale o tym piszemy już na następnej stronie. ::: Produkcja rdzenia
Jak wspomniałem na wstępie, rdzenie procesorów wytwarzane są w bardzo specyficzny sposób. Nie są one produkowane indywidualnie, lecz zbiorowo. Wytwarzane są one na specjalnych płytkach krzemowych, tzw. waflach.
Jednak, proces produkcji takiego wafla trwa nawet kilka tygodni. Wszystko to ze względu na bardzo precyzyjną i mikroskopijną strukturę jądra. W trakcie produkcji wafla krzemowego wykorzystywanych jest około 450 procesów, m.in. tworzenie struktur, nanoszenie lakieru i jego oddzielanie, trawienie, suszenie, trawienie plazmą, wytrawianie czy nanoszenie poszczególnych warstw miedzi. Najważniejszą fazą produkcji, a zarazem najbardziej perfekcyjnie wykonywaną jest litografia, czyli naświetlanie. Polega ona na naświetlaniu mikroskopijnych struktur, w celu naniesienia na nich tranzystorów. W tym procesie wykorzystuje się bardzo drogie urządzenia, zwane naświetlarkami, które naświetlają fotorezystywne warstwy na krzemowym rdzeniu. Na szybkość procesora ma wpływ właśnie liczba znajdujących się w nim tranzystorów. Mieszczą się one na niewielkiej powierzchni (niewiele ponad 1 cm2) w kilku warstwach. W przypadku procesora Athlon liczba tranzystorów zbliżona jest do 37 milionów. Ułożone są one w tym przypadku w sześciu warstwach. Tego nie widać gołym okiem. Ujrzeć możemy jedynie przy użyciu mikroskopu. Tranzystory są odpowiednio uporządkowane i połączone wzajemnie. Oprócz liczby tranzystorów na rzeczywistą wydajność procesora mają wpływ również inne elementy. Szczególne znaczenie mają ścieżki i połączenia. Do produkcji ścieżek wykorzystuje się zazwyczaj jeden z dwóch surowców: ustępujące już powoli aluminium oraz stosunkowo młoda miedź. Producenci wolą wykonywać ścieżki miedziane, gdyż miedź wydziela mniej ciepła niż aluminium, przy okazji zapewniając lepsze przewodnictwo. Ścieżki miedziane również tworzone są w niekonwencjonalny sposób. Miedź znajduje się w postaci specjalnych krążków o średnicy kilkunastu centymetrów. Zostaje ona zbombardowana jonami, a następnie rozpylana jest nad waflem. Tak mikroskopijnie przygotowana miedź opada na powierzchnię płytki krzemowej tworząc ścieżkę miedzianą. Teoretycznie sama technologia produkcji procesorów jest bardzo prosta, jednak w praktyce nie ma chyba niczego bardziej skomplikowanego. Oprócz tego, w pomieszczeniach produkcyjnych obowiązują rygorystyczne normy czystości. Wszyscy pracownicy pracują w specjalnych kombinezonach.
::: Faza końcowa
Faza końcowa prowadzi do powstania normalnego procesora, gotowego do umieszczenia w każdym komputerze PC. Z gotowych wafli wycinane są poszczególne jądra procesorów. Ciekawostką jest to, że im bliżej środka wafla, tym większa jest prędkość pracy jądra procesora. Dlatego też z tej części wafla produkuje się obecnie najszybsze procesory, a z części zewnętrznych - mniej wydajne. Kiedy już wszystkie chipy zostaną wycięte, trzeba je umieścić w obudowach. Obudowy są kilkanaście razy większe od samego jądra procesora. Wykonane są z materiału stanowiącego izolator.
::: Podsumowanie
Proces produkcji procesorów ulega ciągłym ewolucjom. Wykorzystywane są w tym celu najnowsze technologie. Często słyszymy, że dany procesor został wyprodukowany, np. w technologii 0.18 mikrona. Co to znaczy? Otóż, znaczy wiele. Jest to tzw. kratowa definicja technologii, która mówi, jaka jest wielkość kratki, w której znajduje się dany układ.
W chwili obecnej, najwięcej procesorów wykonywanych jest w technologii 0.18 mikrona, lecz coraz częściej wykorzystuje się technologię 0.13 mikrona. Z pewnością wartość ta jeszcze nie raz spadnie, a rynek zaleją kolejne generacje procesorów charakteryzujące się większymi możliwościami i lepszą wydajnością niż ich poprzednicy. Historię wytwarzania procesora ciekawie określa prawo Moore'a. Podaje ono, że co 18 miesięcy podwaja się liczba tranzystorów w procesorze. Jeżeli taki wzrost postępował będzie systematycznie, już za kilka lat doświadczymy możliwości procesorów z zegarem ponad 10 GHz! W ciekawy żart wzbogacono wszystkie procesory Athlon wyprodukowane w fabryce w Teksasie. Otóż, ścieżki położone najbliżej powierzchni struktury są upakowane bardzo gęsto i precyzyjnie. Dalej obecna jest pusta przestrzeń, którą specjaliści z AMD wykorzystali do umieszczenia mapy Teksasu! Z całą pewnością jest to wymierzone przeciwko odwiecznemu rywalowi - Intelowi, z którym AMD od wieków walczy o palmę pierwszeństwa na rynku procesorów. Jak na razie skutecznie (choć ostatnio nie do końca) to mu się udaje. Mam nadzieję, że artykuł ten choć trochę przybliżył Wam budowę oraz sam proces powstawania serca Waszego komputera. |
Procesory te, oprócz miejsca produkcji, nie różnią się między sobą w budowie. Zbudowane są z kilku elementów, które produkowane są w innych fabrykach. W jednej powstają, np. wafle, czyli płytki krzemowe, które zawierają setki chipów będących jądrami procesora. Jeszcze gdzie indziej powstają obudowy procesorów, a na końcu wszystko to jest ze sobą łączone. Zazwyczaj odbywa się to na Dalekim Wschodzie (np. w Malezji). Z pewnością zastanawia Was, jakie surowce potrzebne są do produkcji CPU. Otóż, oprócz wspomnianego krzemu wykorzystuje się miedź lub aluminium, z których powstają wszystkie ścieżki. Niemały udział ma również woda, która musi zostać najpierw idealnie oczyszczona i zdejonizowana. W procesie produkcji używa się również wielu chemikaliów. Znając już podstawowe surowce, z jakich produkowany jest procesor, możemy zadać sobie pytanie: ile kosztuje proces produkcji jednego egzemplarza wraz z potrzebnymi materiałami? Otóż, okazuje się, że bardzo niewiele. Jednak, mimo wszystko ciężko jest tu cokolwiek oficjalnie powiedzieć, bo producenci trzymają informacje na ten temat w wielkiej tajemnicy. Z niektórych źródeł wynika, że są to niewielkie sumy, dziesiątki dolarów. Same składniki to koszt około 1 USD! W każdym bądź razie producent wiele zyskuje sprzedając taki produkt kilkadziesiąt- lub kilkasetkrotnie drożej, niż przeznaczył na jego produkcję. Jak przebiega proces produkcji serc komputerowych? Tego dowiecie się z dalszej części tego artykułu.