Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, 566 01 Vysoké Mýto
Registrační číslo projektu
CZ.1.07/1.5.00/34.0951
Šablona
III/2 INOVACE A ZKVALITNĚNÍ VÝUKY PROSTŘEDNICTVÍM ICT
Autor
Mgr. Petr Štorek
Název materiálu
6. CPU – výroba
Ověřeno ve výuce dne
7. 11. 2012
Předmět
Informatika
Ročník
Kvinta
Klíčová slova
Wafer, CPU, integrace.
Anotace
Prezentace podrobně seznamuje s jednotlivými fázemi výroby CPU. Součástí materiálu je soubor vytvořený pomocí aplikace MS Word. Obsahuje článek v anglickém jazyce, který žáky seznamuje s pojmem CPU a zároveň je nutí využít při praktické výuce dovednosti nabyté v jiném vzdělávacím předmětu, tj. anglickém jazyce.
Metodický pokyn
prezentace je určena jako výklad do hodiny i jako materiál určený k samostudiu
Počet stran
48
Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora.
Složení počítače typu PC Které základní součásti podle Vás tvoří počítač typu PC? (Podklady pro svou odpověď můžete nyní vyhledat na internetu.)
3
Základní součásti počítače typu PC • CPU; • hlavní paměť (DRAM, EDO, SDRAM, DDR); • přídavné sloty, propojené pomocí různých sběrnic; • systémové hodiny; • adaptér klávesnice; • adaptér myši; • řadič disketové jednotky; • primární rozhraní EIDE určené pro připojení pevných disků a mechanik CD-ROM či DVDROM; • sekundární rozhraní EIDE.
Složení počítače typu PC Které další prvky mohou obsahovat základní desky? (Uvažujte, že k počítači mohou být připojena další zařízení.)
5
Části základní desky (motherboard) • • • • • • • • • •
chladič procesoru; sériový port nebo COM port, paralelní port; statická vyrovnávací paměť (cache); porty USB; grafická karta, zvuková karta; napájecí zdroj; řadič disketových jednotek a disketové jednotky; řadič pevného disku a pevný disk; mechaniky CD-ROM; chladiče.
Vývojová tendence PC Zdůvodněte na základě Vám známých historických skutečností z vývoje počítačů, proč se některé z uvedených komponent v dnešních počítačích buď vůbec nevyskytují, nebo je jejich začlenění do PC zcela odlišné od předloženého přehledu.
Tendence integrace • Vývoj PC směřuje k menším a rychlejším součástkám a také k větší integraci. • Některé tradičně samostatné součásti jsou vestavěny – integrovány - do základních desek (integrované grafické a zvukové karty, modemy, síťové karty).
CPU Zjistěte z přiloženého dokumentu cpu.doc, jaké zařízení se skrývá pod zkratkou CPU a které vlastnosti má.
CPU = Central Processing Unit • označení pro centrální prostor počítače; • ústřední komponenta počítače, která provádí všechny důležité výpočty; • skládá se z vyrovnávací paměti L1, operační jednotky, řídící jednotky (řadič), vyrovnávací paměti druhé úrovně L2 a matematického koprocesoru; • v současnosti se používají vícejádrové procesory.
Výroba CPU Pro výrobu polovodičů se používá křemík, který se získává z křemičitého písku, ve kterém se vyskytuje v podobě oxidu křemičitého.
Fáze čištění a tání Na konci procesu čištění je čistota získaného křemíku tak vysoká, že na miliardu jeho atomů připadá jeden atom cizí. Po čištění nastává fáze tání, na jejímž konci z roztaveného křemíku vzniká monokrystal s pravidelnou strukturou zvaný ingot.
Monokrystal křemíku
Ingot Monokrystalický ingot se vyrábí z elektronického silikonu. Každý ingot váží přibližně 100 kg a má čistotu 99, 9999 %.
Ingot z čistého silikonu
Krájení waferů Ingot je následně krájen na wafery – tenké plátky. V současnosti jsou výsledkem krájení wafery o průměru 300 mm.
Krájení waferů II
Leštění waferů Po ukončení krájecí fáze jsou jednotlivé disky leštěny, dokud se nedosáhne zcela hladkého povrchu, který svým vzhledem připomíná zrcadlo.
Lakování Po leštění následuje lakování fotorezistivní tekutinou. Při nanášení modré tekutiny wafer rychle rotuje, což umožňuje rovnoměrné rozptýlení tekutiny po celé jeho ploše.
Expozice waferu Nanesenou vrstvu fotorezistu je třeba osvítit ultrafialovým zářením. Exponovaný fotorezistivní materiál se po osvícení UV světlem rozpustí. Maska procesoru se zmenšuje pomocí lupy (uprostřed), takže exponované dráhy na waferu jsou ve skutečnosti menší než promítaná maska.
