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Comment les processeurs sont-ils réellement fabriqués?

fotografos / Shutterstock

Bien que le fonctionnement des processeurs puisse sembler magique, c’est le résultat de décennies d’ingénierie intelligente. À mesure que les transistors – les éléments constitutifs de toute micropuce – se rétrécissent à des échelles microscopiques, la façon dont ils sont produits devient de plus en plus compliquée.

Photolithographie

rétroprojecteur de classeJ. Robert Williams / Shutterstock

Les transistors sont maintenant si incroyablement petits que les fabricants ne peuvent pas les construire en utilisant des méthodes normales. Bien que les tours de précision et même les imprimantes 3D puissent réaliser des créations incroyablement complexes, ils atteignent généralement des niveaux de précision micrométriques (soit environ un trente-millième de pouce) et ne conviennent pas aux échelles nanométriques auxquelles les puces d’aujourd’hui sont construites.

La photolithographie résout ce problème en supprimant le besoin de déplacer très précisément des machines complexes. Au lieu de cela, il utilise la lumière pour graver une image sur la puce, comme un rétroprojecteur vintage que vous pourriez trouver dans les salles de classe, mais à l’inverse, en redimensionnant le pochoir à la précision souhaitée.

L’image est projetée sur une tranche de silicium, qui est usinée avec une très grande précision dans des laboratoires contrôlés, car un seul grain de poussière sur la tranche pourrait signifier perdre des milliers de dollars. La plaquette est revêtue d’un matériau appelé photorésist, qui répond à la lumière et est emporté, laissant une gravure du CPU qui peut être remplie de cuivre ou dopé pour former des transistors. Ce processus est ensuite répété plusieurs fois, construisant le processeur un peu comme une imprimante 3D accumulerait des couches de plastique.

Les problèmes de la photolithographie à l’échelle nanométrique

diagramme des défauts des plaquettes de silicium

Peu importe si vous pouvez rendre les transistors plus petits s’ils ne fonctionnent pas réellement, et la technologie à l’échelle nanométrique se heurte à de nombreux problèmes de physique. Les transistors sont censés arrêter le flux d’électricité lorsqu’ils sont éteints, mais ils deviennent si petits que les électrons peuvent les traverser. C’est appelé tunnel quantique et c’est un énorme problème pour les ingénieurs silicium.

Les défauts sont un autre problème. Même la photolithographie a un plafond sur sa précision. C’est analogue à une image floue du projecteur; ce n’est pas aussi clair lorsqu’il est gonflé ou réduit. Actuellement, les fonderies tentent d’atténuer cet effet en utilisant Lumière ultraviolette «extrême», une longueur d’onde beaucoup plus élevée que celle que les humains peuvent percevoir, en utilisant des lasers dans une chambre à vide. Mais le problème persistera à mesure que la taille diminuera.

Les défauts peuvent parfois être atténués avec un processus appelé binning: si le défaut touche un cœur de processeur, ce cœur est désactivé et la puce est vendue en tant que partie inférieure. En fait, la plupart des gammes de processeurs sont fabriquées en utilisant le même modèle, mais les cœurs sont désactivés et vendus à un prix inférieur. Si le défaut atteint le cache ou un autre composant essentiel, cette puce devra peut-être être jetée, ce qui entraînera un rendement inférieur et des prix plus élevés. Les nœuds de processus plus récents, tels que 7 nm et 10 nm, auront des taux de défauts plus élevés et seront donc plus chers.

Emballer

CPU divisé en différentes partiesMchlSkhrv / Shutterstock

Emballer le processeur pour un usage grand public ne se résume pas à le mettre dans une boîte avec du polystyrène. Lorsqu’un processeur est terminé, il est toujours inutile à moins qu’il ne puisse se connecter au reste du système. Le processus «d’emballage» fait référence à la méthode par laquelle la délicate matrice de silicium est attachée au PCB que la plupart des gens considèrent comme le «processeur».

Ce processus nécessite beaucoup de précision, mais pas autant que les étapes précédentes. La puce CPU est montée sur une carte de silicium et les connexions électriques sont effectuées sur toutes les broches qui entrent en contact avec la carte mère. Les processeurs modernes peuvent avoir des milliers de broches, le processeur AMD Threadripper haut de gamme en ayant 4094.

Étant donné que le processeur produit beaucoup de chaleur et doit également être protégé par l’avant, un «dissipateur de chaleur intégré» est monté sur le dessus. Cela entre en contact avec la matrice et transfère la chaleur vers un refroidisseur qui est monté sur le dessus. Pour certains passionnés, la pâte thermique utilisée pour établir cette connexion n’est pas assez bonne, ce qui entraîne des personnes délidir leurs processeurs pour appliquer une solution plus premium.

Une fois que tout est assemblé, il peut être emballé dans de vraies boîtes, prêt à être mis sur les étagères et à être inséré dans votre futur ordinateur. Avec la complexité de la fabrication, il est étonnant que la plupart des processeurs ne coûtent que quelques centaines de dollars.

Si vous êtes curieux d’apprendre encore plus d’informations techniques sur la fabrication des processeurs, consultez les explications de Wikichip sur procédés de lithographie et microarchitectures.

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