Jak vzniká procesor aneb procesorová kuchařka

Protože k tématu se váže pár relevantních skutečností, začneme trochu oklikou. Spoluzakladatel Intelu, Gordon Moore, již v roce 1965 vyslovil prognózu, že počet součástek na čip se každý rok zdvojnásobí při zachování stejné ceny. S rostoucí složitostí výroby a návrhu čipů bylo toto empiricky ověřené pravidlo posléze lehce upraveno na zhruba 2 roky (uvádí se také průměrný údaj zhruba 18 měsíců). Z Moorova zákona plyne také jedna podstatná věc k návrhu procesorů, a to možná velikost čipu, vzhledem k právě dostupné výrobní technologii. Možné tempo vývoje procesorů je proto poměrně snadno odhadnutelné a z větší části dané. A to právě tempem vývoje litografie a možnostmi dostupných technologií výroby procesorů.

Díky stále expandujícímu trhu IT, pokročilejším výrobním technologiím a snižující se ceně se stal výkonný a moderní procesor dostupný téměř pro každého. Poněkud nevýhodným trendem je ovšem to, že nároky na stavbu pokročilých továren a přístrojů na litografii pro výrobu čipů stoupají extrémním tempem, a to mnohem rychleji, než roste trh s procesory. Návrhy a výroba čipů současnou technologií sice občas, ale stále častěji, naráží na jistá úskalí, ale zatím se je daří poměrně dobře překonávat. Moorův zákon tak bude patrně ještě nějaký ten rok platit.

Aby byla výroba procesoru rentabilní, musí se velikost čipu držet na přijatelných mezích. Kromě toho, že s větší velikostí se na wafer (křemíkovou oplatku) vejde méně jader, stoupá také pravděpodobnost toho, že zde bude defekt, kvůli kterému nebude možné toto jádro použít. Výrobce procesorů se samozřejmě snaží zužitkovat co nejvíce jader z každého waferu, a proto také často uvádí třeba kusy s deaktivovanou částí L2 cache, což je poměrně snadno proveditelné.

Návrh procesoru

Návrh dnešních moderních procesorů je proces nesmírně složitý a nutno podotknout, že bez pomocí samotných počítačů a procesorů dnes proces již zcela nemyslitelný. Po návrhu čipu a jak bude čip pracovat vyplyne na konci návrhu řada masek, které se s vývojem a každou revizí či prototypem samozřejmě mění. Tyto masky jsou poté použity při samotném procesu výroby čipu.

Při návrhu procesoru se stejně jako v jiných odvětvích vychází zejména z dosavadních zkušeností a osvědčených řešení. Návrhy dnešních procesorů jsou kromě velikosti čipu limitovány, což jasně plyne z omezené plochy na waferu a výrobního procesu, také možnou frekvencí čipů opět vzhledem k jejich architektuře a zmiňovanému výrobnímu procesu, jejich následným chlazením a řadou dalších faktorů.

Další problémy s výrobou mikroprocesorů plynou ze samotné a stále se zmenšující výrobní technologie a rostoucí složitosti čipů. Stále větším problémem jsou úniky proudu, statická spotřeba a relativně velmi omezené možnosti škálování napětí vzhledem k stále menší výrobní technologii. Dále tu je lokální přehřívání a stále vyšší teploty v určitých částech čipu, případně špatná distribuce tepla v určitých částech mikroprocesoru, a to zejména v případě složitého a zároveň malého jádra s vysokými frekvencemi. Také kvůli konkurenčnímu prostředí na trhu s procesory, které nutí výrobce využívat výrobních technologií až do jejich absolutních limitů.

Zde bych se dovolil odkázat na náš starší, ale vynikající článek Vyvíjet nové čipy bude složitější:

• 1. část
• 2. část

K realizaci navrhování procesorů se používají specializované softwarové nástroje, kde inženýři navrhující obvod, definují jeho funkce, specifikují signály, vstupy a výstupy, potřebné napětí apod. Specifikace těchto obvodů jsou dále předány softwaru pro návrhy obvodů jako je například SPICE a pak dále importovány pro zpracování softwarem (například od ASML), podobným CADu. To je nezbytné pro definování vrstev a pro produkci masek (posléze použité pro výrobu čipů).

S konkrétním návrhem procesoru a specifikací jednotlivých částí čipu dostávají jednotlivé části čipu stále zřetelnější a konkrétnější podobu. Nic samozřejmě není tak jednoduché a kromě stálého testování funkčnosti, prochází budoucí masky vývojem, protože funkční koncept nebo dokonce již prototyp ještě neznamená, že procesor je dostatečně zralý pro masovou výrobu. Kromě chyb v samotném procesoru a designu je tu také otázka výtěžnosti a dosažitelných frekvencí, škálovatelnosti, statické (v současnosti jsou třeba stále větším problémem proudové úniky) i dynamické (například možné lokální přehřívání a špatné distribuce tepla) spotřeby.

Krásnou ukázkou, vzhledem k postupnému „zdokonalování“ a odstraňování řady problémů, je architektura Netburst od Intelu. Pokud pomineme ne až tak dokonale realizovatelný koncept postavený na velmi vysokých frekvencí, tedy kromě marketingového hlediska a ceny, protože ten byl takřka geniální, bylo relativní konkurenceschopnosti a odladění řady problémů právě se spotřebou dosaženo až s 65nm výrobním procesem. Ovšem vzhledem k výborné architektuře AMD64 a uvedení Core 2 to stejně nebylo dostatečné. Níže lze vidět prototyp Athlonu 64 vyrobeného 65 nm výrobní technologií. Všimněte si „hluchých“ míst, kde je kvůli použití hustější implementace L2 cache spousta nevyužitého místa, což by samozřejmě v případě prodejního kusu bylo nepřijatelné (pro srovnání poslední revize F dvoujádrového Athlonu 64).

Od „prvního křemíku“ (prvních vzorků čipu), až k finální várce masek a finálnímu procesoru, který půjde do prodeje, je to kus cesty. A až pak může začít onen proces, kdy se výrobní linky začínají roztáčet naplno. Výrobci základních desek, chipsetů i chladičů již mají dávno kompletní specifikace a spuštění procesoru obvykle provází současně, nebo jen lehce v závěsu, jejich uvedení na trh. Dále se podíváme, jak se takové procesory vyrábějí.