CPU එකක් හැදෙන්නේ මෙහෙමයි

පරිගණකයේ මොළය ලෙස සලකන CPU එක නැත්නම් අනෙක් කුමන කොටස තිබුණාටවත් ඉන් වැඩක් ගන්නට බැහැ. කාමර තරම් විශාලව තිබූ පරිගණක, මේසයක් මතට පැමිණ, අනතුරුව ලැප්ටොප් වශයෙන් උකුල මතට පැමිණ, අවසානයේ දැන් අතේ තබා ගත හැකි ස්මාර්ට් දුරකතන බවට පත්වූවා. මේ කුඩා වීමට මූලික හේතුවක් තමයි හැකියාවන් වැඩි කරමින් සූක්ෂ්මව කුඩා ප්‍රමා‍ණයේ CPU සකසන්නට තාක්ෂණය සමත් වීම. ඒත් මේ CPU එකක් හැදෙන්නේ කොහොම ද? අපි සොයා බලමු.

සිලිකන් මත මුද්‍රණය කිරීම

එකල විවිධ ප්‍රමාණවලින් තිබුණු ට්‍රාන්සිස්ටර දැන් කුඩා ප්‍රමාණ කර තිබෙන්නේ විශේෂ ක්‍රම අනුගමනය කරමින් ඒවා සකසන නිසා යි. ඉතාම නිවැරදි සහ සූක්ෂ්ම ලියවන පට්ටල්වලින් (lathe මැෂින්) හෝ ත්‍රිමාණ මුද්‍රකවලින් වත් මේවා නිර්මාණය කරන්නට බැහැ. එම ට්‍රාන්සිස්ටර්වල තිබිය යුතු මිලිමීටර් මට්ටමේ නිරවද්‍යතාවන් සහ නූතනයේ නැනෝමීටර් අගයයන් ලබා ගන්නට ඊට හැකියාවක් නැහැ.

චලනය වන සංකීර්ණ උපාංග එහා මෙහා කරනවා වෙනුවට Photolithography හෙවත් ප්‍රකාශ-ශිලාරේඛණය මේ ගැටළුව විසඳනවා. එමගින් චිප් එකක් මතට ආලෝකය භාවිතයෙන් ඡායාරූපයක් නිරේධනය (etch) හෝ කාවැද්දීම සිදු කරනු ලබනවා. මෙය හරියටම දෙන ලද කඩදාසියක් විශාලනය කර තිරයක් මතට දෙන Overhead Projector එකක ප්‍රතිවිරුද්ධ ක්‍රියාව වගේ යි.

යන්ත්‍ර මගින් ඉහළ නිරවද්‍යතාවක් සහිතව, විද්‍යාගාර තුළ පාලිත තත්ත්ව යටතේ ඡායාරූපයක්; සිලිකන් පෙත්තක් (silicon wafer) මතට ප්‍රක්ෂේපණය කිරීම සිදු කෙරෙනවා. මෙය සිදු කරන අවස්ථාවේ ඉතා කුඩා තනි දුහුවිලි කැබැල්ලක් හෝ බාධා කළහොත් දහස් ගණනක මුදලක් අපතේ යනවා. මෙම සිලිකන් පෙතිවල photoresist නමැති ද්‍රව්‍යයක් ආලේපිත යි. ඒවා අ‍ාලෝකයට සංවේදී නිසා ඡායාරූප ප්‍රක්ෂේපණයෙන් පසු

CPU එකට අවශ්‍ය ප්‍රදේශ කාවැද්දීම් මෙන් ඉතිරි කරමින් ඉවත්ව යනවා. ඒවා පසුව කොපර්වලින් පුරවන්නට හෝ උත්තේජනය කර ට්‍රාන්සිස්ටර් බවට පත් කරන්නට හැකියි. මෙම ක්‍රියාවලිය කිහිපවරක් සිදුකිරීමෙන් පසු ත්‍රිමාණ මුද්‍රකයක් ප්ලාස්ටික්වලින් ලේයර් හදන්නාක් මෙන් CPU එකෙහි ආකෘතිය ගොඩනගන්නට හැකි වෙනවා.

