È proprio grazie a questa risorsa, moltoabbondante in natura, che è possibilerealizzare un microprocessore
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FONDERIE non troppo complesse           FONDERIE complesse e molto costose                                                ...
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LINGOTTO                                                 WAFERIl lingotto è tagliato orizzontalmente da macchinari con pun...
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INCISIONEIl photoresist impressionato dalla luceultravioletta viene rimosso con l’utilizzo disvariati solventi chimici com...
IMPIANTO IONICOIl silicio puro utilizzato come base per i transistor deve a questo punto essere “drogato” per offrire leca...
DEPOSITO DI METALLOIl transistor è a questo punto quasi completo, ma per l’utilizzo pratico e il collegamento con altri el...
CONNESSIONI SU VARI LIVELLIIl transistor è a questo punto completo, ma inutile. Un singolo elemento non è infatti in grado...
TEST, TAGLIO E SCARTO  non tutti i processori prodotti risultano pienamente funzionanti. Visto l’utilizzo di nanotecnologi...
FINITURA E ASSEMBLAGGIOI processori perfettamente funzionanti sono rifiniti e, finalmente, estratti dalle camere sterili p...
TEST, DEFINIZIONE MODELLO E                         CONFEZIONAMENTO       Le ultime fasi di produzione di un processore se...
Tipicamente la CPU è lInterprete del linguaggio                          macchina. Come tutti gli interpreti, si basa sul ...
La CPU nasce quando, per la prima volta nella storia, vengono riuniti allinterno dellostesso cabinet, il telaio principale...
In base allorganizzazione della memoria si possono distinguere le seguenti duefamiglie di CPU:•Con architettura di von Neu...
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Cpu: nate dalla sabbia

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Una ricerca sulle tecnologie costruttive delle CPU - classe 3ST

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Cpu: nate dalla sabbia

  1. 1. È proprio grazie a questa risorsa, moltoabbondante in natura, che è possibilerealizzare un microprocessore
  2. 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 variogenere, vengono realizzate con gradi di complessitàdifferenti e con processi produttivi propri di ogni grandeazienda. Il principio di fondo è però lo stesso, con unatecnologia che raggiunge il proprio apice con laproduzione dei microprocessori più avanzati.
  3. 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!!
  4. 4. SABBIA LINGOTTOLa materia prima per la produzione di CPU è Il silicio che costituisce circa il 28% della massa totale delnostro pianeta. L’estrazione del silicio dalla sabbia avviene tramite una serie di purificazioni fisiche echimiche (processo Siemens) successive fino a raggiungere uno stadio in cui è presente al massimo unatomo estraneo ogni miliardo di atomi di silicio.Tramite un processo di accrescimento del silicio fuso (processo Czochralski) viene creato un lingottopurissimo attorno a un singolo cristallo iniziale (“Electronic Grade Silicon”). Il risultato è un bloccomonocristallino dotato di tutte le proprietà necessarie per poter essere utilizzato per i tradizionali scopielettronici. Il risultato è un lingotto di 30 cm di diametro e circa 60 cm di altezza, con un peso complessivodi circa 100 kg e una purezza superiore al 99,9999%. sabbia Creazione lingotto lingotto
  5. 5. LINGOTTO WAFERIl lingotto è tagliato orizzontalmente da macchinari con punte di diamante in dischi dello spessore di0,775 mm. Questi elementi sono alla base del processo produttivo vero e proprio e, nell’industriaelettronica 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 dellasuperficie con un altissimo grado di precisione, in modo che la superficie dell’intero wafer sia nellapratica un unico piano cristallino di silicio. I wafer odierni hanno un diametro di 300 mm e spessore dicirca 0,775 mm anche se i produttori stanno avviando una progressiva evoluzione che porterà ladimensione dei wafer di silicio a 450 mm di diametro, con un raddoppio della superficie disponibileper la costruzione dei chip. wafer Il disegno della famosa legge Taglio di Moore, co-fondatore lingotto di Intel.
