CPU
CPUの作り方
二酸化ケイ素を99.9%純粋に精製する。
さらに精製して99.9999999%のポリシリコン金属にする。
ポリシリコンの塊を坩堝に入れる。
シリコンの塊を1698 °Kに加熱する。
小さな種結晶を溶融シリコンの中に浸し、冷えるにつれてゆっくりと引き上げる。これで純粋な単結晶シリコンができる。
単結晶シリコンの塊を薄くスライスし、新鮮なシリコンウェハーを作る。
ボロンまたはリンでドープする。
ウェハーにフォトレジストを塗布する。
クロムでエッチングした光リソグラフィー用の石英マスクを取り、レーザービームを通してウェハーに当てる。マスクによって生じる影がシリコンウェハーの表面上での高度に局所的な化学反応の位置を制御する。
フォトレジストを現像する。
ウェハーの露出部分を酸エッチングする。
残ったフォトレジストを洗い流す。
ホモエピタキシー、ヘテロエピタキシー、擬似エピタキシー、拡散ドーピング、銅のインターコネクト、化学機械研磨を行う。これで完成したシリコンウェハーが得られる。
シリコンウェハーを切断する。これで未パッケージ化のシリコンダイができる。
シリコンチップ上のパッドを見つけてボンドワイヤーを接続するか、フリップチップ方法を使用する。ボンドワイヤーは、チップパッケージのピンとシリコンダイのパッドとの間の電気的接続を提供する。
以上の手順でCPUを製造する。
> @mootastic: 図解・CPUの作り方:
> 1. 石ころを拾う
> 2. 粉々にする (シリコン含有量98%)
> 3. 99.9999999%に精製する
> 4. 1698 °Kに熱する
> 5. 冷ましてスライスする
> 6. ホウ素やリンを加える
> 7. マスキングしてレーザー照射
> 8. フォトレジストを塗り結晶成長
> 9. 切り取る
> 10. 配線して完成
>半導体業界の技術革新と変遷の歴史を30年ほどさかのぼり、その技術の基本的な部分を解説しながら、「7nmプロセス」そして「ファブレス」という現在につながるキーワードにつながる糸を手繰ってみようと思います。
1970s マイクロプロセッサの誕生と集積
1971年 世界初の商用マイクロプロセッサ Intel 4004
進化
Ryzen7 3700X（2019）
トランジスタ数176万倍
面積密度2万倍
CPUの性能向上を決める要素
トランジスタ数の増加に依存
動作周波数（CPUが1秒に情報を処理できる回数）
ただしAMD Athlonは動作周波数で劣っていたがIntel Pentium 4を超えた
近年は頭打ちとなってコアを増やす流れに
実際には内部でパズルのような複雑な処理をやっているので、高ければ高いほど素直に高くなるというわけではない
CPUの設計はコンピュータ科学者の叡智の結晶であり、分厚いテキストを読んで概要が理解できるものだ
あまり自明ではないことがたくさん出てくる
半導体のプロセスルールを小さくすると微細化するほど早くなる
トランジスタの回路の寸法が小さくなると集積度できる数が増える
動作周波数が向上する
動作周波数を決めるスイッチングのオンオフをするMOSFETのサイズが半分になると（ラグの原因）寄生容量C=\epsilon\frac{面積}{酸化膜の膜圧}は1/2になる
荷電する電圧を1/2にできる
Cが1/2になるので動作周波数を2倍にできる
直感的には荷電・放電も早くなるから
結果として集積回路の消費電力は1/4になる
歩留まりが良くなる
CPUの製造コストはシリコンウェハーの製造コストが大きなウェイト
Silicon Waferはクリーンルームで作る
ダイサイズを大きくすると埃がついてダメになる確率が上がる
逆に言えば、つまり大きなものを作ろうとするとコストが跳ね上がってしまう
なので歩留まりが悪そうなでっけえApple M1は驚かれた
微細化の問題
電圧を下げても動作周波数が上がらなくなる現象が130nmぐらいで起きる（Pentium 4の時代）
MOSFET内のドレイン電流が減少するとこれが起きる
閾値電圧を下げてもリーク電流で待機電流が上がる
性能向上のためには消費電力を増加するしかない
半導体は150℃程度が限界なのでこの方向性は頭打ちになる
消費電力を上げると熱が起こる
>これの象徴が2004年に報じられたIntel Pentium4の4GHzモデル（プロセス・ルール65nm）開発中止のニュースでした。それから15年が経った現在もなお市販のCPUで動作周波数が5GHzを超えるものはありません
結果としてマルチコアCPUに舵が切られる
>MDの快進撃を食い止めるべく2020年5月、Intelは第10世代Coreプロセッサ、開発コードネーム“Comet Lake”を投入した。
> 性能は、ゲームにおいては同時期のRyzenを上回る。しかし8コア16スレッド以上の末尾にKの付く倍率アンロックモデルは高負荷時の消費電力の増大を招き、Ryzenのワットパフォーマンスの高さを逆に引き立ててしまった。
> そしてAMDの第4世代Ryzen（5000シリーズ）登場により、Intel製CPUは性能のトップ争いから脱落、プライスダウンで“費用対効果”を打ち出す戦略転換を余儀なくされた。
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ZEN 3（2021年10月）でシングルスレッド性能も向上