Безымянный.png

Процессоры окружают нас повсюду: от смартфонов и умных часов до самолетов и автомобилей. Мы уже привыкли жить в окружении «кремния», но задайте себе вопрос — а вы задумывались, как они выглядят внутри? Конечно, технически все более-менее понятно: ядра, несколько уровней кэша, графика, различные контроллеры — но как это выглядит в реальности? И в этой статье я предлагаю ознакомиться с фотографиями кристаллов различных процессоров, дабы ответить на этот вопрос.

Core i9-9900K — мощный красавец

Фото дня: «радужный» CPU Intel Core i9-9900K после шлифовки

Да, именно так и выглядит процессор внутри. Четко видны все 8 ядер в центре и кэш L3 между ними, область справа — интегрированная графика: да, вряд ли кто-то будет ее использовать с таким процессором, а занимает она добрую четверть кристалла и серьезно увеличивает его стоимость.

И, наверное, у многих возник вопрос — почему кремниевый процессор светится всеми цветами радуги? Причины тут три. Во-первых, после снятия верхнего слоя кремния металлизированные участки начинают быстро окисляться на воздухе, приобретая различные цвета. Во-вторых, для освещения используется поляризованный свет (грубо говоря, электромагнитная волна колеблется в одном направлении), из-за которого происходит фазовый контраст, то есть участки из разного вещества окрашиваются по-разному. В-третьих, сверху кристалл покрывают слоем иммерсионного масла, которое позволяет захватить больше света и сделать изображение более ярким и четким.

Pentium II с дизайном Flip Chip и Wire Boarding

В P2 с виду ничего необычного не было, просто шаг вперед в сравнении с P1 — техпроцесс колебался от 350 до 180 нм, частота выросла до 450 МГц. Однако внутри было достаточно важное изменение, из-за которого площадь кристалла выросла почти 10%, с 118 до 130 мм2:



Как хорошо видно на снимках — внутренняя структура процессоров не изменилась, техпроцесс тоже одинаков, 250 нм. Но в чем же была разница? А она была снизу: изначально процессоры соединялись с подложкой при помощи проводов — Wire Boarding, но во времени Pentium II стало понятно, что это путь тупиковый, и было решено перейти на Flip Chip, то есть кристаллы теперь имели контактную основой снизу, с помощью которой они теперь крепятся к подложке. Это позволило использовать больше контактов — а, значит, продолжить увеличивать производительность.


Wire Boarding — хорошо видны проводки.

Pentium III — многослойность

Достаточно быстро чипмейкеры поняли, что использовать только один металлизированный рабочий слой в толще кремния — невыгодно, и уже Intel 386 был двухслойным, а Intel Pentium 3 — трехслойным. И дальше дело не пошло, ибо площадь кристалла остается той же, а удвоение слоев удваивает количество создаваемого тепла, которое становилось все сложнее отводить.

Вот так выглядит сбоку трехслойный Pentium III:



Да, как видите, реально меньше 1% от всего кристалла используется на деле, все остальная толща кремния работает как защита и теплоотвод.

AMD R9 Nano — большая разница между CPU и GPU

Все процессоры имеют несколько крупных ядер, которые хорошо видны, к примеру, на первом снимке с Core i9-9900K. Видеокарты же устроены иначе — внутри них множество мелких вычислительных блоков: так, в современных видеокартах от Nvidia может быть тысячи CUDA-ядер. 

На фото кристалл видеокарты AMD Radeon R9 Nano:



Сам кристалл имеет 176 текстурных блоков и 64 ROP. Так же хорошо видны четыре золотистых области, в которых чип контактирует с кристаллами HBM-памяти.

Байкал T1 — русский процессор

Процессор интересен не только тем, что он русский, но и еще тем, что он работает на MIPS-архитектуре. Характеристиками он при этом не блещет — 2 ядра с частотой в 1.2 ГГц, 1 МБ кэша L2. Но с учетом тепловыделения всего в 5 Вт его можно использовать в различной мелкой электронике типа роутеров.

Внутри он выглядит немного необычно:

97f24f88796022bf1de1dac0a9ab9b80.jpg

А необычное в нем то, что слой кремния пустоват: две черных F-образных области слева это ядра, золотистые области вверху — кэш. Справа есть контроллер памяти и ... все, все остальное пространство пустует. Возможно, это некоторый задел на будущее, чтобы потом не менять размеры кристалла.

AMD Ryzen Threadripper 1950X — максимум ядер

В своих высокопроизводительных процессорах AMD использует интересную компоновку: это 4 восьмиядерных кристалла на одной подложке, что дает до 32 ядер:



Структура каждого кристалла тоже хорошо просматривается: это 4+4 ядра, ближе всего к ядрам черное вкрапление кэша L1 и L2, и по центру между ними — L3:



Отсюда же и очевидна проблема — время обращения к кэшу L3 другой четверки ядер даже на одном кристалле будет серьезно больше, чем к «своему», а уж на другом кристалле и говорить не приходится.

В итоге, как можно видеть, хотя техпроцесс современных процессоров составляет десятки нанометров, некоторые их структуры все же видны даже невооруженным глазом, также хорошо видна разница между CPU и GPU. К сожалению, далеко не со всеми процессорами проводились такие эксперименты — интересно было бы взглянуть на то, как выглядит внутри, например, 18-ядерный Intel Core i9, но и имеющиеся фотографии отлично показывают всю красоту кремниевых кристаллов.