  6. 6. 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 attraversoSul wafer viene steso in maniera opportunamente forata e unaradiale un sottile strato di liquido la maschera colpisce solo determinate lente focalizzante, viene impressa sul zone del wafer lasciandone in ombraparticolare (chiamato Photoresist) wafer una particolare forma che andrà acon proprietà simili a quelli che delle altre. Le zone esposte alla luce costituire i bordi dei singoli transistor. saranno impressionate e diventerannoerano utilizzati per la vecchia Questa operazione sarà in seguitofotografia 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
  7. 7. INCISIONEIl photoresist impressionato dalla luceultravioletta viene rimosso con l’utilizzo disvariati solventi chimici come ad esempio la Rimozionesoda caustica, lasciando scoperto il silicio photoresist Asottostante. Il photoresist non impressionatoproteggerà il resto del wafer. Per la costruzione di chip complessi e multistrato come gli attuali microprocessori presenti all’interno deiTramite un bagno dell’intero wafer nel personal computercloruro ferrico si rimuove parte del silicio l’operazione appenalasciato scoperto dal photoresist che, Incisione accennata può esseredove presente, protegge il wafer ripetuta più volte condall’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 ilphotoresist rimasto esponendolocompletamente alla luce e lavandolo comein precedenza, lasciandoscoperta la nuova forma del silicio. Per Rimozioneforme complesse si ripete l’operazione. photoresist B
  8. 8. IMPIANTO IONICOIl silicio puro utilizzato come base per i transistor deve a questo punto essere “drogato” per offrire lecaratteristiche fisiche richieste. L’operazione di drogaggio consiste nell’impianto di impurità nel materiale ingrado di modificarne leggermente le proprietà fisiche rendendo il silicio più o meno sensibile ai campi elettriciesterni e più o meno conduttore. Il drogaggio del silicio avviene Rimosso il photoresistPer effettuare un drogaggio del tramite il bombardamento della si notano i diversisilicio tramite impianto ionico zona lasciata scoperta dal elementi del transistor,si copre nuovamente con il photoresist con ioni estranei con la zona verdephotoresist l’intero wafer e si accelerati a oltre 300.000 km/h. appena drogata arimuove 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 gatezona 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
  9. 9. DEPOSITO DI METALLOIl transistor è a questo punto quasi completo, ma per l’utilizzo pratico e il collegamento con altri elementisono ovviamente necessari i tre contatti elettrici fondamentali: source, drain e gate.Il transistor, quasi L’intero wafer viene dunque Il wafer appare infineultimato, viene ricoperto immerso in una soluzione di ricoperto uniformementeda 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 apertiparti che diventeranno Il polo positivo immerso nella in precedenza nel materialein seguito i tre contatti soluzione permette al rame isolante, funzionerà dafondamentali del disciolto nel liquido di contatto per i tre politransistor: source, depositarsi in superficie del transistor.drain e gate. Legandosi al wafer, formando uno strato conduttivo uniforme. elettroimpianto Transistor quasi Dopo ultimato l’ elettroimpianto
  10. 10. CONNESSIONI SU VARI LIVELLIIl transistor è a questo punto completo, ma inutile. Un singolo elemento non è infatti in grado di eseguirealcun calcolo complesso, per tutte queste operazioni serve un processore completo, composto da milioni emilioni di transistor interconnessi tra di loro, in grado di rispondere in maniera ben definita a degli stimoliesterni. 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
  11. 11. 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 diedecine di contatti appuntiti si corrispondenza dei singoli perfettamente funzionanti da quelliappoggia su ogni processore die che, nel caso di processori difettosi. Questi ultimi possonoinviando alcuni segnali Intel Core i7 misurano circa essere gettati via o riutilizzati comeelettrici standard. In base alle 1,6 cm di lato. Su un wafer da processori di fascia più bassa conrisposte di ogni singolo die il 300 mm di diametro ne caratteristiche inferiori ai modelliprocessore viene accettato o vengono costruiti 245. top di gamma.scartato. Taglio del wafer Scarto dei die non Test di funzionamento funzionanti
