Anche se l’operatività delle CPU può apparire quasi magica, essa è in realtà il frutto di decenni di raffinata ingegneria. La miniaturizzazione dei transistor, componenti fondamentali di ogni microchip, ha reso il processo di fabbricazione sempre più sofisticato e complesso.
La Fotolitografia: Un Metodo Rivoluzionario
I transistor hanno raggiunto dimensioni talmente ridotte che i metodi di produzione tradizionali sono diventati inadeguati. Sebbene torni di precisione e stampanti 3D possano realizzare creazioni complesse, la loro accuratezza si ferma a livelli micrometrici, non sufficienti per le scale nanometriche su cui si basano i chip odierni.
La fotolitografia ha risolto questo problema, eliminando la necessità di spostare macchinari con estrema precisione. Questo metodo utilizza la luce per incidere un’immagine sul chip, in modo simile a una lavagna luminosa, ma riducendo lo stencil alla precisione desiderata.
L’immagine viene proiettata su un wafer di silicio, lavorato in laboratori altamente controllati, poiché anche una minima particella di polvere potrebbe causare ingenti danni. Il wafer è rivestito con un materiale fotosensibile, chiamato photoresist, che reagisce alla luce e viene rimosso, lasciando un’incisione della CPU. Questa incisione viene poi riempita con rame o drogata per formare i transistor. Questo processo viene ripetuto più volte, costruendo la CPU in modo simile a una stampante 3D che realizza strati di plastica.
Le Sfide della Fotolitografia su Scala Nanometrica
Non è sufficiente ridurre le dimensioni dei transistor se questi non funzionano correttamente, e la tecnologia a nanoscala presenta diverse sfide fisiche. I transistor dovrebbero bloccare il flusso di elettricità quando sono spenti, ma le loro dimensioni sono diventate così ridotte che gli elettroni possono attraversarli, un fenomeno chiamato effetto tunnel quantistico, che rappresenta un problema significativo per gli ingegneri.
Un’altra problematica è rappresentata dai difetti. La fotolitografia ha un limite di precisione, simile all’effetto di un’immagine proiettata che diventa sfocata quando viene ingrandita o rimpicciolita. Per mitigare questo effetto, le fonderie utilizzano la litografia ultravioletta estrema (EUV), che utilizza lunghezze d’onda molto più corte, generate da laser in camere a vuoto. Nonostante ciò, il problema persiste con la continua riduzione delle dimensioni.
In alcuni casi, i difetti possono essere gestiti attraverso il “binning”: se un difetto colpisce un core della CPU, questo viene disattivato e il chip viene venduto come un modello di fascia inferiore. Molte linee di CPU sono prodotte usando lo stesso design, ma con core disabilitati e venduti a prezzi inferiori. Se il difetto colpisce la cache o un altro componente essenziale, il chip potrebbe dover essere scartato, portando a rese inferiori e costi più alti. I nodi di processo più avanzati, come i 7 nm e i 10 nm, tendono ad avere tassi di difetto più elevati e sono quindi più costosi.
Il Packaging: Proteggere e Connettere la CPU
Il confezionamento della CPU per la vendita non si limita alla sua semplice collocazione in una scatola. Una CPU completata, per quanto efficiente, è inutilizzabile senza una connessione al resto del sistema. Il processo di “packaging” si riferisce al metodo con cui il delicato die di silicio viene fissato al PCB, che la maggior parte delle persone identifica come “CPU”.
Questo processo richiede precisione, ma meno rispetto alle fasi precedenti. Il die della CPU è montato su una scheda di silicio, e le connessioni elettriche sono realizzate tramite i pin che interagiscono con la scheda madre. Le CPU moderne possono avere migliaia di pin, con l’AMD Threadripper di fascia alta che ne conta ben 4094.
Poiché la CPU genera molto calore e deve essere protetta, viene montato un “dissipatore di calore integrato” che trasferisce il calore a un sistema di raffreddamento esterno. Alcuni appassionati non sono soddisfatti della pasta termica usata per questa connessione e rimuovono il coperchio del processore per applicare soluzioni più performanti.
Una volta completato l’assemblaggio, la CPU può essere imballata e resa disponibile per l’acquisto. Considerata la complessità della produzione, è sorprendente che la maggior parte delle CPU abbia un costo relativamente accessibile.
Per approfondire gli aspetti tecnici della produzione delle CPU, è possibile consultare le spiegazioni di Wikichip sui processi litografici e sulle microarchitetture.