Fra 2300 til 7,2 milliarder transistorer på 45 år: Slik krympes prosessorene for å gi deg raskere pc-er

I fjor fylte Moores lov 50 år. «Loven» som er oppkalt etter en av Intels grunnleggere, Gordon Moore, sier noe om hvor raskt antallet komponenter på en integrert elektronisk krets vil øke over tid. Det at man stadig klarer å pakke flere og flere transistorer inn på en elektronisk brikke er årsaken til den rivende teknologiske utviklingen vi har sett siden Intel lanserte verdens første kommersielt tilgjengelige mikroprosessor, Intel 4004, i 1971.

Men hvordan får man det til? Det skal vi se nærmere på i denne artikkelen. Vi spoler 45 år tilbake – til 1971.

Fra 2300 til 7,2 milliarder transistorer på 45 år

Den viktigste bestanddelen i en elektronisk brikke, som en prosessor, er transistoren. Den består enkelt fortalt av en inngang og en utgang, samt en leder til jord. Det er også en port («gate») som bestemmer om strømmen skal passere eller ikke. Siden det benyttes et såkalt halvledende materiale (vanligvis silisium) kan strømmen også gå i kun én retning.

Intels 4004-prosessor som ble lansert i 1971 hadde totalt 2300 transistorer. Til sammenligning har en moderne Intel Core i7-prosessor rundt 2,6 milliarder transistorer – altså godt over én million ganger så mange. Ifølge Wikipedia er det imidlertid Intels 22-kjerners Xeon Broadwell E5-prosessor som har flest transistorer av kommersielt tilgjengelige prosessorer bestående av én brikke. Den har hele 7,2 milliarder transistorer.

Selve silisiumbrikken som befinner seg inne i innpakningen til Core i7-prosessoren har en størrelse på 355 kvadratmillimeter (mm²). Brikken er altså betydelig større enn de 12 kvadratmillimeterne som Intel 4004 opptok. Likevel er tettheten av transistorer ekstremt mye høyere på dagens prosessorer. Skulle man laget en moderne prosessor med datidens produksjonsprosess ville prosessoren vært mange meter bred og lang.

Det er en stadig forbedring av produksjonsprosessen som har gjort denne utviklingen mulig. Prosessorene lages i store og avanserte fabrikker som typisk kan koste fra 1-4 milliarder dollar – altså fra 8 til 33 milliarder norske kroner – å bygge.

Slik lages prosessorene

Som nevnt er dagens elektroniske brikker basert på halvledermaterialet silisium, som er det nest mest vanligste grunnstoffene på jorden, etter oksygen – og som finnes i sand. I elektronikk og i solceller trenger man det som kalles høyrent silisium. Et stort sylinderformet stykke silisium (som kalles en «ingot») kuttes i tynne skiver, såkalte wafere. Det er på disse waferne – eller silisiumplatene – at de elektroniske brikkene lages.

Waferen blir polert til de blir bare et par mikrometer tykke, og så behandles den på en spesiell måte slik at det oppstår et tynt lag med silisiumdioksid på overflaten av waferen. Så legger man på et tynt lag med fotoresistent materiale, før waferen belyses med UV-stråler gjennom en maske der selve kretsen er tegnet. De områdene som er blitt belyst vil kunne etses bort senere. Via en etseprosess og påføring av metall og ytterligere etsing ender man til slutt opp med en elektronisk krets. Til slutt skjæres de enkelte brikkene ut og monteres i en innpakning.

Hver wafer kan inneholde et stort antall elektroniske brikker, og jo mer man klarer å krympe de minste delene av brikkene, jo flere brikker får man plass til på én wafer. Det gir naturligvis også lavere produksjonskostnad.

(Artikkelen fortsetter under bildet)

Brikkene produseres på store fabrikker i et såkalt «clean room», hvor luften er så godt som helt fri for støv og andre partikler. Det skal nemlig ikke mer til enn ett enkelt støvkorn for å ødelegge brikkene, og det er også årsaken til at alle som jobber på disse fabrikkene har på seg heldekkende dresser som blir blåst rene for støv før man går inn i rommet. Da undertegnede besøkte en av Intels halvlederfabrikker for en del år siden var det forbud mot å bruke parfyme eller hårmidler, og de som røyket måtte vente minst et døgn før de fikk komme inn i cleanroomet – så redde var de for at noe skulle forurense produksjonen.

