Informatički rječnik

ČIP (Chip) - Integrirani krug - hlađenje

 Pojmovi


Čip (chip) je najsloženije dostignuće moderne mikroelektronike, ili točnije rečeno tehnologije izrade integriranih krugova. U osnovi to je skup elektroničkih komponenti ukomponiranih na način da se izvršavaju namjenske radnje s analognim ili digitalnim signalima. U računalnoj tehnici od osnovnog je značaja obrada digitalnih signala na način da se s njima izvršavaju raznolike logičke operacije u binarnom brojevnom sustavu u svrhu izračunavanja složenih matematičkih zadaća kojima je krajnji rezultat dobiti željeni rezultat bilo kao numerički skup podataka koji će se uporabiti za nekakve analize ili kao podaci temeljem kojih će se 'izgraditi' grafički prikaz na zaslonu monitora razumljiv čovjeku. Navedeni produkti obično se u primjeni opće namijene nazivaju CPU (Central processing unit), FPU (Floating Point Unit) ili GPU (Graphics Processing Unit) ili ChipSET (grupa čipova - skup integriranih krugova u svrhu koordiniranja rada sustava). Ako se radi o specijalnim izvedbama po narudžbi korisnika s dizajnom za specifične namijene - ASIC (Application Specific Integrated Circuits) takvi integrirani krugovi mogu sadržavati sve prethodno navedene produkte opće namijene u većoj ili manjoj mjeri.

Bez obzira o čemu je riječ radi se o složenom tehnološkom procesu koji podrazumijeva da se na podlogu površine od par kvadratnih milimetara foto postupkom, jetkanjem i naparivanjem različitih materijala u visokom vakuumu, uz uporabu za tu svrhu izrađenih maski, dobije slojevita struktura koja se nakon termičke obrade ponaša kao tranzistor, dioda, otpornik, kondenzator ili obični spojni vod. Načelni način izrade elementarnog tranzistora u litografskom postupku, jednog od desetine miliona međusobno povezanih elektroničkih elemenata na spomenutoj podlozi prikazan je na narednoj slici.

 Izrada chip-a
Slika* 1. Načelo izrade jednog tranzistora čipa.  

Slika prikazuje jedan elementarni tranzistor u jednom sloju. Kad se izradi i međusobno poveže mnoštvo njih, na milijune, u više slojeva, od kojih svaki od elemenata obavlja neku funkciju onda sve to skupa podsjeća na hamburger, samo što cijeli 'sendvič' nije za jesti :-).

Opis pojedinih slojeva i način njihovog rada nakon kemijske i termičke obrade previše je složen da se može ukratko opisati, te nije tema abecede, ali je dojmljivo da je veličina prikazanog elementa iznosi par desetaka nm te da se njihovim objedinjavanjem dobije skup od nekoliko desetaka pa i stotina miliona elektroničkih elemenata koji su u stanju obavljati vrlo složene logičke operacije po načelima binarnog brojevnog sustava. Manja veličina elementarnog tranzistora, uz naprednije izolatorske tehnologije između pojedinih slojeva znači veću gustoću ugrađenih elemenata po jedinici površine, ili bolje reći veći broj aktivnih logičkih elemenata i bitno manje ZAGRIJAVANJE cjelokupnog čipa.

Upravo veličina elementarnog tranzistora definira tip uporabljene tehnologije izrade; od Intel 4004 mikroprocesora izrađenog u 10 μm tehnologiji (1971. godina), te Pentium 4 mikroprocesora izrađenog u 90 nm tehnologiji (2005. godina) do Core serije mikroprocesora u izrađenih u 45 nm tehnologiji (2007. godina), 32 nm tehnologiji (2010. godina), 22 nm tehnologiji (2012. godina) i 14 nm tehnologiji (2015. godine). DRAM memorije se već izrađuju u 30 nm tehnologiji, a predstavljeni su primjerci grafičkih procesora koji slijede ovaj trend prema 20 nm tehnologiji. Kako se istovremeno ne izrađuje samo jedna mala pločica, već se maske dizajniraju tako da se istovremeno može izraditi na stotine njih na podlozi velikoj kako prikazuje slika 2.4.9, cijena ovih proizvoda svakim danom je sve manja. Prve izvedbe logičkih sklopova temeljile su se na uporabi bipolarnih tranzistora i koristila se je TTL (Transistor–Transistor Logic) koncepcija izrade dizajnirana 60' godina. Prikazana animacija u načelu prikazuje upravo izradu jednog bipolarnog tranzistora PNP ili NPN tipa na kojima je počivao dizajn TTL tehnologije. Navedenu tehnologiju gotovo u potpunosti zamijenila je CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) koncepcija bazirana na unipolarnim tranzistorima, koju odlikuje vrlo veliko otpornost na šum, mala potrošnja električne energije i znatno manja veličina elementarnog tranzistora tipa PMOS ili NMOS analogno TTL tehnologiji. Gotovo svi elektronički sklopovi računala u ovom mileniju; mikroprocesor, mikrokontroler, radna memorija i ostali digitalni logički sklopovi baziraju se na primjeni neke od verzija CMOS tehnologije.

