Что находится под крышкой процессора

От песка до процессора

Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?

Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )

Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».

Производство процессоров

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Уроки химии

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO₂) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Первоначально берется SiO₂ в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.

Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (

12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Фотолитография

— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.

Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.

Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.

Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Финишная прямая

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

Привет, сокет!

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.

The end

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.

Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?

BONUS

Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.

Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.

Успехов!

Источник

Как установить или заменить процессор в компьютере

Содержание

Содержание

Современный компьютер похож на конструктор. Только дети собирают трансформеров, а взрослым подавай видеокарты да процессоры. Когда необходимо установить или заменить компьютерную запчасть, появляется много нюансов и мелочей, без которых правильно собрать и настроить технику не получится. Здесь навыков игры в LEGO недостаточно. В такой ситуации всегда лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, поэтому мы покажем весь процесс от А до Я.

Подготовка

Save your game

Перед любой вылазкой в недра системного блока главное — сохранить важные данные куда-нибудь подальше. Например, на внешний жесткий диск, а еще лучше в домашний NAS или в облако. Уже после этого руки станут дрожать меньше и реже.

Как правило, после переустановки процессора сбрасываются настройки BIOS — их тоже лучше сохранить в специальный профиль. Также учитываем, что вместе с настройками полетят и другие параметры: RAID, если он настроен силами чипсета; разгон и настройка оперативной памяти. Поэтому еще раз и погромче:

Перед любой работой с комплектующими сохраняемся по-максимуму.

Набор домашнего админа

Для работы с компьютерной электроникой хватает классического набора инструментов:

А если работать по фэн-шую и в комфортных условиях, то вот список того, что точно понадобится для ремонта:

Разбираем систему

Отключаем системник

Перед тем, как заглянуть в системник, его нужно обесточить. Выключаем компьютер кнопкой «Завершить работу», дожидаемся полного выключения и щелкаем тумблер на блоке питания, а затем достаем вилку из розетки:

Снимаем боковые панели

Модные и современные корпуса имеют стеклянные боковые панели, которые крепятся на четырех винтах. Обычно на них присутствуют резиновые проставки — их лучше не терять:

Батарейка

Перед работой с электроникой в корпусе, необходимо вытащить батарейку CMOS. После этого компьютер будет полностью обесточен и готов к любым действиям:

Посторонние помехи

Для удобства работы с околосокетным пространством следует убрать лишние провода и детали. Например, достать видеокарту:

Система охлаждения

Для доступа к процессору необходимо снять систему охлаждения.

В зависимости от состояния термопасты между процессором и теплосъемной плоскостью кулера может возникнуть проблема с их разъединением. Чаще всего это происходит с процессорами AMD (особенность геометрии крышки процессора). В случае, если система охлаждения не собирается отставать от процессора, ни в коем случае не тянем ее на себя, вырывая процессор из сокета. Также нельзя тащить на излом — для безопасного снятия необходимо плавно прокручивать радиатор по часовой стрелке относительно процессора, постепенно смещая плоскости относительно друг друга. После каждого прокручивания нужно пытаться разъединить детали.

Для платформы Intel используются системы как с «боксовым» креплением, так и универсальным. В первом случае необходимо провернуть защелки против часовой стрелки до упора и потянуть на себя, чтобы освободить ход «ершей» в отверстиях материнской платы. Так работает похожая система от стороннего производителя:

Заводское крепление охлаждения для процессоров AMD обладает быстросъемной системой, где нужно отпустить прижимную лапку, и радиатор будет освобожден.

Универсальные системы крепления снимаются проще и нагляднее: достаточно открутить четыре винта и процессор свободен. Это относится как к системам Intel, так и AMD:

Перед снятием радиатора не забываем вытащить клемму вентилятора или помпы из разъема:

Очищаем рабочие поверхности

Для улучшения теплопередачи с процессора на радиатор кулера используется термопаста. После снятия системы она окажется непригодной для повторного использования, поэтому ее нужно убрать:

Остатки термопасты лучше убирать мягким материалом или ватным диском, а после обезжирить. Если термопаста присохла и не поддается снятию без усилий, лучше воспользоваться каким-либо растворителем: спиртом или специальным средством для снятия термопасты.

Аналогичные действия проводим и с подошвой охлаждения:

Установка нового процессора

Во время установки нового процессора необходимо соблюдать несколько правил. Процессор — это хрупкий элемент и его легко повредить неаккуратными движениями. Например, у процессоров Intel есть дополнительные компоненты со стороны контактной площадки, которые легко сбиваются от ударов или грубых действий. Не забываем и про контакты в сокете — больше тысячи ножек так и ждут, чтобы их погнули:

Процессоры AMD имеют специфическое строение контактов: если у конкурентов это просто контактные площадки, то у «красных» это более тысячи внешних проводников типа «ножки». Они очень эффектно заминаются под воздействием пальцев неаккуратного пользователя:

Чтобы избежать повреждений во время демонтажа или установки процессора, необходимо знать об этих нюансах. Для этого нужно правильно обращаться с процессором: держать аккуратно за края и обязательно в антистатических перчатках:

Вынимаем старый

Чтобы достать процессор из материнской платы, необходимо открыть сокет. Процессоры AMD держатся в нем только за счет тех самых ножек. Достаточно потянуть за рычажок, чтобы сдвинуть контакты внутри сокета и освободить процессор:

Сокеты для процессоров Intel устроены иначе — контакты процессора должны плотно прилегать к контактам в разъеме. Особенность такой конструкции диктует свои условия: прижимная сила в сокете достаточно высокая, поэтому не нужно бояться применить чуть больше усилия в работе.

Для открытия сокета необходимо нажать на лапку, сдвинуть ее в сторону от сокета и поднять вместе с нажимной рамкой. Это освободит процессор и его можно будет достать:

Перед установкой

Прежде чем установить новый процессор, необходимо осмотреть его на наличие сколов, а также отсутствие испорченных контактов и поврежденных электронных компонентов на задней части:

Монтаж

Процессоры обеих платформ имеют защиту «от дурака» и просто физически не установятся в гнездо сокета, если их расположить неверным образом. И все же, производители предусмотрели второй уровень защиты: ключи-треугольники. На процессоре:

Чтобы не гадать, какой стороной установить процессор в разъем, достаточно совместить треугольники в одном направлении:

После остается опрокинуть верхнюю часть сокета и зафиксировать систему рычажком. Нажимаем на металлическую лапку и заводим ее под замок:

Установка системы охлаждения

Наносим термопасту

Одна из философских тем на любом ресурсе — сколько термопасты наносить и каким способом размазать ее на процессоре. Энтузиасты проводят целые тесты и исследования, замеряют температуру и сравнивают различные пасты. Но эти «гонки» скорее из разряда «наши руки не для скуки», поэтому обычному пользователю с его домашней системой будет достаточно получить базовые знания по этой теме. Если лень читать, можно посмотреть видео, наглядно и мельчайших подробностях:

Если вместе с процессором меняется и система охлаждения, то, скорее всего, на подошве нового кулера уже будет нанесен заводской слой термопроводника — устанавливаем и пользуемся. Для уверенности можно изучить и ассортимент самих паст, чтобы подобрать лучшее по цене/качеству. В остальных случаях смотрим видеоинструкцию и выбираем метод по душе:

Например, легендарная термопаста Arctic Cooling MX-4 до сих пор эффективно охлаждает мощные восьмиядерники в разгоне:

При нанесении нужно учитывать, что сама по себе паста проводит тепло хуже, чем чистый металл, но намного лучше, чем воздушная прослойка между двумя плоскостями. Для этого слой термоинтерфейса должен быть как можно тоньше, но равномерным и без посторонних предметов, ворса и пыли:

Возвращаем радиатор на место

Система охлаждения процессора собирается в обратной последовательности.

Если это платформа Intel с боксовым (стандартный) кулером на клипсах, то его необходимо подготовить — нужно взвести все четыре ножки крепления, а затем вставить «ершики» в отверстия возле сокета и зафиксировать их нажатием клипс.

Стандартная система охлаждения AMD работает еще проще — возвращаем на место радиатор и рычажком придавливаем его к процессору. Тема установки различных систем уже неоднократно обсуждалась.

Универсальные системы с четырьмя винтами идентичны на всех платформах. Попадаем креплением радиатора или водоблока по четырем стойкам и притягиваем с усилием — качественные системы выполнены таким образом, чтобы длина резьбы притягивающих гаек закончилась раньше, чем он успеет перетянуть:

После установки не забываем подключить вентиляторы и помпу (если установлена жидкостная система охлаждения). Вентиляторы подключаются к разъему CPU FAN, а помпа управляется через AIO PUMP — названия могут меняться в зависимости от производителя.

Сборка

Возвращаем батарейку BIOS на место:

А также устанавливаем видеокарту и не забываем подключить к ней дополнительное питание:

Проверяем, все ли разъемы и провода находятся на своих местах, закрываем боковые крышки и делаем пробный пуск системы:

Компьютер включился, инициализация BIOS завершилась и на экране появился экран загрузки операционной системы — задача по установке нового процессора выполнена успешно!

И еще.

После установки новых комплектующих или смены термопасты нужно убедиться, что компьютер работает в нагрузке исправно и стабильно. Для этого можно запустить стресс-тест, например AIDA System Stability Test:

Для изначально исправной системы достаточно 10 минут, чтобы процессор вышел на постоянную рабочую температуру в нагрузке — если компьютер продолжает работать и не перегревается, то миссию можно считать выполненной полностью.

Источник