For de fleste er en prosessor noe mystisk og fjernt. Du vet hvordan den ser ut på utsiden, men har kanskje ikke en anselse om hvordan den ser ut på innsiden og langt mindre hvordan den blir laget. I denne artikkelen forsøker vi å avmystifisere prosessen med å lage en prosessor. Vi gjør oppmerksom på at denne artikkelen kun gir en grov og forenklet oversikt over hvordan en prosessor blir til.

Enorme investeringer
Det å produsere prosessorer er kostbart - enormt kostbart. Det kreves fabrikker og utstyr i multi-milliardklassen. Som eksempel kan vi nevne at den nye AMD-fabrikken som nå er under bygging i Dresden, Fab 36, har et kostnadsoverslag på 2,4 milliarder Euro (!), og denne fabrikken kategoriseres heller ikke som spesielt dyr. Med andre ord kan du se langt etter å starte din egen "prosessorfabrikk" i kjelleren, om denne artikkelen skulle gi deg noen planer i den retningen.

Halvledere Halvledere er en type materialer som på forskjellige måter kan variere evnen til å lede elektrisitet. Komponenter innen mikroelektronikk er som regel produsert i halvledermateriale. Silisium er det vanligste halvledermaterialet.

Silisium
Hele utgangspunktet for dagens prosessorer og andre halvlederprodukter som f.eks. minnebrikker, er grunnstoffet Silisium (Si). Dette er det nest vanligste grunnstoffet i jordskorpen og betegnes som en såkalt ikke-metallisk grunnstoff, men kan fremstilles i metallisk/krystallinsk form, ved et smeltepunkt på 1412 grader celsius. Fremstillingen av silisium foregår enkelt forklart ved å smelte store menger stein (kvarts), for så å "trekke" Silisiumen ut av denne. Rundt 40 prosent av verdensproduksjonen av Silisium går for øvrig til og elektronikk- og kjemiindustrien, mens resten brukes av den aluminiumsbearbeidende industrien.

Det norske selskapet Elkem har siden 1980-årene vært verdens ledende leverandør av silisiummetall. Per i dag dekker Elkem rundt 15 prosent av verdensforbruket av silisiummetall, og omlag halvparten av elektronikkindustriens behov for spesialkvaliteter. Det er nettopp disse spesialkvalitetene som er interessante for oss - eller det vil si halvlederindustrien.

For prosessorproduksjon kreves så godt som 100% (99,9999...) rent silisium - én-krystallisk silisium. Denne silisiumen blir formet og oppbevart i form av "stenger", typisk 1-2 meter lange med en diameter fra ca 70 - 300 mm. Verdien på disse stengene kan være opp mot $15 000.

Disse stengene blir deretter kuttet opp i wafere ("halvlederskiver"), som er tynne, sirkulære skiver av silisium. Waferne kan være fra ca 7 - 30 cm i diameter og er gjerne i underkant av 1 mm tykke. Disse waferne gjennomgår en prosess som involverer rensing og kvalitetssjekking ved bruk av lasere, før de endelig er klare for å bli fraktet til brikkeprodusentens fabrikk.

Hva skjer på prosessorfabrikken?
Først nå har brikkeprodusentene, f.eks. AMD og Intel, fått det råmaterialet de trenger å jobbe med for å kunne produsere en prosessor. Det er ut av waferne brikkeprodusentene skaper prosessorkjernene. Typisk kan det ta fra 10-40 dager å omvandle en wafer til en fulllverdig brikke (prosessorkjerne).

Hvor mange prosessorkjerner man får ut av en wafer avhenger av størrelsen på waferen og på prosessorkjernen. Jo større wafer og/eller jo mindre prosessorkjerner - jo flere prosessorer kommer ut av èn wafer.

Arbeidet med å foredle waferne må foregå i helt "sterile" omgivelser - kalt "cleanrooms". Både temperatur og luftfuktighet kontrolleres, samtidig som støvinnholdet i luften må være helt minimalt. Derfor må de som arbeider i slike cleanrooms ha på seg masker som dekker til munnen og spesielle dresser utenpå klærne. Dessuten kan man ikke tolerere rystelser i bakken av noe slag, så fabrikkene er typisk bygget på solide fundamenter som motstår rystelser av alle slag. Dette er rystelser som du og jeg ikke overhodet ikke ville merket noe til, men når man benytter utstyr som nesten arbeider på atom-nivå, sier det seg selv at det ikke skal store rystelsen til før det merkes.

Enkelt forklart blir prosessorer (og andre halvledere) produsert ved at metall og oksyder lagvis blir avsatt på et halvledende substrat (silisium), hvor de ulike lagene blir koplet sammen. Mer konkret brukes maler - kalt masker, som beskytter et område av waferen mens man jobber på et annet. En slags lysfølsom "film" legges på waferen, hvor så et intenst lys (UV-stråler) sendes igjennom disse maskene og filmen, som så "avsetter" mikrokretsene på waferen. Denne teknikken kalles fotolitografi [les mer her].