Rezanjem ploče - kolača (wafer-a) na elementarne dijelove dobiju se elementarni integrirani krugovi (the die), koji se prije rezanja ispituju na osnovnu funkcionalnost, te se po rezanju neispravni uništavaju a ispravni postavljanju u kućište (the package) u kojem se zlatnim nitima izvodi čipa spajaju s priključnim nožicama kućišta. Rezultat je integrirani krug - čip. Integrirani se krugovi kod masovne proizvodnje minijaturnih uređaja kao što su ručni satovi i elektroničke igračke izravno ukomponiraju u tiskanu ploču bez kućišta, jer se tako pored manjih dimenzija postiže i niža cijena.

Kako se svi čipovi u kolaču ne mogu u potpunosti obraditi na isti način, dio njih biti će neispravan a dio biti će 'pogrešno ispečen' te će stoga imati slabije performanse u odnosu na ispravnu 'braću'. Na temelju rezultata završnog ispitivanja gotovog proizvoda, čipa umetnutog u kućište, određuje se serija proizvoda. Prilikom završnog ispitivanja dio njih pregori što se nadoknađuje u povećanoj cijeni proizvoda koji daju najbolje performanse. Dakle, mikroprocesori koji rade na frekvenciji od 2 GHz i mikroprocesori koji rade na frekvenciji od 3 GHz rezultat su istog proizvodnog procesa ali tijekom obrade nisu bili na istom mjestu u 'kolaču' a moguće ni u istom 'kolaču'.

Sigurno je najpopularniji proizvod mikroprocesor - CPU, koji se vrlo često uzima kao mjerilo učinkovitosti računalnog sustava, iako njegov udio bez usklađenosti s ostalim komponentama računalnog sustava nema velikog značaja. Moćan mikroprocesor u računalu koje nema kvalitetno riješeno hlađenje, dovoljno radne memorije, dovoljno brze diskovne uređaje i dovoljno veliku propusnost sabirnice sustava neće doći do izražaja. Na narednoj slici prikazano je kućište i presjek jednog od popularnih procesora firme INTEL.

 Intel četverojezgreni procesor
Slika* 2. Reklamni prikazi mikroprocesora firme INTEL. ( + / - )

Zahtjevi vremena nameću nove kriterije u dizajnu mikroprocesora. Nemogućnost povećanja radnog takta zbog sve težeg postupka smanjivanja dimenzija elementarnog tranzistora, rezultira dizajnom procesora s više jezgri, te se na prethodnoj slici može razlučiti da se u kućištu nalaze dva mikroprocesora s udvojenim jezgrama što daje četiri jezgre. Međuspreme procesora (L2 cache) na prikazanom primjeru međusobno su odvojene po jezgrama a mogu biti i objedinjene za sve jezgre. Može se očekivati da će daljnji razvoj mikroprocesora ići upravo u pravcu izrade procesora s više jezgri sa ciljem istovremene obrade više procesa, te dodavanjem međuspreme (L3 cache) koja će objedinjavati njihovu komunikaciju prema radnoj memoriji. Grafički procesori sa svojim osobitim zadaćama slijede navedeni trend.

Radi usporedbe s tehnologijama unatrag desetak godina, zanimljivo je napomenuti da se je L3 međusprema ugrađivala na matičnu ploču u vidu brze SRAM memorije uobičajene veličine 64, 128, 256 ili 512 kB, što je u velikoj mjeri određivalo cijeni matične ploče ali i performanse računalnog sustava u cjelini. Ovaj koncept prestao se je rabiti kad je tehnološki razvoj mikroprocesora omogućio povećanje njegove L2 međuspreme u dovoljnoj mjeri da se ne izgubi na performansama sustava. Integracija L3 međuspreme u mikroprocesor oživljava negdašnju koncepciju na novi učinkovitiji način. Jedan od primjer je izvorna koncepcija mikroprocesora 'Intel Core i7', koji se montira u podnožje tipa LGA 1366, i kojeg s periferijama povezuje upravo 1366 priključaka. Samo kućište integriranog kruga nije standardizirano za proizvode poput navedenog, ali kućište i priključci integriranih krugova opće namijene obično jesu kao što prikazuje slika 2.4.2b.

