Funzionamento della CPU: come si crea un processore di un pc, di uno smartphone e di una pen drive

Come funziona un processore e perché sono così importanti? Sapevi che sono presenti anche nelle memorie degli smartphone, nelle pendrive e nelle memory card SD?

Scopriamo come sono fatte le CPU (le unità centrale di elaborazione, implementate attraverso un microprocessore) presenti in tutti i dispositivi che usiamo quotidianamente e per quali motivi potrebbe non essere possibili ripararle in caso di guasto.

Com’è fatta una CPU

Ti sei mai chiesto com’è possibile che milioni di transistor stiano all’interno di un oggetto così piccolo come una CPU? Tutto comincia dalla sabbia: questa è composta da un 25% di silicio, e la sabbia di quarzo, contiene diossido di silicio (SiO2) in grande quantità, perciò è impiegata come ingrediente base per realizzare i semiconduttori.

Il silicio viene separato dalla sabbia e purificato attraverso una serie di passaggi, fondamentali perché il silicio deve avere un livello di purezza altissimo.

A questo punto il silicio viene fuso e si ottengono dei cristalli, detti anche lingotti, dal peso di circa 100 kg; questi sono poi suddivisi in sottilissimi dischi di silicio chiamati wafer. Le moderne Cpu si ottengono da wafer con un diametro di 300 mm.

Questi wafer devono essere lisci come uno specchio, perciò vengono ripuliti dalle impurità e sono lavorati in stanze asettiche, in ambienti di produzione privi di polvere. Questo fa capire quanto sia decisiva questa fase per la creazione di una CPU e quanta accuratezza richiede l’intero processo.

Il disco viene poi ricoperto da un materiale fotosensibile, distribuito uniformemente sulla superficie, per poi essere esposto ai raggi ultra violetti (UV); la reazione chimica che generano le lampade è simile a quella che si verifica su una pellicola quando si scatta una foto.

In questo procedimento si usa una mascherina che permette di dare al silicio forme precise; una lente concentra in un solo punto l’immagine della mascherina, così che sia 4 volte più piccola rispetto all’originale. Il procedimento è ripetuto più volte, dopodiché le aree del wafer esposte ai raggi UV diventano solubili e vengono sciolte con un solvente specifico. In questo modo emerge il design del progetto, poiché il materiale fotoresistente protegge le parti che devono essere preservate.

Come funziona una CPU

A questo punto, le parti esposte del silicio sono bombardate di ioni, i quali modificano le proprietà chimiche del silicio e consentono di creare le proprietà specifiche di una CPU.

I wafer vengono immersi in una soluzione di solfato di rame, così gli ioni di rame si depositano sui transistor; in pratica, si tratta di un processo simile alla placcatura dei gioielli.

Si creano poi diversi strati di metallo per realizzare i collegamenti con i transistor, chiaramente il modo in cui questi collegamenti sono creati dipende dall’architettura della CPU. Su una CPU ci sono più di 20 strati di circuiteria; segue il test di qualità per verificare se tutto funziona, controllando tutti i circuiti e le piste.

A questo punto il wafer viene tagliato in singole unità, le die, e di questi saranno confezionati solo quelli che superano i test di risposta. Da un singolo disco si ricavano numerose CPU: i die sono poi inseriti nel loro alloggio finale e uniti al dissipatore.

In pratica il substrato fornisce l’interfaccia elettrica e quella meccanica, che servono per l’interazione tra il processore e il resto del computer, nel caso ad esempio della CPU di un pc, mentre il dissipatore argentato agisce da interfaccia con i sistemi di raffreddamento, usati per evitare il surriscaldamento della CPU quando si utilizza.

Come sono fatte le memorie degli smartphone

Anzitutto bisogna sapere che anche gli smartphone hanno bisogno di un sistema centrale per avviare le applicazioni e gestire i processi del device, che in questo caso si chiama System on a Chip. Questo include il processore, un chipset e i controller per la RAM, la fotocamera, il display, i sensori, e anche la GPU (Graphic Processing Unit) e il modem LTE, ad esempio.

La CPU è una delle componenti hardware fondamentali in uno smartphone, poiché è il tipo di processore a determinare la potenza delle prestazioni del device.

Per quanto riguarda smartphone e tablet, questo è un sintetico elenco dei produttori di CPU ARM (l’equivalente di Intel).

• Apple (con i suoi processori ARM AXX, dove al posto delle X c’è un numero identificativo)
• Samsung (che produce le CPU ARM chiamate Exynos in esclusiva per i suoi device)
• Qualcomm (leader del settore con le sue CPU ARM Snapdragon XXX, dove al posto delle X c’è un numero identificativo)
• Mediatek (le cui CPU ARM sono molto utilizzate nel settore degli smartphone di fascia bassa)
• Huawei (che produce le CPU ARM HiSilicon Kirin in esclusiva per i suoi device)

Anche per quanto riguarda le memorie interne degli smartphone e degli altri device vale lo stesso discorso della CPU: il SoC non può funzionare senza RAM e memoria interna, per questo in caso di danneggiamento della memoria i dati potrebbero non essere recuperabili.

Per quanto concerne la RAM, quella degli smartphone è differente rispetto a quella che si utilizza sui computer, vale a dire che la potenza è molto inferiore. Inoltre, il processore ha bisogno anche della cache, una memoria dalle dimensioni ridotte che conserva copie dei dati che si utilizzano più spesso; sono presenti almeno 2 tipi di memoria cache, L1 e L2.

Quando i dati richiesti dal processore non sono presenti all’interno della cache L1, si passa direttamente alla cache di secondo livello, e solo successivamente viene impiegata la RAM. La L1 è la più veloce delle memorie cache, mentre la L2 (e la L3, se presente) sono più grandi e più lente.

Riguardo le memorie flash di device come pendrive ma anche memory card, rimandiamo al post sui 3 guasti più frequenti delle memorie flash, per saperne di più sulle caratteristiche di questo tipo di memorie.