Una ricerca sulle tecnologie costruttive delle CPU - classe 3ST

1. È proprio grazie a questa risorsa, molto
abbondante in natura, che è possibile
realizzare un microprocessore

2. CPU (central processing unit) Sono presenti praticamente in tutti i dispositivi
elettronici moderni di uso quotidiano, come
auto, lavatrici, telefoni cellulari …
Le CPU, insieme a microchip e controller di vario
genere, vengono realizzate con gradi di complessità
differenti e con processi produttivi propri di ogni grande
azienda. Il principio di fondo è però lo stesso, con una
tecnologia che raggiunge il proprio apice con la
produzione dei microprocessori più avanzati.

3. FONDERIE non troppo complesse FONDERIE complesse e molto costose
CPU
Produzione di CHIP IN SILICIO (tecnologicamente più
avanzate)
Intel afferma a buon ragione che i processori per personal
computer sono senza ombra di dubbio il manufatto
tecnologicamente più avanzato mai costruito nell’intera
storia dell’umanità.
La creazione di un microchip non è infatti un semplice
procedimento meccanico di assemblaggio, per la
progettazione e costruzione si devono infatti tenere conto di
alcune peculiarità della fisica su scala nanometrica, e avere a
che fare con alcune proprietà esotiche dei materiali che nel
mondo “normale” non sono certo evidenti. In alcuni casi
degli elementi interni di una CPU raggiungono uno
spessore di non più di 10 atomi di silicio!!

5. SABBIA LINGOTTO
La materia prima per la produzione di CPU è Il silicio che costituisce circa il 28% della massa totale del
nostro pianeta. L’estrazione del silicio dalla sabbia avviene tramite una serie di purificazioni fisiche e
chimiche (processo Siemens) successive fino a raggiungere uno stadio in cui è presente al massimo un
atomo estraneo ogni miliardo di atomi di silicio.
Tramite un processo di accrescimento del silicio fuso (processo Czochralski) viene creato un lingotto
purissimo attorno a un singolo cristallo iniziale (“Electronic Grade Silicon”). Il risultato è un blocco
monocristallino dotato di tutte le proprietà necessarie per poter essere utilizzato per i tradizionali scopi
elettronici. Il risultato è un lingotto di 30 cm di diametro e circa 60 cm di altezza, con un peso complessivo
di circa 100 kg e una purezza superiore al 99,9999%.
sabbia Creazione lingotto
lingotto

6. LINGOTTO WAFER
Il lingotto è tagliato orizzontalmente da macchinari con punte di diamante in dischi dello spessore di
0,775 mm. Questi elementi sono alla base del processo produttivo vero e proprio e, nell’industria
elettronica mondiale, sono tradizionalmente chiamati wafer.
L’operazione è facilitata dalla tendenza del silicio a sfaldarsi in maniera omogenea.
L’ultimo passo prima dell’inizio della produzione dei circuiti integrati è la lucidatura a specchio della
superficie con un altissimo grado di precisione, in modo che la superficie dell’intero wafer sia nella
pratica un unico piano cristallino di silicio. I wafer odierni hanno un diametro di 300 mm e spessore di
circa 0,775 mm anche se i produttori stanno avviando una progressiva evoluzione che porterà la
dimensione dei wafer di silicio a 450 mm di diametro, con un raddoppio della superficie disponibile
per la costruzione dei chip.
wafer
Il disegno della famosa legge
Taglio di Moore, co-fondatore
lingotto di Intel.

7. FOTOLITOGRAFIA
Per la realizzazione dei transistor all’interno del wafer di silicio si utilizza la cosiddetta tecnica fotolitografica, che
permette di incidere e rimuovere determinate aree all’interno del blocco di silicio monocristallino e creare
conseguentemente un bassorilievo che verrà in seguito utilizzato come forma base per la costruzione dei transistor.
Attraverso una maschera La luce ultravioletta che passa attraverso
Sul wafer viene steso in maniera opportunamente forata e una
radiale un sottile strato di liquido la maschera colpisce solo determinate
lente focalizzante, viene impressa sul zone del wafer lasciandone in ombra
particolare (chiamato Photoresist) wafer una particolare forma che andrà a
con proprietà simili a quelli che delle altre. Le zone esposte alla luce
costituire i bordi dei singoli transistor. saranno impressionate e diventeranno
erano utilizzati per la vecchia Questa operazione sarà in seguito
fotografia su pellicola, in grado di solubili, quelle in ombra manterranno
ripetuta più e più volte, disegnando i invece le loro proprietà.
reagire direttamente ai raggi di luce vari strati dei transistor.
ultravioletti.
Stesura Esposizione A Esposizione B
photoresist