  12. 12. FINITURA E ASSEMBLAGGIOI processori perfettamente funzionanti sono rifiniti e, finalmente, estratti dalle camere sterili più internedella fonderia. Il passaggio successivo, dopo una pulizia completa della superficie, è l’assemblaggio del die conil substrato inferiore e l’heatspreader.Dopo il taglio e la rifinitura Il die viene incapsulato tra il Dal punto di vista produttivo ildel pezzo si ottengono tanti substrato inferiore (che processore è completo. Perpiccoli die, il processore vero integra i contatti con il arrivare a questo punto sonoe proprio. Il die di una Cpu socket della scheda madre) stati necessari centinaia diIntel Core i7 misura circa 2x1 e una sottile lastra con passaggi successivi all’internocm, mentre i modelli Core 2 compiti di protezione delle camere sterili piùDuo sono grandi circa la meccanica e base per avanzate del pianeta.metà. il dissipatore di calore. Singolo die Assemblaggio Processore
  13. 13. 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 delchiave del processore, come la precedenza le Cpu vengono confezionamento delmassima frequenza operativa e la classificate e suddivise. Gli processore all’interno dellatensione di alimentazione. Tutti i esemplari migliori faranno scatola di vendita. In base alprocessori Core i7 900 emergono parte della serie “Extreme”, gli modello e alle specificheinfatti dalla stessa produzione, e altri invece saranno suddivisi sarà presente un dissipatoresolo ora vengono classificati. in base alla domanda di di calore di capacità diversa. mercato. Class test Selezione Confezionamento
  14. 14. Tipicamente la CPU è lInterprete del linguaggio macchina. Come tutti gli interpreti, si basa sul seguente ciclo: •Acquisizione dellistruzione (Instruction Fetch): il processore preleva listruzione dalla memoria, presente nellindirizzo 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. Nellultimo passo dellesecuzione viene incrementato il PC: tipicamenteSchema a blocchi di uno se listruzione non era un salto condizionale, altrimentisemplificato di una CPU lincremento dipende dallistruzione e dallesito di questa
  15. 15. La CPU nasce quando, per la prima volta nella storia, vengono riuniti allinterno dellostesso cabinet, il telaio principale sul quale vengono montati tutti i singoli componenti delcomputer, due processori che precedentemente erano sempre stati contenuti in cabinetdiversi: lALU e lunità di controllo. La prima CPU commercializzata della storia è lIBM 709 Central Processing Unit, una CPUbasata sulla valvola termoionica e disponibile con lIBM 709 Data Processing System (uncomputer dellIBM commercializzato a partire dal 1958).Il cabinet dellIBM 709 Central Processing Unit ha le dimensioni di un armadio. Grazieallavvento prima del transistor e poi della microelettronica, è stato possibile contenere laCPU prima in una scheda elettronica e, successivamente, in un circuito integrato (quindinello spazio di pochi centimetri quadrati). In particolare la prima CPU commercializzata einteramente contenuta in un circuito integrato è il microprocessore Intel 4004(commercializzato a partire dal 1971). Una vecchia CPU …
  16. 16. In base allorganizzazione della memoria si possono distinguere le seguenti duefamiglie di CPU:•Con architettura di von Neumann, in cui i dati e le istruzioni risiedono nellastessa memoria (è dunque possibile avere codice automodificante). Questaarchitettura è la più comune, perché è molto semplice e flessibile.•Con architettura Harvard, in cui i dati e le istruzioni risiedono in due memorieseparate. Questa architettura può garantire prestazioni migliori poiché le duememorie possono lavorare in parallelo riducendo le alee strutturali, ma èovviamente molto più complessa da gestire.
  17. 17. Le CPU con architettura CISC (le vecchie CPU), si avevano quando i transistor disponibili suun 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 ecomplesse: più queste erano vicine alle istruzioni dei linguaggi di programmazione ad altolivello più il computer sarebbe stato facile da programmare, e i programmi avrebberooccupato poco spazio in memoria (anchessa poca e preziosa).RISC è lacronimo di Reduced Instruction Set Computer. Il tipico set di istruzioni RISC èmolto piccolo, circa sessanta o settanta istruzioni molto elementari (logiche, aritmetiche eistruzioni di trasferimento memoria-registro e registro-registro): hanno tutte lo stessoformato e la stessa lunghezza, e molte vengono eseguite in un solo ciclo di clock. La direttaconseguenza di tale scelta progettuale è che i processori RISC posseggono una unità dicontrollo semplice e a bassa latenza, riservando invece molto spazio per i registri interni:

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