Sve veća primjena virtualnih računala vjerojatno će utjecati na opisani dizajn integriranih krugova da bi se raspoloživi resursi u što većoj mjeri ravnomjerno rasporedili. Jedan od prikaza procesora na gornjoj slici pokazuje da su za priključke s podnožjem uporabljeni ovalni priključci umjesto pinova kao na slici 2.4.9. Većini pinova funkcija je objedinjena tako da za napajanje služi jedna skupina pin-ova, za masu druga i slično, kako bi se osiguralo da u slučaju lošeg kontakta jednog od pin-ova potpunu funkcionalnost ima drugi. Osim toga ispitivanja su pokazala da ovalni priključci imaju manji postotak neostvarenih kontakata u odnosu na dosad korištena podnožja s 'iglicama'.

Za uzajamni ispravan rad skupine raznovrsnih čipova na matičnoj ploči računala i umetnutim karticama i njihovu ispravnu međusobnu komunikaciju, kao što su CPU, GPU, radna memorija, diskovni i optički uređaji, čip za glazbenu potporu, čip za mrežnu potporu i drugi, odgovoran je ČIPSET (CHIPSET), osnovni skup čipova koji su međusobno povezani i imaju zadaću na ispravan način ostvariti funkcionalnost računala u cjelini povezujući sve odgovarajuće priključene i ugrađene uređaje.

Prvotna generacija Intel Corei3, Corei5 i donekle Corei7 procesora izrađenih u 32 nm i 45 nm tehnologiji, koji se montiraju u LGA 1156 podnožje, uvodi značajnu novinu u samu fizičku koncepciju računala, osobito prijenosnih računala. Manja veličina elementarnog tranzistora omogućava da se u istom kućištu integriraju CPU i GPU što mijenja broj čipova u sastavu čipseta kako prikazuje slika 3a.

 Chipset Intel-Q57
Slika* 3. Shema čipseta Intel-Q57 / Koncepcija CPU i GPU u zajedničkom kućištu. ( + / - )

Sa slike 3a vidi se da je uz CPU u kućište ukomponiran GPU, koji sigurno nije takvih mogućnosti da zadovolji specifične potrebe, ali čipset prema shemi na slici 3a omogućava uporabu vanjske grafičke kartice umjesto integrirane. Navedene slike ukazuju da je ostvarena poprilično dobra osnova za izradu učinkovitih ali i jeftinijih uredskih i prijenosnih računala. Na slici 3b vidi se da su prikazana dva integrirana kruga potpuno odvojene cjeline. Kako se za podnožje (socket) procesora koristi model LGA 1156 jasno je da s obzirom na vrlo raznolike verzije procesora Intel 'Core i3', 'Core i5' i 'Core i7', u osnovi s ugrađenim grafičkim procesorom ili bez njega, treba biti vrlo oprezan prilikom izbora odgovarajuće matične ploče računala. Unaprijeđene verzije 'Core' porodice mikroprocesora treće i četvrte generacije izrađene u 22 nm tehnologiji koriste podnožje LGA 1155 i LGA 1150, a peta generacija 'Core' porodice mikroprocesora korisiti 14 nm tehnologiju i LGA 1150 podnožje. Šesta  i sedma generacija 'Core' porodice mikroprocesora koristi unaprijeđenu 14 nm tehnologiju i LGA 1151 podnožje. Imaju objedinjen procesorski i grafički ustroj u jedinstvenu fizičku i logičku cjelinu. Jedan od proizvođača koji manje ili više uspješno u pojedinim segmentima prati Intel je AMD (Advanced Micro Devices, Inc.).

S obzirom na prikazano za očekivati je da će napredak tehnologije omogućiti da će se rad jednog prosječnog uredskog računala oslanjati na jedan jedini čip. Za naprednije korisnike, kao igrače na primjer, uvijek ostaje izbor matične ploče tipa X79 (X99), Z77, Z87, Z97, Z170 ili Z270 i pripadni im CPU. Procesori, čipseti i slični integrirani krugovi zbog velikog broja integriranih komponenti na malom prostoru prilično se ZAGRIJAVAJU i odvođenje toplote je značajan problem, te ih je stoga potrebno HLADITI što se izvodi na nekoliko načina:

Primjer temperature komponenti i brzine rashladnih ventilatora u dobro rashlađenom kućištu kad je računalo neopterećeno.