Expozice waferu
Expozice tranzistoru • Jeden wafer může pojmout stovky mikroprocesorů. • Nyní se osvítí nejmenší součásti procesoru, na jednotlivé tranzistory.
Expozice tranzistorů
Leptání • Osvícený fotorezistivní materiál se odstraní pomocí rozpouštědla. • Zbytky fotorezistivního materiálu slouží k zabezpečení ploch, které mají zůstat zachovány. • Nechráněné plochy jsou odleptány různými chemikáliemi.
Leptání
Odstranění fotorezistu • Po vyleptání nechráněných ploch se odstraní i vrstva fotorezistu a zbývá křemík v požadovaném tvaru.
Druhá vrstva fotorezistu • Před další úpravou je na křemík nanesena další vrstva fotorezistu, která se osvítí UV světlem a opět se očistí. • Tentokrát má za úkol chránit křemík před dopady iontů, kterými se bude wafer ostřelovat v příští fázi.
Další vrstva fotorezistu
Ostřelování ionty • V této fázi výrobního procesu se wafer ostřeluje iontovými částicemi, které se implantují do křemíkového waferu (tzv. dopování) a zlepšují jeho elektrickou vodivost. • Ionty narážejí do povrchu waferu rychlostí vyšší než 300 000 km/h.
Ostřelování ionty
Ostřelování fotorezistu • Po iontové implantaci je třeba opět odstranit vrstvu fotorezistního materiálu. Na dopovaných místech je nyní možné rozpoznat cizí atomy, které se liší drobnou barevnou odchylkou (zelená/ světle zelená).
Hotový tranzistor • Nyní je tranzistor téměř hotový. • Izolační vrstva (fialová) obsahuje tři otvory, které se plní mědí a představují vodivé spoje umožňující propojení s ostatními tranzistory.
Galvanizace • Během galvanizace je wafer pokryt roztokem sloučeniny mědi. • Ionty mědi se přenášejí z kladně nabité anody (výše) na wafer (níže), který slouží jako katoda. • Měděné ionty zůstávají na tranzistoru.
Galvanizace
Vrstvení Druhou galvanizací je na povrchu waferu je vytvořena souvislá vrstva mědi.
Vodivé vrstvy • Na povrch waferu je po galvanizacích a odstranění přebytečné mědi nanášena řada vodivých vrstev, které mezi sebou spojují jednotlivé tranzistory. • Vedení těchto vodivých drah je součástí naplánované architektury procesoru.
Vytváření vodivých vrstev
Test waferu • Wafer obsahuje více procesorů, z nichž každý prochází testováním. • Na základě výsledků testů jednotlivých křemíkových plošek se rozhoduje o jejich dalším osudu.
Testování waferu
Rozřezání waferu • Wafer je po testování rozřezán na jednotlivé křemíkové plošky. • K výrobě procesoru jsou použity pouze ty, které splní výrobcem stanovená pravidla, tj. obstojí ve všech testech a měřeních.
Rozřezání waferu
Křemíkový čip • Křemíková část procesoru Core i7 po vyříznutí z waferu.
Balení Křemíková část je zasazena na nosnou destičku, která slouží jako rozhraní procesoru pro připojení do základní desky. Ze shora je navíc překryta kovovou částí, která lépe odvádí teplo.
Balení procesoru
Testování výkonu procesoru • U hotového procesoru je ještě testován výkon procesoru. • V této fázi je zkoumáno tepelné vyzařování a maximální frekvence, s jakou je daný kus schopen bezpečně pracovat. • Výsledná frekvence je laserem zaznamenána na kryt procesoru.
Testování procesoru
Úlohy na zopakování 1. Co je CPU? 2. Vyjmenuj části CPU. 3. Který chemický prvek je nezbytný pro výrobu CPU? 4. Co je wafer? 5. K čemu slouží fotorezist? 6. Jakou funkci má ostřelování waferu ionty? 7. Proč se při tvorbě CPU používá měď? 8. Jakou funkci má nosná destička procesoru?
Použité zdroje [1] DOSTÁL, Jiří. Hardware moderního počítače. Olomouc: Univerzita Palackého, 2011, 77 s. ISBN 978-80-244-2787-4. [2] NGUYEN, TUAN a KEVIN PARRISH. Intel Shows How A CPU Is Made. Tom's hardware [online]. 2009 [cit. 2012-11-03]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/picturestory/514-intel-cpu-processorcore-i7.html
[3] PETŘÍČEK, Lukáš. Jak vzniká procesor aneb procesorová kuchařka. In: Svět hardware [online]. 2006 [cit. 2012-11-04]. Dostupné z: http://www.svethardware.cz/art_doc-506BED54AF19BBB3C12571 DF0041ECAA.html