8. INCISIONE
Il photoresist impressionato dalla luce
ultravioletta viene rimosso con l’utilizzo di
svariati solventi chimici come ad esempio la Rimozione
soda caustica, lasciando scoperto il silicio photoresist A
sottostante. Il photoresist non impressionato
proteggerà il resto del wafer. Per la costruzione di chip
complessi e multistrato come
gli attuali microprocessori
presenti all’interno dei
Tramite un bagno dell’intero wafer nel personal computer
cloruro ferrico si rimuove parte del silicio l’operazione appena
lasciato scoperto dal photoresist che, Incisione
accennata può essere
dove presente, protegge il wafer ripetuta più volte con
dall’attacco del composto chimico. maschere diverse, in modo
da avere avvallamenti e
incisioni in punti
diversi e con spessori diversi.
Dopo l’incisione è possibile rimuovere il
photoresist rimasto esponendolo
completamente alla luce e lavandolo come
in precedenza, lasciando
scoperta la nuova forma del silicio. Per Rimozione
forme complesse si ripete l’operazione. photoresist B

9. IMPIANTO IONICO
Il silicio puro utilizzato come base per i transistor deve a questo punto essere “drogato” per offrire le
caratteristiche fisiche richieste. L’operazione di drogaggio consiste nell’impianto di impurità nel materiale in
grado di modificarne leggermente le proprietà fisiche rendendo il silicio più o meno sensibile ai campi elettrici
esterni e più o meno conduttore.
Il drogaggio del silicio avviene Rimosso il photoresist
Per effettuare un drogaggio del tramite il bombardamento della si notano i diversi
silicio tramite impianto ionico zona lasciata scoperta dal elementi del transistor,
si copre nuovamente con il photoresist con ioni estranei con la zona verde
photoresist l’intero wafer e si accelerati a oltre 300.000 km/h. appena drogata a
rimuove tramite maschera e La forza dell’impatto permette fare da source/drain,
lavaggio la parte che copre la agli ioni di entrare a far parte quella azzurra da gate
zona da drogare (in verde). del reticolo cristallino del silicio metallico e quella
e di modificarne le proprietà viola da isolante.
fisiche.
Nuova stesura Rimozione
photoresist photoresist
Impianto ionico

10. DEPOSITO DI METALLO
Il transistor è a questo punto quasi completo, ma per l’utilizzo pratico e il collegamento con altri elementi
sono ovviamente necessari i tre contatti elettrici fondamentali: source, drain e gate.
Il transistor, quasi L’intero wafer viene dunque Il wafer appare infine
ultimato, viene ricoperto immerso in una soluzione di ricoperto uniformemente
da un’altro strato isolante solfato di rame e collegato al da uno strato di rame che,
lasciando scoperte alcune polo negativo di un generatore. penetrando negli spazi aperti
parti che diventeranno Il polo positivo immerso nella in precedenza nel materiale
in seguito i tre contatti soluzione permette al rame isolante, funzionerà da
fondamentali del disciolto nel liquido di contatto per i tre poli
transistor: source, depositarsi in superficie del transistor.
drain e gate. Legandosi al wafer, formando
uno strato conduttivo
uniforme.
elettroimpianto
Transistor quasi Dopo
ultimato l’ elettroimpianto

11. CONNESSIONI SU VARI LIVELLI
Il transistor è a questo punto completo, ma inutile. Un singolo elemento non è infatti in grado di eseguire
alcun calcolo complesso, per tutte queste operazioni serve un processore completo, composto da milioni e
milioni di transistor interconnessi tra di loro, in grado di rispondere in maniera ben definita a degli stimoli
esterni.
Attraverso un processo di I singoli contatti dei transistor
fresatura viene levigato il wafer vengono collegati tra di loro
fino a eliminare tutto il rame attraverso connessioni su diversi
depositato in eccesso, livelli, ottenendo un circuito
lasciando isolati i tre contatti composto da oltre 700 milioni di
di source, drain e gate, che elementi interconnessi: il
saranno in seguito connessi processore.
con altri transistor.
Levigatura Connessioni

12. TEST, TAGLIO E SCARTO
non tutti i processori prodotti risultano pienamente funzionanti. Visto l’utilizzo di nanotecnologie
estremamente avanzate, che portano ad esempio alcune parti del transistor a risultare spesse solo una decina
di atomi, può capitare che, per qualche motivo imprecisato, non tutti i processori funzionino perfettamente.
Un tester elettronico con Il wafer viene tagliato in Un braccio meccanico separa i die
decine di contatti appuntiti si corrispondenza dei singoli perfettamente funzionanti da quelli
appoggia su ogni processore die che, nel caso di processori difettosi. Questi ultimi possono
inviando alcuni segnali Intel Core i7 misurano circa essere gettati via o riutilizzati come
elettrici standard. In base alle 1,6 cm di lato. Su un wafer da processori di fascia più bassa con
risposte di ogni singolo die il 300 mm di diametro ne caratteristiche inferiori ai modelli
processore viene accettato o vengono costruiti 245. top di gamma.
scartato.
Taglio del wafer Scarto dei die non
Test di funzionamento funzionanti