Ved å bruke en serie med linser når man belyser waferen gjennom den nevnte masken klarer man å forminske detaljene så mye at man kommer helt ned på nanometernivå (milliarddels meter).

Vårt søsternettsted Tek.no har en dyptpløyende gjennomgang av hvordan en prosessor lages her.

Produksjon av en elektronisk brikke kan bestå av hundrevis av trinn.

Etter hvert som man har videreutviklet produksjonsteknologien har man klart å krympe denne prosessen mer og mer, slik at hver enkelt detalj på de elektroniske brikkene tar enda mindre plass. Det er det som er grunnen til at vi nå har prosessorer som er vanvittig mye kraftigere enn de vi hadde for ti eller tjue år siden.

Lær mer om silisium: Slik utvinnes silisium til elektronikk og solceller (krever TU Total eller Tek Ekstra-abonnement)

Bygger i høyden

Det er ikke bare det å pakke ting tettere utover overflaten til silisiumskiven som gjør at man får plass til mer på et gitt areal. Vi har allerede såvidt vært inne på at man bygger opp de elektroniske kretsene med mange lag. I tillegg har man også endret hvordan selve transistorene er bygget opp.

Da Intel gikk fra 32 til 22 nanometer i 2011 kom selskapet samtidig med en helt ny type transistorer kalt Tri-Gate. Mens silisiumbaserte transistorer inntil da hadde vært todimensjonale, begynte man nå å produsere transistorer i tre dimensjoner. Den vanlige porten i hver transistor er nå en veldig tynn «finne» som stikker opp, og det betyr at man kan ha én port på hver side av finnen pluss én på toppen – altså totalt tre porter per finne (derav navnet «Tri-Gate»). Siden finnene er vertikale betyr det at man sparer plass – man får flere transistorporter inn på samme areal.

I tillegg til å få inn flere porter per transistor, må det også nevnes at moderne transistorer gjerne også har flere finner per transistorer – for eksempel tre eller fire.

Med introduksjonen av Intels nye 14 nanometer produksjonsprosess har selskapet gjort transistorfinnene tynnere og høyere. Ifølge Intel innebærer dette en betydelig forbedring i effektiviteten, noe som gjør at man igjen kan klare seg med færre finner per transistor – typisk et par stykk.

Litt prosessorhistorie: utviklingen fra 1971 og frem til i dag

Når Intel 4004-prosessoren kom i 1971 ble den produsert med det som kalles en 10 mikrometer (μm) produksjonsprosess. Det betyr at de minste bestanddelene i prosessoren ikke er større enn 10 mikrometer – altså 10 milliondels meter. Etter hvert som man klarte å krympe dette mer og mer gikk man over til å bruke nanometer som måleenhet i stedet – altså milliarddels meter. Den siste prosessoren fra Intel hvor man bruke mikrometerskalaen var 80386-prosessoren fra 1985 som ble produsert på 1 mikrometer. I 1989 kom 80486-prosessoren, som ble produsert på 800 nanometer – det vil si 0,8 mikrometer.

Dagens mest avanserte prosessorer lages med en 14 nanometer produksjonsprosess – det vil si at hver transistor er 14 nanometer stor. Det er ufattelig lite – faktisk er et hårstrå mellom 80 000 og 100 000 nanometer tykt, som betyr at du ville fått plass til kanskje så mye som 7000 transistorer i bredden på et hårstrå. Som en kuriositet kan det også nevnes at fingerneglene dine vokser med en nanometer i sekundet.

Det neste steget nå for mange produsenter blir 10 nanometer. Intel er igang med å prøve ut dette, mens konkurrenten Qualcomm allerede har lansert en 10 nanometer prosessor, Centriq 2400, som vil komme på markedet i 2017.

I bildegalleriet under kan du se noen av de viktigste prosessorene fra 1971 og frem til i dag.

Det er ikke bare Moores lov som er årsaken til de enorme forbedringene i moderne datamaskiner. Ofte kommer gevinstene i like stor, eller enda større grad fra matematikerne » (Digi Ekstra)