Jak se vyrábí procesor
Procesor je polovodičová součástka tvořená především křemíkovou destičkou s několika příměsem- dne Cu popužívané pro vodivé spoje uvnitř procesoru (dříve Al).Nejprve je vytvořen softwarový model procesoru označovaný jako RTL (Register Transfer Logic). Aby bylo testování co nejjednodušší, pracuje tento softwarový model mnohem pomaleji než skutečný procesor, zhruba na frekvenci 2 až 5 Hz. Souběžně s tím je testován další softwarový model, zvaný Arcsim, který na rozdíl od RTL pracuje v hladině špičkového tzv. high-end výkonu. Zvláštní testy jsou pak prováděny na velkém hardwarovém modelu. Takovýto model cipu je opravdu velký - často zabere celou místnost. Této fázi testování se říká emulace (emulation). Procesor je testován na skutečných sálových počítacích (mainframech), jejichž cena se pohybuje v rádu statisíců dolaru. Pokaždé, když je v procesoru objevena chyba, je celý model revidován, chyba je odstraněna a nakonec dostane opravený procesor nové označení v podobě kódu složeného ze dvou písmen. Jedná - li se o velký zásah do modelu, je modifikovaný procesor označen i zmenšeným písmenem (např. C4). Zásahy jsou prováděny speciálně vytvořeným iontovým paprskem, který umožňuje ve spojení s elektronovým mikroskopem měnit obvodové spoje, které jsou často velmi tenké. Proces testování dále pokračuje testováním kompatibility na spoustě hardwarových zařízení a tisících softwarových aplikací.
Je totiž velice důležité, aby procesor umel pracovat se stávajícím hardwarem na trhu a aby dokázal ovládat i současný software. V průběhu těchto testu je již hotový procesor montován do normálních počítačů a je testován zpravidla bez zásahu techniku. Procesory jsou samozřejmě podrobeny i různým výkonnostním testům benchmarkovými programy.Tím však testování nekončí. I po zahájení výroby jsou procesory podrobeny celé sérii testu trvajících 10 - 20 sekund. Přesto se však i v prvních sériích procesoru objevují chyby. Napr. v procesoru Pentium II bylo objeveno více než 50 chyb (2 % všech procesoru Pentia III se nevypíná). Tyto problémy se však týkaly okrajových oblastí, a tak se na běžném používání procesoru téměř neprojevily. Neznamená to, že by firmy investovaly málo peněz, úsilí a času do vývoje nového procesoru, ale spíše je to důkazem toho, že vyrobit kvalitní procesor je velice obtížná a náročná věc. Vezmeme-li např. procesor, který obsahuje 5 milionu tranzistoru. Pokud bychom chtěli prověřit všechny možné stavy procesoru, museli bychom vyzkoušet 25 milionu kombinací. Kromě toho musí procesor správně komunikovat se svým okolím, tzn. pamětí, základní deskou a periferiemi. Tolik tedy k jednotlivým fázím výroby procesoru.A jak je vlastně možné na plochu několika čtverečních centimetru umístit několik milionu tranzistoru. Bude řeč o mikronové technologii 0,25 µm a jí podobných.
Takže v čem to spočívá? Ještě v padesátých letech zabral počítač (výkonove srovnatelný s 286) celou místnost a jeho energetická spotřeba byla téměř neuvěřitelná. Většina spínacích obvodu tohoto počítače byla tvořena vakuovými elektronkami a drátěnými spoji. V šedesátých letech vyvinuli inženýři postup, díky němuž se podařilo tyto obvody integrovat na malé křemíkové destičky. Tím zmizely elektronky propojené dráty a vše se přesunulo do oblasti mikroskopických součástek. Polovodičová destička představuje jeden krystal křemíku, který se stává cílenými zásahy na některých místech vodivý a na některých nevodivý. Takto vzniklé "Mikropočítače" byly oproti svým předchůdcem nejenom astronomicky rychlé, ale nespotřebovávaly prakticky žádnou elektřinu. To byl okamžik zrození polovodičového průmyslu. U polovodičové techniky byl od počátku kladen obrovský důraz na miniaturizaci elektronických součástí. Zmenšování součástek tak ovlivnilo rozložení spínacích obvodu na křemíkové destičce. Tím se také velmi zkrátila dráha, kterou musí urazit letící elektron. Z toho také plyne, že se elektrony mohou pohybovat mnohem rychleji mezi jednotlivými funkčními prvky a to umožňuje vyrábět rychlejší procesory.