13. FINITURA E ASSEMBLAGGIO
I processori perfettamente funzionanti sono rifiniti e, finalmente, estratti dalle camere sterili più interne
della fonderia. Il passaggio successivo, dopo una pulizia completa della superficie, è l’assemblaggio del die con
il substrato inferiore e l’heatspreader.
Dopo il taglio e la rifinitura Il die viene incapsulato tra il Dal punto di vista produttivo il
del pezzo si ottengono tanti substrato inferiore (che processore è completo. Per
piccoli die, il processore vero integra i contatti con il arrivare a questo punto sono
e proprio. Il die di una Cpu socket della scheda madre) stati necessari centinaia di
Intel Core i7 misura circa 2x1 e una sottile lastra con passaggi successivi all’interno
cm, mentre i modelli Core 2 compiti di protezione delle camere sterili più
Duo sono grandi circa la meccanica e base per avanzate del pianeta.
metà. il dissipatore di calore.
Singolo die Assemblaggio Processore

14. TEST, DEFINIZIONE MODELLO E
CONFEZIONAMENTO
Le ultime fasi di produzione di un processore servono a definire in che modo sarà venduto e, solo
alla fine dei test, sarà definita la frequenza operativa finale del processore.
Un test finale decreta le qualità In base ai risultati ottenuti in L’ultimo passo è quello del
chiave del processore, come la precedenza le Cpu vengono confezionamento del
massima frequenza operativa e la classificate e suddivise. Gli processore all’interno della
tensione di alimentazione. Tutti i esemplari migliori faranno scatola di vendita. In base al
processori Core i7 900 emergono parte della serie “Extreme”, gli modello e alle specifiche
infatti dalla stessa produzione, e altri invece saranno suddivisi sarà presente un dissipatore
solo ora vengono classificati. in base alla domanda di di calore di capacità diversa.
mercato.
Class test Selezione Confezionamento

15. Tipicamente la CPU è l'Interprete del linguaggio
macchina. Come tutti gli interpreti, si basa sul seguente
ciclo:
•Acquisizione dell'istruzione (Instruction Fetch): il processore
preleva l'istruzione dalla memoria, presente nell'indirizzo specificato da
un particolare registro, il PC.
•Decodifica (Operand Assembly): una volta che la word è stata
prelevata, viene determinata quale operazione deve essere eseguita e
come ottenere gli operandi, in base ad una funzione il cui dominio è
costituito dai codici operativi (tipicamente i bit alti delle word) ed il
codominio consiste nei brani di microprogramma da eseguire .
•Esecuzione (Execute): viene eseguita la computazione desiderata.
Nell'ultimo passo dell'esecuzione viene incrementato il PC: tipicamente
Schema a blocchi di uno se l'istruzione non era un salto condizionale, altrimenti
semplificato di una CPU l'incremento dipende dall'istruzione e dall'esito di questa

16. La CPU nasce quando, per la prima volta nella storia, vengono riuniti all'interno dello
stesso cabinet, il telaio principale sul quale vengono montati tutti i singoli componenti del
computer, due processori che precedentemente erano sempre stati contenuti in cabinet
diversi: l'ALU e l'unità di controllo.
La prima CPU commercializzata della storia è l'IBM 709 Central Processing Unit, una CPU
basata sulla valvola termoionica e disponibile con l'IBM 709 Data Processing System (un
computer dell'IBM commercializzato a partire dal 1958).
Il cabinet dell'IBM 709 Central Processing Unit ha le dimensioni di un armadio. Grazie
all'avvento prima del transistor e poi della microelettronica, è stato possibile contenere la
CPU prima in una scheda elettronica e, successivamente, in un circuito integrato (quindi
nello spazio di pochi centimetri quadrati). In particolare la prima CPU commercializzata e
interamente contenuta in un circuito integrato è il microprocessore Intel 4004
(commercializzato a partire dal 1971).
Una vecchia CPU …

17. In base all'organizzazione della memoria si possono distinguere le seguenti due
famiglie di CPU:
•Con architettura di von Neumann, in cui i dati e le istruzioni risiedono nella
stessa memoria (è dunque possibile avere codice automodificante). Questa
architettura è la più comune, perché è molto semplice e flessibile.
•Con architettura Harvard, in cui i dati e le istruzioni risiedono in due memorie
separate. Questa architettura può garantire prestazioni migliori poiché le due
memorie possono lavorare in parallelo riducendo le alee strutturali, ma è
ovviamente molto più complessa da gestire.

18. Le CPU con architettura CISC (le vecchie CPU), si avevano quando i transistor disponibili su
un solo chip erano pochi e i calcolatori venivano spesso programmati in assembly.
Era naturale sfruttarli in modo tale da avere CPU con istruzioni potenti, evolute e
complesse: più queste erano vicine alle istruzioni dei linguaggi di programmazione ad alto
livello più il computer sarebbe stato facile da programmare, e i programmi avrebbero
occupato poco spazio in memoria (anch'essa poca e preziosa).
RISC è l'acronimo di Reduced Instruction Set Computer. Il tipico set di istruzioni RISC è
molto piccolo, circa sessanta o settanta istruzioni molto elementari (logiche, aritmetiche e
istruzioni di trasferimento memoria-registro e registro-registro): hanno tutte lo stesso
formato e la stessa lunghezza, e molte vengono eseguite in un solo ciclo di clock. La diretta
conseguenza di tale scelta progettuale è che i processori RISC posseggono una unità di
controllo semplice e a bassa latenza, riservando invece molto spazio per i registri interni: