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So funktioniert die Herstellung von CPUs

09.03.2020 | 11:00 Uhr |

Prozessoren sind überaus komplexe Chips, die für den Betrieb von PCs unerlässlich sind. Heutige Modelle leisten Millionen von Rechenoperationen in der Sekunde. Sie sind das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung und Ingenieursleistung. Denn die Transistoren – im Grunde die Bausteine eines jeden Prozessors – schrumpfen seit Jahren immer weiter. Da sie inzwischen mikroskopisch klein sind, wird die Herstellung immer komplizierter.

Aufgrund dieser Tatsache können die Hersteller einen Prozessor nicht mit herkömmlichen Methoden produzieren. Inzwischen sind zwar spezialisierte 3D-Drucker und Präzisionsmaschinen für überaus komplexe Dinge geeignet, allerdings erreichen sie in der Regel nur eine Genauigkeit, die im Mikrometerbereich (ein millionstel Meter) liegt. Heutige Chips werden aber im Nanometer-Maßstab gefertigt, was einem milliardstel Meter entspricht.

Aus diesem Grund behelfen sich die Unternehmen mit der sogenannten Fotolithografie. Bei dieser Technik wird mit Hilfe von Licht ein Bild auf die Chipfläche übertragen – ähnlich wie bei veralteten Overhead-Projektoren, jedoch umgekehrt. Denn die Schablone selbst wird auf die gewünschte Präzision reduziert. Das macht es unnötig, komplexe Maschinen überaus genaue Bewegungen durchführen zu lassen.

Das Bild wird hierbei auf einen sogenannten Silizium-Wafer projiziert, der mit höchster Präzision unter strengen Kontrollen im Labor bearbeitet wird. Selbst ein einzelnes Staubkorn könnte den kompletten Wafer und damit Tausende von Euro vernichten. Der Wafer selbst ist mit einem Fotolack (Photoresist) beschichtet, der auf Licht reagiert und nach der Übertragung weggewaschen wird. Übrig bleibt die übertragene Gravur, die mit Kupfer gefüllt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrere Male, um die Transistoren zu bilden.

Doch die Verkleinerung der Transistoren spielt keine Rolle, solange sie nicht vernünftig funktionieren. Da wir uns hier im Nanometerbereich befinden, stoßen die Hersteller auf verschiedene physikalische Probleme. Transistoren sollen eigentlich den Stromfluss unterbinden, wenn sie ausgeschaltet werden. Doch da diese Transistoren derart klein sind, können die Elektronen mittlerweile einfach durch sie hindurchfließen. Dieser Tunneleffekt stellt die Ingenieure vor massive Probleme. Hinzu kommt, dass selbst die Fotolithographie an Präzisionsgrenzen stößt. Die Hersteller versuchen dieses Problem zu umgehen, indem sie extrem ultraviolettes Licht einsetzen. Dieses Licht hat eine derart hohe Wellenlänge, dass es vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen wird. Das Problem bleibt jedoch, da die Transistoren weiter schrumpfen.

So sieht ein Slizium-Wafer aus – in diesem Fall von Intel. Er gehört zum empfindlichsten Teil einer CPU.
Vergrößern So sieht ein Slizium-Wafer aus – in diesem Fall von Intel. Er gehört zum empfindlichsten Teil einer CPU.

Mängelbehaftete Chips lassen sich jedoch während des sogenannten Binnings relativ gut aussortieren. Bei diesem Verfahren wird die Qualität der Chips getestet. Fällt ein Kern des Prozessors als mängelbehaftet auf, wird er deaktiviert und günstiger verkauft. Tatsächlich teilen sich viele CPU-Generationen die gleiche Blaupause, allerdings erfolgt der Verkauf dann mit deaktivierten Kernen zu erschwinglicheren Preisen. Betrifft ein Mangel jedoch kritischere Komponenten wie etwa den Cache, wird der Chip aussortiert. Die Folge: Die Ausbeute (englisch Yield) sinkt. Die Verkaufspreise erhöhen sich entsprechend. Gerade bei Chips, die im 7- oder 10-Nanometer-Verfahren herstellt sind, liegt die Mängelrate recht hoch, was sie entsprechend verteuert.

Im nächsten Schritt des CPU-Herstellungsprozesses muss der Silizium-Wafer so aufbereitet werden, dass er sich mit dem Rest des Systems verbinden lässt. Hierfür wird das Silizium mit der sogenannten PCB, also der Leiterplatte, vereint – eben diese Komponenten würden die meisten Nutzer wohl als die eigentliche CPU bezeichnen. Auch hier ist wieder höchste Präzision angesagt, denn diese empfindliche Kombination wird auf eine Siliziumplatine montiert, die wiederum über eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen verfügt, um sich mit der Hauptplatine zu verbinden. Da eine CPU viel Hitze produziert, müssen die Bauteile entsprechend geschützt werden. Dazu wird auf die Oberseite ein Wärmeverteilers (Heatspreader) integriert. Er hat direkten Kontakt mit der Chipfläche und leitet die Abwärme an den CPU-Kühler, ohne den der Betrieb eines Prozessors nicht möglich ist. Damit ist die CPU verkaufsbereit und landet mit einer entsprechenden Umverpackung in den Läden und Online-Shops.

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