Perché i processori sono quadrati o rettangolari? La risposta risiede nell'efficienza produttiva e nell'imballaggio

La maggior parte dei processori utilizzati in computer e telefoni appare quadrata o rettangolare se osservata dall'esterno. Eppure, i wafer di silicio da cui vengono prodotti questi chip sono circolari. Secondo le informazioni tecniche riportate da Webtekno, questa situazione non è tanto una questione di abitudine progettuale, quanto piuttosto legata alle esigenze di efficienza, taglio e imballaggio nella produzione di semiconduttori.

Il pacchetto esterno di un processore, che si può tenere in mano, non è la stessa cosa del chip di silicio che esegue i calcoli veri e propri. La grande superficie metallica visibile nei processori desktop è spesso parte del dissipatore di calore e del pacchetto protettivo. Sotto di essa si trova uno o più piccoli die di silicio. Questi die costituiscono la struttura del processore vero e proprio, dove risiedono miliardi di transistor e strati di interconnessione.

LA PRODUZIONE INIZIA CON WAFER ROTONDI

Il motivo per cui i wafer sono rotondi deriva dal metodo di produzione del cristallo di silicio. Il silicio ad alta purezza viene trasformato in un lingotto cilindrico monocristallino. Quando questa struttura cilindrica viene tagliata in fette molto sottili, si ottengono wafer circolari. Nella produzione attuale di semiconduttori, vengono comunemente utilizzati wafer con un diametro di 300 millimetri.

Invece di posizionare un unico enorme processore su questa superficie rotonda, il produttore crea numerose copie dello stesso design. Dopo fasi come la fotolitografia, sul wafer appaiono numerosi die disposti fianco a fianco. La forma quadrata e rettangolare consente a questi die di essere posizionati in righe e colonne regolari.

Il vantaggio più importante di questa disposizione si nota durante il processo di taglio. Al termine della produzione, i chip sul wafer vengono separati l'uno dall'altro tramite un processo chiamato "dicing". I die quadrati o rettangolari con bordi dritti possono essere separati più facilmente lungo linee di taglio rette. Con i chip rotondi, il taglio diventa più complesso e si creano spazi di silicio inutilizzabili attorno a ogni chip.

UN CHIP ROTONDO È POSSIBILE MA NON EFFICIENTE

Tecnicamente, produrre un chip di silicio rotondo non è fisicamente impossibile. Tuttavia, nella produzione di massa, non presenta alcun vantaggio significativo. Nella produzione di semiconduttori, una parte importante del costo è legata all'efficienza con cui viene utilizzata l'area del wafer. Più chip funzionanti si ottengono da un wafer, maggiore è l'efficienza produttiva.

Quando i chip rotondi vengono disposti fianco a fianco, rimangono inevitabilmente degli spazi vuoti tra loro. Questi spazi rappresentano un'area di silicio inutilizzata. Inoltre, seguire i bordi circolari per il taglio può creare un processo più complesso e costoso rispetto alle linee di taglio rette. Per questo motivo, la struttura a quattro angoli offre una soluzione più pratica per il produttore.

Dire che tutti i componenti all'interno del processore sono quadrati non è corretto. I processori moderni sono composti da transistor, blocchi di cache, core della CPU, controller di memoria, unità di input/output e strati di interconnessione. La geometria di queste strutture può variare a seconda della tecnologia di produzione e delle esigenze di design.

Tuttavia, un'area di lavoro quadrata o rettangolare offre notevoli facilitazioni dal punto di vista ingegneristico. Gli strumenti di progettazione possono posizionare i blocchi di circuito in modo più ordinato entro questi confini; variabili come percorsi dei segnali, distribuzione dell'energia, densità termica e producibilità possono essere calcolate contemporaneamente.

IMBALLAGGIO, RAFFREDDAMENTO ED EFFETTO CHIPLET

Una volta prodotto, il die di silicio non viene collegato direttamente alla scheda madre. Passa attraverso una fase di imballaggio per il trasferimento dei collegamenti elettrici al mondo esterno, la protezione meccanica e il trasferimento di calore. Il grande coperchio metallico visibile nei processori desktop diffonde il calore prodotto dal processore su una superficie più ampia, facilitando il contatto con il dissipatore.

I pacchetti piatti e quadrangolari possono anche essere posizionati in modo più ordinato insieme ad altri componenti sui circuiti stampati. Le dimensioni di questi pacchetti non sono determinate solo dall'area del silicio interno; vengono presi in considerazione anche il design del socket, il numero di punti di contatto, il fabbisogno energetico e le esigenze di raffreddamento.

Negli ultimi anni, l'approccio chiplet è diventato comune nell'architettura dei processori. Come nei recenti processori desktop e server di AMD, in alcuni design i core della CPU e le unità di input/output possono essere prodotti come chip separati e combinati nello stesso pacchetto. Anche Intel utilizza più unità di elaborazione nello stesso pacchetto in vari prodotti grazie a metodi di imballaggio avanzati.

Il design chiplet non ha eliminato l'aspetto quadrato o rettangolare dei processori visti dall'esterno. Al contrario, sotto un unico pacchetto possono trovarsi più chip quadrangolari affiancati o, grazie a metodi di imballaggio avanzati, disposti su diversi strati. Questo approccio può offrire l'opportunità di aumentare l'efficienza utilizzando pezzi più piccoli invece di produrre un unico chip molto grande.

In futuro, l'imballaggio 2.5D e 3D, soluzioni di memoria più vicine al processore e la combinazione di diverse tecnologie di produzione nello stesso pacchetto potrebbero diventare più comuni. Tuttavia, nella catena di produzione attuale, la forma quadrata e rettangolare continua a essere una delle opzioni più pratiche in termini di efficienza del wafer, facilità di taglio, disposizione dei circuiti, imballaggio e raffreddamento.