Mikroprocesor – bardziej skomplikowany,ale tańszy od samochodu i dlaczego ?

Niektórzy ludzie oceniający rzeczy po ich cenach mogliby uznać,że dobry mikroprocesor jest mniej wart od samochodu.Mało kto docenia i dostrzega tu różnicę masy.Oczywiście związane są z tym też przyczyny użytkowe – ale fakt pozostaje faktem: Z racji jej masowości technika mikroprocesorowa jest bardzo niedoceniana i wielu ludzi nie zdaje sobie sprawy, jak złożoną kwestią jest uzyskanie tego mieszczącego się w dłoni układu elektronicznego, wartego te kilkadziesiąt (te stare), kilkaset do kilku tysięcy złotych.Tymczasem o ile dobry mechanik byłby w stanie złożyć jakiś samochód w garażu, to złożenie prostego wydawałoby się procesora typu ASIC wymaga już bardziej kosztownego sprzętu i jest nieco trudniejsze w praktyce…

Aby wytłumaczyć w czym leży problem zacznijmy od materiału filmowego (przypuszczalnie reklamowego) firmy GlobalFoundries , produkującej mikroprocesory m.in. dla takich firm jak AMD i Qualcomm – być może dzięki niemu osoby znające język angielski zrozumieją skalę problemu:

Jak można się dowiedzieć z załączonego filmu istnieją następujące główne problemy związane z produkcją mikroprocesorów – są to:

A) Odpowiednie zaprojektowanie mikroprocesora – niech was nie zwiedzie mały czas jaki temu poświęcono,w praktyce projekt jest kluczowy dla realizacji działania chipu w sposób prawidłowy. Nie chodzi tu tylko o ograniczenie takich problemów jak elektromigracja , wycieki elektronów czy degradacja obwodów – w praktyce pomimo faktu,że dużą część projektu mikroprocesora do formy finalnej opracować może komputer, fakty są takie,że algorytmy projektowania obwodów są wciąż na tyle niewydajne, że kluczowe elementy – celem zaoszczędzenia energii zużywanej przez obwód i miejsca na chipie muszą projektować i przeprojektowywać ludzie. Inna od oczekiwanej pozycja rynkowa (przynajmniej w porównaniu z tym czego oczekiwała firma AMD) układu AMD FX (Buldozer) w zakresie zbyt dużego zużycia energii i miejsca wg wypowiedzi 1 z byłych inżynierów AMD była właśnie spowodowana tym,że inżynierowie AMD nie projektowali kluczowej części procesora. (Swoją drogą w tym artykule po raz kolejny użyte jest słowo Silikon zamiast krzem.W języku polskim zaś silikony to nieco inne materiały – polimery krzemoorganiczne, nie krzem – jakość dziennikarstwa technicznego w Polsce po prostu jest żałosna). Poziom komplikacji mikroprocesorów przedstawię poniżej na mikrofotografii procesora UltraSparc T2:

Sparc T2 Open Source Chip

Proste ? Nie sądzę. Uproszczony diagram ? Proszę bardzo:

T2 - Diagram

Obecnie produkowane inne procesory nie wyglądają dużo prościej…

B) Produkcja – problemy produkcyjne zostały częściowo wymienione w filmie dokładniej.Wymieńmy je zatem:

