CPUのダイショット

CPUの動作は魔法のように思えるかもしれませんが、それは何十年もの巧妙なエンジニアリングの結果です。 トランジスタ(あらゆるマイクロチップのビルディングブロック)が微視的なスケールに縮小するにつれて、その製造方法はますます複雑になっています。

フォトリソグラフィー

オーバーヘッド教室プロジェクター

現在、トランジスタは非常に小さいので、製造業者は通常の方法でそれらを構築することができません。 精密旋盤や3Dプリンターでも信じられないほど複雑な作品を作成できますが、通常はマイクロメートルレベルの精度(約1千3千分の1インチ)であり、今日のチップが構築されているナノメートルスケールには適していません。

フォトリソグラフィは、複雑な機械を非常に正確に動かす必要をなくすことにより、この問題を解決します。 代わりに、教室で見つけられるヴィンテージのオーバーヘッドプロジェクターのように、画像をチップにエッチングするために光を使用しますが、逆に、ステンシルを希望の精度に縮小します。

画像はシリコンウェーハ上に投影されます。これは、制御された研究所で非常に高精度に機械加工されています。これは、ウェーハ上の単一のほこりが数千ドルを失うことを意味する場合があるためです。 ウェーハはフォトレジストと呼ばれる材料でコーティングされ、光に反応して洗い流され、CPUのエッチングが残り、銅で埋めたり、ドープしてトランジスタを形成したりできます。 その後、このプロセスは何度も繰り返され、3Dプリンターがプラスチックの層を構築するようにCPUを構築します。

ナノスケールフォトリソグラフィーの問題

シリコンウェーハ欠陥の図

トランジスタが実際に機能しなくてもトランジスタを小さくできるかどうかは問題ではなく、ナノスケールの技術は物理学に関する多くの問題に遭遇します。 トランジスタはオフになると電気の流れを停止するはずですが、トランジスタが非常に小さくなり、電子がその中を流れることができます。 これは量子トンネリングと呼ばれ、シリコンエンジニアにとって大きな問題です。

欠陥は別の問題です。 フォトリソグラフィでさえ、その精度には限界があります。 これは、プロジェクターからのぼやけた画像に似ています。 膨らんだり、縮んだりすると、はっきりしません。 現在、ファウンドリは、真空チャンバー内のレーザーを使用して、人間が認識できるよりもはるかに長い波長である「極端な」紫外線を使用して、この影響を緩和しようとしています。 ただし、サイズが小さくなっても問題は解決しません。

欠陥は、ビニングと呼ばれるプロセスで軽減できる場合があります。欠陥がCPUコアにぶつかると、そのコアは無効になり、チップはローエンドパーツとして販売されます。 実際、CPUのほとんどのラインナップは同じ設計図を使用して製造されていますが、コアが無効化されており、低価格で販売されています。 欠陥がキャッシュまたは他の重要なコンポーネントにヒットした場合、そのチップを廃棄する必要があり、歩留まりが低下し、価格が高くなります。 7nmや10nmのような新しいプロセスノードは欠陥率が高くなり、結果としてより高価になります。

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梱包する

CPUはさまざまな部分に分割

CPUを消費者向けにパッケージ化することは、発泡スチロールが入った箱にそれを入れるだけではありません。 CPUが終了しても、システムの他の部分に接続できない限り、CPUはまだ役に立ちません。 「パッケージング」プロセスとは、繊細なシリコンダイがPCBに取り付けられ、ほとんどの人が「CPU」と考える方法を指します。

このプロセスには多くの精度が必要ですが、前のステップほどではありません。 CPUダイはシリコンボードにマウントされ、マザーボードと接触するすべてのピンに電気接続が行われます。 最近のCPUには数千のピンがあり、ハイエンドのAMD Threadripperには4094のピンがあります。

CPUは大量の熱を発生するため、前面からも保護する必要があるため、「一体型ヒートスプレッダー」が上部に取り付けられています。 これはダイと接触し、上部に取り付けられたクーラーに熱を伝達します。 一部の愛好家にとって、この接続に使用されるサーマルペーストは十分ではないため、人々はプロセッサを取り除いてよりプレミアムなソリューションを適用しています。

すべてが揃ったら、実際のボックスにパッケージ化して、棚にぶつけたり、将来のコンピュータに組み込むことができます。 製造が非常に複雑なため、ほとんどのCPUが数百ドルしかないのは不思議です。

CPUの製造方法に関するさらに詳しい技術情報を知りたい場合は、リソグラフィプロセスとマイクロアーキテクチャに関するWikichipの説明をご覧ください。