Look inside или как изглеждат процесорите отвътре

Процесорите са навсякъде около нас – от смартфоните и смарт часовниците до самолетите и автомобилите. Вече сме свикнали да живеем в обкръжението на силициевите кристали, но не се замисляме особено, как изглеждат процесорите отвътре. От техническа гледна точка всичко е донякъде разбираемо: ядра, няколко нива кеш памет, графичен ускорител, контролери. Но как изглежда всичко това в реалния свят? Нека разгледаме няколко интересни снимки на кристалите на различни процесори и поне частично да отговорим на този въпрос.

Core i9-9900K: мощния красавец

Именно по този начин изглежда процесорът отвътре. В центъра на кристала ясно се виждат осемте ядра на процесора и L3 кеш паметта между тях. В дясната част се намира интегрирания графичен ускорител. Може би рядко някой ще използва интегрираната графика на този процесор, но тя заема една четвърт от целия кристал и сериозно увеличава неговата цена.

Може би възниква въпросът, а защо силициевият процесор свети с всички цветове на дъгата? Причините са три. Първо, след махането на капачката, метализираните участъци по-бързо се окисляват под въздействието на въздуха и получават различни цветове. Второ, за осветяване на кристала се използва поляризирана светлина, която създава фазов контраст – тоест, участъците от различно вещество се оцветяват по различен начин. Трето, кристалът е покрит отгоре със специално масло, с което чипът се осветява по-добре и изображението става по-ярко и по-детайлно.

Pentium II с дизайн Flip Chip и Wire Boarding

P2 не е нещо необичайно – просто стъпка напред в сравнение с P1, като технологичният процес е променен от 350 до 180 nm, а честотата е увеличена до 450 MHz. Но под капачката е направена важна промяна, поради което площта на кристала е нараснала почти с 10% – от 118 на 130 мм2.

Снимките показват, че вътрешната структура на процесорите не се е променила, а и технологичният процес е еднакъв – 250 нанометра. Разликата всъщност е отдолу. Първоначално процесорите се съединяват с подложката с помощта на проводници – Wire Boarding дизайн. Бързо става ясно, че този път не води доникъде и Intel решава да използва Flip Chip дизайна. Тоест, под кристала се намира контактна основа с помощта на която той се закрепва към подложката. Това дава възможност за използването на повече контакти и може да се увеличава производителността.

Pentium III: многослойност

Производителите на чипове бързо разбират, че използването само на един метализиран работен слой в силициевия кристал не е изгоден и още в процесора Intel 386 започва използването на два слоя, а Intel Pentium 3 е трислоен. Идеята е удачна и се използва във всички следващи процесори. Площта на кристала остава една и съща, но всяко удвояване на слоевете удвоява и отделяната топлина, разсейването на която става все по-трудно.

Страничната снимка на кристала показва, че се използва едва 1% от него, а останалият силиций работи като защита и служи и за провеждане на топлината.

AMD R9 Nano: голяма разлика между CPU и GPU

Всички централни процесори имат няколко големи ядра, които се виждат добре. Графичните процесори са много по-различни – те имат голям брой малки изчислителни блокове – съвременните GPU на Nvidia имат хиляди CUDA ядра.

Снимката на кристала на процесора AMD Radeon R9 Nano.

Този чип има 176 текстурни блока и 64 растерни модула. Добре се виждат и четирите златисти области, в които чипът контактува с кристалите на HBM паметта.

Руският процесор Байкал T1

Процесорът е интересен не само с това, че е руски, но и че има MIPS архитектура. Характеристиките не са нещо особено – 2 ядра с тактова честота 1,2 GHz и 1 MB кеш памет от второ ниво. Но неговият TDP е едва 5 W и чипът може да се използва почти навсякъде.

Необичайното тук е, че силициевият кристал е доста пуст. Двете черни области отляво са ядрата, златистите обекти в горната част са кеш паметта. Отдясно е поставен контролерът на паметта. И това е всичко. Навярно е оставен запас за бъдещо развитие на процесора, за да не се налагат промени в кристала.

AMD Ryzen Threadripper 1950X: максимум ядра

AMD използва интересен подход в своите процесори. На една и съща подложка са разположени 4 8-ядрени кристала, което означава до 32 ядра.

Структурата на всеки кристал се вижда добре. Това с 4+4 ядра, като близо до тях се намират L1 и L2 кеш паметите, а в средата между тях е поставен L3 кеша. В тази снимка всичката кеш памет е с тъмен и черен цвят.

Въпреки че технологичният процес на съвременните централни процесори е десетки нанометри, някои структури добре се различават и с невъоръжено око. Добре се вижда и разликата между централен и графичен процесор. За съжаление, не с всички процесори могат да се правят подобни експерименти. Но и тези снимки много добре демонстрират красотата на силициевите кристали.