Dalším efektem vyvolaným zmenšováním používaných struktur je to, že není třeba tak vysoké napájecí napětí k ovlivnění jednotlivých spínacích obvodu a tím pádem se muže snížit příkon (a z toho plynoucí tvorba tepla).Od objevení polovodičové technologie se celý průmysl snaží vyrobit co nejmenší součástky tak, aby bylo dosaženo maximálního výkonu. Postup výroby procesoru je zpravidla nazýván podle nejmenšího prvku, který je možno vyrobit. To znamená, že pomocí stávající technologie 90 nm lze vyrobit prvky, které měří pouze 90 nm. Pro představu: lidský vlas má tloužku přibližně 80 µm.
Leakage current
Společnost AMD používá na výrobu svých procesorů od 13 µm technologii SOI- silicon on insulator(křemík na izolantu) od společnosti IBM. Tento způsob výroby výrazně redukuje tzv. leakage current (úniky proudu).Leakage current je, narozdíl od active current (aktivní proud - přepíná logický stav transistorů), nechtěný. Leakage je prakticky nekontrolovatelný, vytváří statický výkon. Statický výkon je takový výkon, který procesor vydá, i když vůbec nic nedělá. Jak se transistor stává menší, stále menší a menší množství atomů vytváří přechod mezi částmi transistoru. Části, které tak mají být izolovány, najednou vedou proud. Ten se, jak jinak, přemění v teplo. Následná vyšší teplota snižuje životnost a dále zhoršuje problém (odpor polovodičů se při vyšší teplotě snižuje, tj. proud ještě více roste). Vyšší teplota také negativně působí na vodiče spojující transistory, kde způsobuje naopak větší odpor.
Leakage current (nebo také Off current - "vypnutý" proud) roste s redukcí velikosti přechodu v transistoru exponencielně. Zatímco u starších generací procesorů nebylo příliš nutné se jím zabývat (drtivá většina spotřeby pocházela z dynamického výkonu), u nových designů může leakage činit až polovinu celkové spotřeby.
Pomalé spoje
Další problém - spoje mezi transistory začínají být příliš pomalé. Spoje mají jistou setrvačnost. Stále menší transistory si žádají stále menší spoje. Měděné dráty poprvé masově nasazeny firmou AMD před čtyřmi lety sice dokázaly podstatně snížit zpoždění na spojích, s rostoucí frekvencí se ale problém jen oddálil o pár let. Graf výše ukazuje, jak by situace vypadala, když by Intel nedávno nenarazil na problémy se zvyšováním frekvence Pentia 4 a tuto architekturu tzv. neposlal k ledu. Již v době 65nm technologie by zpoždění na spojích bylo větší než perioda hodinového signálu! V přípravě jsou optické spoje, které by měly tento problém zcela eliminovat. Jejich nasazení v komerčně dostupných řešeních má ale ještě hodně dlouhou cestu před sebou.
Jaká jsou řešení těchto problémů? Některé technologie, jako například Strained Silicon, slibují zvýšit rychlost transistorů i bez jejich zmenšování.
Vrstva siliconu (křemíku) je potažena vrstvou silicon-germania. Protože silicon-germanium má atomy dál od sebe, umožňuje snadnější průchod elektronů. Při kontaktu se silikonem je i ten "roztažen", čímž klesá jeho odpor a elektrony mohou snadněji proudit.
IBM, vynálezce této technologie, udává zrychlení proudu elektronů až o 70 procent, což ve výsledku znamená asi o 35 procent rychlejší čip. Nepříjemnou zprávou bohužel je, že někteří podezřívají strained silicon ze zvyšování leakage current.