Jak vzniká procesor aneb procesorová kuchařka

Příprava jádra a testování

Dalším krokem je právě příprava jádra budoucího mikroprocesoru. Na každém waferu jsou dnes typicky stovky jader. Wafer je vždy důkladně prohlédnut a pro další práci s jádrem je třeba každé jednotlivé jádro oddělit diamantovou pilou. Všechna jádra nemusí být plně funkční, a tak po projití optickou výstupní kontrolou bude každé konkrétní jádro samozřejmě dále testováno.

Kompletace procesoru

Každý prohlédnutý a zatím dobrý čip je umístěn na keramickou nebo organickou destičku, která umožňuje procesor umístit do socketu. V případě mikroprocesorů pro osobní počítače nejčastěji na základní desku. V případě současných procesorů x86 se používají například technologie PGA nebo LGA. Pin Grid Array je pole rovnoběžných pinů, vyčnívajících ze spodní strany procesoru. Od socketu 775 v případě Intelu a u nejnovějších Opteronů pro socket F se prosadilo fyzické rozhraní Land Grid Array.

Na rozdíl od PGA nejsou na procesoru piny pouze kontaktní plošky. Ta horší část zbyla na samotnou základní desku, kde už jakési piny jsou. Další balení mikroprocesoru záleží na konkrétním použití. Například desktopové čipy jsou dnes schovány pod IHS (Integrated Heat Spreader neboli rozptylovač tepla), který má, jak už název napovídá, rozptylovat teplo. Ačkoliv ne vždy funguje zrovna optimálně jeho druhotnou, a možná ještě podstatnější, funkcí jež mu nelze upřít, je to, že fyzicky chrání samotné jádro před mechanickým poškozením. Procesory pro notebooky jsou často bez něj, protože zde jsou na ně kladeny poněkud jiné nároky, než pro typický desktopový procesor (ať již z důvodu místa nebo lepšího odvodu tepla).

Testování

Každý takto dokompletovaný procesor je opět přetestován. Z hlediska kvality a povedenosti každého jádra lze často slyšet pojem „speed binning“, což je právě třídění jednotlivých čipů podle jejich kvality. Dnes, kdy se na spotřebu procesoru začíná brát výraznější zřetel, je to jeden z podstatných ukazatelů. Nejlepší čipy mohou být použity jako nízkonapěťové nebo naopak vysoce taktované modely, za které si firmy účtují prémiové ceny.

V případě AMD tak například ten samý procesor můžete dostat s různým napájecím napětím, což umožňuje flexibilnější zařazení každého kusu do nabídky. V případě výkonných procesorů, nebo například modelů s nízkým TDP (Thermal Design Power AMD definuje jako maximální možný tepelný výstup procesoru), lze tedy nabídnout přesně to, co zákazník požaduje. Může se tedy přiklonit k výkonu, dobrému poměru výkonu a spotřeby nebo se soustředit zejména na samotnou spotřebu procesoru.

Procesor je hotov

Procesor je kompletní a je prakticky možné s ním počítat jako s prodejním kusem. Po zabalení do krabice a případném přidání chladiče je již obvykle připraven k odeslání třeba k výrobci počítačů nebo do obchodu...

Budoucí trendy v navrhování mikroprocesorů

Co přinese budoucnost v návrhu a výrobě mikroprocesorů? Současné problémy s výrobou a dlouhodobě pouze mírný růst frekvence jasně udávají směr, kterým se další vývoj musí ubírat.

V první řadě to bude větší paralelizace a zvyšování IPC (počtu instrukcí vykonaných za takt), samozřejmě v kombinaci s vícejádrovými procesory. Protože však z vícejádrových procesorů těží jen specifické aplikace, dalším trendem bude v určitých oblastech, kde je požadavek specificky po vysokém výkonu při určitém zaměření, také nasazení specializovaných akcelerátorů. Procesory pro osobní počítače, jak je známe dnes, jsou sice docela dobré na všechny typy výpočtů, ale ani zdaleka nemohou konkurovat čipům navrženým speciálně pro specifické nasazení. Ty nejenže mohou několikanásobně urychlit určité výpočty, ale navíc takový výpočet dokáží provést až s řádově nižší spotřebou elektrické energie.

S počtem jader poroste potřeba jejich rychlejší komunikace a snaha minimalizovat vliv pomalé paměti na jejich výkon. Ten roste s počtem jader samozřejmě mnohem rychleji než výkon a propustnost pamětí. Čím dál častější bude tedy nasazení sdílené a velké cache. Větší podpory a rozšíření se dočká také virtualizace, která má zatím uplatnění specificky spíše na serverovém trhu. Růst výkonu pro nejběžnější počítače již nebude hlavní a jedinou motivací s ohledem na výrobu procesorů a další expanze trhu s procesory, to bude také snaha o větší možnou integraci, která umožní další snižování ceny platformy.

O postupu k větší integraci a nezávislosti (absence komplexního řešení, jako má Intel, dosud AMD částečně bránilo vstupu na některé segmenty trhu) svědčí i nedávné koupení ATi Technologies firmou AMD. Stejně tak stále bližší kooperace s řadou firem vyrábějící komponenty a specializované čipy. K větší integraci akcelerátorů a posléze i GPU na jádro procesoru dojde i díky posunům ve výrobních technologiích a chytře navrženému jádru s modulárním designem. Umožní tak stavět efektivněji a levněji běžné počítače (kde dnešní architektury májí ještě značné rezervy v možném snižování ceny a jsou dražší z hlediska návrhu a počtu součástek) a zároveň počítače zaměřené na konkrétní nasazení s ohledem na specifické požadavky.

Torrenza

Prvním zástupcem nové architektury a „otevřené platformy“ bude právě Torrenza. Ta kromě vylepšení některých dnešních technologií, jako je HyperTransport sběrnice, přinese také podporu zmiňovaných akcelerátorů a koncepci větší možné integrace. Jak na úrovni HTX slotu, tak na úrovni socketu samotného procesoru nebo dokonce samotného jádra (což samozřejmě proces zjednodušuje a přechod je postupný a snazší). Integrace například GPU do jádra procesoru se nemusí zdát jako optimální řešení, ale na trhu s mobilních procesorů a pro OEM výrobce počítačů to může být dostatečně výkonné řešení za minimální cenu.

Dalším trendem bude podle Intelu také zkracování cyklů mezi architekturami procesorů. Kratší cykly a častější změny architektur, které však budou navrhované tak, aby pokryly pokud možno všechny segmenty trhu s mikroprocesory. AMD jasně dalo najevo, že v případě následovníků architektury AMD64 si tyto rychlejší cykly architektur k zachování konkurenceschopnosti a vyšší efektivitě zřejmě vyžádají, tedy alespoň v případě AMD, modulární design jader. Což je koncepce, a pro AMD poměrně optimální cesta, jak pružně reagovat na změny, které přinese v následujících letech Intel. Ohlášeny jsou změny architektury každé dva roky a plány agresivně zvyšovat počet jader na jediném čipu. U architektury vyráběné 22nm výrobním procesem (pravděpodobně Gesher) Intel počítá i s řešením kde bude až 144 jednodušších jader a 48 MB cache.

Zdroje: AMD, Intel, ASML, FabTech