  • Uzyskanie oczyszczonego krzemu – krzem zanieczyszczony oznacza wadliwe układy.W dodatku np. pierwiastki promieniotwórcze w układach pamięci, czy procesorach mogą spowodować błędy – dlatego konieczne jest ich usunięcie.
  • Wytworzenie monokryształu – z reguły metale w tym krzem krystalizują jako polikryształy,konieczne jest zatem zapewnienie do krystalizacji specyficznych, ściśle określonych warunków tak by nie doszło do zarodkowania polikryształów w strukturze. Nawet w przypadku fotowoltaiki polikryształy są mniej wydajne – cóż dopiero mówić o przypadku procesorów.Wytworzenie monokryształu zajmuje bardzo długi czas,a wytworzenie monokryształu o odpowiedniej średnicy jest kluczowe – im większa średnica, tym więcej układów można wytworzyć na pojedynczym „waflu”, co przekłada się na zysk i cenę.
  • Prawidłowe wycięcie „wafli” (ang. wafer) monokrystalicznych – może i pomijane, ale bardzo ważne. Grubość pojedynczej warstwy to przecież ułamek milimetra,ważna jest też orientacja krystalograficzna, ze względu np. na późniejsze domieszkowanie.
  • Walka z pyłem i funkcjonowanie cleanroomu – pokazane na filmie, problem uzyskania środowiska o czystości np 1000 razy większej niż naturalna jest dość złożony i wymaga nie tylko ubioru ochronnego ale i stałego zaawansowanego filtrowania i odprowadzania powietrza. Powietrze w takich clean roomach może być wymieniane setki razy,ciśnienie jest zaś często nieco wyższe, by powietrze jeśli już „uciekało” a nie przepływało (z zanieczyszczeniami) do środka.
  • Uzyskanie (co najmniej kilku) określonych warstw „matryc”, dzięki technikom fotolitografii (obecnie m.in. ultrafiolet) z zastosowaniem odpowiedniej chemicznej warstwy ochronnej. Brzmi pięknie w teorii,w praktyce jednak wymaga odpowiednich soczewek,odpowiedniej wiązki światła,odpowiedniej manipulacji wiązką i odpowiedniego ułożenia „wafla”.
  • Wykorzystanie technik implantacji jonów/domieszkowanie – wymaga odpowiednich metod nanoszenia warstw atomowych,tak samo trawienie – wymaga określonych kwasów.I wszystko oczywiście przy zachowaniu odpowiedniej dokładności !
  • Wycięcie pojedynczych mikroprocesorów
  • Testowanie – nie wspomniane,tymczasem oprócz ilości praktyczny uzysk (czyli udział  sprawnych mikroprocesorów) zależy właśnie od niego.tzw.Uzysk nie jest podawany przez producenta,tak samo jak nie były podawane parametry przy których procesor zaczynał działać niestabilnie. Realnie w latach 90-tych bywało tak,że tylko 50% procesorów przy otwarciu produkcji było sprawnych,oczywiście w miarę jak ją kontynuowano – błędów znacznie ubywało.Proces testowania jest bardzo złożony i wymagający.I tak, jak w przypadku oprogramowania – wszystkiego przetestować się zapewne nie da, dlatego trzeba się pilnować przy produktach pierwszej danej generacji.Tym niemniej, producenci w obecnych czasach wypuszczają również poprawki do oprogramowania procesorów.Zysk to co najmniej kilka procent wydajności,stąd czasem warto takie poprawki zainstalować – jest to w końcu równie dobre rozwiązanie jak np. rekompilacja programów na danym procesorze celem polepszenia wydajności.
  • Osadzanie mikroprocesora na podstawce – na filmie wygląda bardzo prosto i ładnie – ale niech was to nie zmyli.Tu bardzo łatwo o błąd i uszkodzenie mikrochipu.  Łączenie między nóżkami a układem wbrew pozorom jest równie krytyczną, co pozostałe momenty częścią procesu produkcyjnego.

Wafer - wikipedia

Jak widać na podstawie tych informacji i filmu wytworzenie mikroprocesora generalnie wymaga laboratoryjnej czystości i dokładności na wszystkich poziomach procesu produkcyjnego która jest bardzo kosztowna i praktycznie nieosiągalna w zwykłym garażu dla zwykłego człowieka.Co nie znaczy,że dla każdego zwykłego człowieka.Czy elektronika drukowana w technologii 3d będzie tu jakimś rozwiązaniem ? Zobaczymy.Aczkolwiek elektronika wysokiej jakości drukowana w technologii 3d zapewne nie będzie dostępna zbyt szybko, ze względu na problemy które wymieniłem i które w jakiś sposób muszą być najpierw rozwiązane. Nieco lepiej sprawy się mają jeśli chodzi o układy FPGA – jako wzorzec małoseryjnego procesora, bądź innego układu układy programowalne mogą  być swobodnie wykorzystane bez ponoszenia takich kosztów jakie byłyby potrzebne dla uzyskania złożonego układu ASIC.

Zresztą porównanie procesora i samochodu można streścić krótko – jeśli zepsuje się procesor za kilka tysięcy złotych to nic nie pomoże odesłanie go do mechanika.Dlaczego ? Przecież są ludzie którzy używają i samochodów za kilka tysięcy złotych w Polsce i je naprawiają,poddają tuningowi (no dobrze – procesory też można przetaktować ale nie o to chodzi) i przeróbkom. Rzecz w tym,że takie rzeczy w przypadku procesorów są w praktyce nie do zrealizowania. Dlaczego ? Ponieważ właśnie – procesor czy jego naprawa byłyby ZBYT SKOMPLIKOWANE

Ze względu na dostępność narzędzi,komplikację/kompleksowość i skalę…

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s