Prosessen gjentas i flere steg, og etter hver gang blir waferen inspisert og renset før et nytt "lag" legges på. Maskene må være plassert helt "kant i kant", ellers vil hele den dyrebare waferen bli ubrukelig. For mer detaljert informasjon om hvordan mikrokretsene (transistorer) blir til, anbefaler vi en titt på denne siden. Flere relevante linker om halvlederproduksjon finnes på nettstedet Techlearner.com.

Transistor En transistor er selve "hovedbyggeklossen" i enhver prosessor. Den fungerer som en bryter, som enten fører strøm (elektroner) gjennom, eller ikke. I overført betydning er en transistor slått på eller av, som representerer det språket en datamaskin forstår - det binære tallsystemet (0-ere og 1-ere).

Det høres kanskje ikke så komplisert ut, men ta i betraktning at dagens 0,13 mikrometer produksjonsteknologi typisk må håndtere strukturer med størrelser på 80 nm, altså 80 milliardtedels meter, eller sagt på en annen måte: 80 milliondels millimeter. Dette er nemlig størrelsen på transistorgater i 0,13 mikrometer prosessorer. Til sammenligning er diameteren på et menneskelig hårstrå ca 100 000 nanometer (100 mikrometer, = 0,1 mm).

Når alle lagene er ferdig avsatt på waferen og waferen er godkjent, sages waferen opp i biter - hvor hver enkel bit representerer en prosessorkjerne. I denne prosessen brukes en diamantsag, hvor små diamantkorn er støpt inn og formet som et rundt sagblad. Sagbladene som benyttes her har typisk en diameter på 20-100 mikrometer. Sagen roterer med et sted mellom 20 og 30 tusen rpm og er vannkjølt, for å hindre at sagbladet brenner opp.

Deretter blir prosessorkjernene klassifisert. Noen kjerner kan ha en karakteristikk som tilsier at de kan operere på høyere frekvenser enn andre. Noen kjerner har kanskje en del av cachen som ikke virker. Det er nå man velger ut hvilke prosessorer som skal være f.eks. Athlon XP 2500+ og hvilke som skal være 3000+.

Kjernene sendes deretter til innpakning, som ikke nødvendigvis gjøres på samme fabrikk som produserer selve prosessorkjernene. Dette innebærer å koble selve prosessorkjernen til de pinnene som igjen skal sørge for å koble hele prosessoren til et kretskort - i vårt tilfelle hovedkort. Det er flere ulike måter å gjøre dette på, f.eks OPGA (Organic Pin Grid Array) som brukes av de nyeste AMD Athlon XP-prosessorene.

Utfordringer
Utviklingen går i en rivende fart når det gjelder prosessorer og halvledere. På 60-tallet opererte man f.eks. med ti (!) transistorer i noen av de første integrerte kretsene. Til sammenligning inneholder en moderne prosessor over 100 millioner transistorer. Det hele går ut på å stadig forminske mikrokretsene i prosessoren. Prosessorene inneholder stadig flere transistorer, som skal presses inn på et så lite område som mulig. Jo flere prosessorkjerner per wafer, jo lavere er produksjonskostnadene per prosessor.

Prosessorprodusentene støter stadig på nye utfordringer i den sammenheng. Et eksempel er som er aktuelt akkurat nå, er introduksjonen av 90 nm teknologi. Her har prosessorfabrikantene støtt på visse problemer, blant annet "lekkasjer" i transistorene, men disse problemene ser foreløpig ut til å være delvis løst, iallfall for nå. Videre begynner fotomaskene som brukes i litografiprosessen ved 90 nm å bli svært vanskelige å lage, og ikke minst enormt dyre. Disse tingene ventes bare å bli enda verre for 65 nm og 45 nm, som er de neste skrittene på veien etter 90 nm.

Det er klart at man stadig gjør nye oppdagelser og forbedrer teknologien som brukes innen produksjon av prosessorer (halvledere). Man er dog smertelig klar over at man snart vil møte den berømte "veggen" med dagens produksjonsprosesser. Det er snart rett og slett ikke mulig å krympe komponentene mer. Da vil man måtte finne frem til nye typer materialer og nye metoder å kontrollere disse materialene på.

Nanoteknologi er et av forskningsområdene, hvor man rett og slett flytter på atomer og molekyler for å bygge opp nye stoffer. Man har til og med gjort forsøk hvor man har fått ett enkelt molekyl til å oppføre seg som en transistor. En slik transistor er omlag 100 ganger mindre enn dagens silisium-baserte transistorer.

Forresten, visste du at det går ca fem atomer på èn nanometer? Nei, nå begynner vi å skli litt ut her, så vi gir oss mens leken er god :) Kanskje kommer vi med en oppfølger til denne artikkelen med mer informasjon om fremtidens utfordringer innen prosessordesign. I mellomtiden kan jo dere som har lyst til å lese mer om disse tingene ta en titt på linkene nedenfor.

Kilder

• Museumsnett
• Elkem
• Universitetet i Oslo
• Forskningsrådet
• Elmue.com
• PBS.org
• NTNU.no
• Fysel.ntnu.no
• The Inquirer
• Hardware Analysis
• Dagbladet