 Senzori računala
Slika 4. Podaci koje daju senzori računala glede hlađenja.

Naravno, prilikom opterećenja računala temperature komponenti će malo porasti, ali će se brzine rashladnih ventilatora znatno povećati.

Između podnožja hladila i kućišta integriranog kruga namaže se tanak sloj toplinski vodljive paste kako bi se anulirao utjecaj neravnina između dodirnih površina. Dodirne površine mogu se u svrhu boljeg međusobnog nalijeganja polirati. Integrirani krugovi predviđeni su da pri uobičajenoj uporabi rade u opsegu TEMPERATURE od 0 do +55°C, dok je za vojne potrebe taj opseg od -15 do +70°C. Navedeno vrijedi za sklopove koji su napravljeni na silicijskoj osnovi, što je trenutno slučaj kod većine njih. Van navedenog opsega integrirani krug ne funkcionira ili će se oštetiti. Stoga ne ćudi da su prostori s ključnim mrežnim uređajima i računalima klimatizirani. I istog razloga i unutrašnjost svemirskih letjelica je klimatizirana i ljudi nisu osnovni čimbenik :-). Nije na odmet spomenuti i da kućište računala treba biti dobro ventilirano. Povremeno ga treba očistiti od nakupljene prašine, kao i rebra rashladnih komponenti.

Zašto se tranzistori zagrijavaju kad 'rade' u području provođenja ili neprovođenja struje kao prekidač prikazan na slici 1.2.1? Razlog je vremenu potrebnom za prelazak tranzistora iz stanja provođenja struje u stanje nevođenja struje (pozicija S na slici) i obratno, kao i najnižem naponu potrebnom za održavanje provođenja struje (pozicija C na slici), kako je prikazano plavom krivuljom na narednoj slici u odnosu na idealnu krivulju crvene boje.

 Strujni impuls
Slika 5. Naponska stanja tranzistora.  

Opća formula za snagu je P=U•I, a energija je razvijena snaga u vremenu. Dakle, ako kroz tranzistor ne teče struja (I=0) nema utroška energije niti oslobođene toplote. Ako pak kroz tranzistor teče struja, što je slučaj u vremenskom razdoblju prilikom prelasku tranzistora iz stanja nevođenja u stanje provođenja struje i prisustva minimalne struje i napona u stanju provođenja, jasno je da će se u ta dva slučaja razviti neka potrošnja energije (I≠0, U≠0) od koje se dio pretvara u toplotu.

Iz navedenog je jasno da veća brzina rada čipa, ima za posljedicu kod svakog njegovog pojedinog tranzistora veći broj izmjena stanja rada u jedinici vremena pa i time veće zagrijavanje. Što je više elementarnih tranzistora zagrijavanje čipa je veće. Glede navedenog, razvojni inženjeri nastoje uporabom suvremenijih tehnologija navedeno prijelazno vrijeme smanjiti te struju i napon potreban za održavanje stanja provođenje. Trajanje prijelaznog stanja u uskoj je vezi s veličinom elementarnog tranzistora - što je tranzistor manji vrijeme 'preleta' elektrona s jedne elektrode na drugu je kraće, te je time i zagrijavanje manje.

Ne tako davno, kada su računa bila velika i brzina rada komponenti računala nije bila neki faktor, pojam rashladnog sustava bio je bez značaja. Rijetko koji čip imao je rashladni sustav. Ali je zato cijela prostorija u kojoj je računalo bila klimatizirana. No, danas su računala daleko manja, stoje uz stol ili na stolu korisnika u namjenskom kućištu. A komponente unutar kućišta treba hladiti. U cilju postizanja što boljih performansi, danas je odsustvo bilo kakvog rashladnog sustava na ključnim komponentama osobnog računalnog sustava nezamislivo.


 Natrag
 Tražila
 Dalje

 Pojmovi
 Pojmovi  Informatička abeceda
 
Citiranje ove stranice:
Radić, Drago. " Informatička abeceda " Split-Hrvatska.
{Datum pristupa}. <https://informatika.buzdo.com/pojmovi/>.
Copyright © by Drago Radić. Sva prava pridržana. | Odgovornost