නැනෝ මට්ටමේදී ඇතිවන ගැටළු

කෙතරම් කුඩා ප්‍රමාණයට ට්‍රාන්සිස්ටරයක් හැදුවත් එය වැඩ කරන්නේ නැත්න්ම ඉන් ඇති ඵලක් නැහැ. භෞතික විද්‍යාත්මක ගැටළු රැසක් නිසා මෙලෙස කුඩා ප්‍රමාණ කරන ලද ඒවා ක්‍රියාත්මක නොවී යනවා. ට්‍රාන්සිස්ටරයක් ක්‍රියාත්මක වීමේ දී එහි අක්‍රීය (off) අවස්ථාවේ දී විදුලි ගැලීම නැවැත්විය යුතු වෙනවා. නමුත් මෙම කුඩා ප්‍රමාණ කිරීම් නිසා ඉලෙක්ට්‍රෝන වලට මේවා හරහා ගැලීමට හැකි වෙනවා. මෙය ක්වන්ටම් උමං (quantum tunneling) ලෙස හඳුන්වන අතර සිලිකන් ඉංජිනේරුවන්ට මුහුණ දීමට සිදුව ඇති දැවැන්ත ගැටළුවක්ව තිබෙනවා.

තවත් ගැටළුවක් වන්නේ පළුදු වීම් තිබීම යි. ෆොටෝලිතිකකරණයේ දී නිරවද්‍යභාවය පිළිබඳව සීමාකාරී තත්ත්ව තිබෙනවා. මෙය ප්‍රොජෙක්ටරයකින් පෙනෙන බොඳ වූ ඡායාරූපයක් ගැන සිතීමෙන් පහසුවෙන් අවබෝධ කරගත හැකියි. ඡායාරූපයක ප්‍රමාණ අඩු හෝ වැඩි කරද්දී පැහැදිලි බව අඩු වෙනවා. නිෂ්පාදකයන් විසින් මෙය අවම කරගන්නට මිනිස් ඇසට හසු නොවන තරම් අධික තරංග ආයාමයක් ඇති අධි පාරජම්බුල ලේසර් කිරණ රික්තක මැදිරි තුළ දැනට භාවිතයට ගන්නවා. නමුත් ප්‍රමාණයේ කුඩා බව නිසාම එය සර්ව සාර්ථක නැහැ.

පළුදු වීම් නිසා ඇතිවන ගැටළු අවම කරගන්නට සිදුකරන තවත් ක්‍රමයක් වන්නේ CPU binning ලෙස හඳුන්වන ක්‍රමවේදය යි. CPU core එකක මෙවන් පළුදු වීමක් ඇති වුවහොත් ඔවුන් කරන්නේ ‍එම core එක අතහැර අනෙක් ඒවා පාස්සා නිකුත් කිරීම යි. එනම්, i7 ප්‍රොසෙසරයක් හදද්දී පළුද්දක් ඇති වුණොත්, එය i5 එකක් ලෙස වෙළඳපොළට යැවිය හැකියි. මේවා අඩු මිලට ගත හැකි වෙනවා. නමුත් cache සහිත ප්‍රදේශයක් වැනි අත්‍යාවශ්‍ය කොටසක පළුද්දක් ආවොත් නම් ඒවා සම්පූර්ණයෙන්ම ඉවතලන්නට සිදු වෙනවා‍. එලෙස ඇතිවන පාඩු අනෙක් චිප් වලට එක් කිරීමෙන් පියවා ගන්නට සිදුවන නිසා ඒවායේ මිල ඉහළ යනවා.

නූතනයේ සැකසෙන 7nm හා 10nm වැනි ඒවායේ මෙවන් ගැටළු බොහොම වැඩියි. එනිසාම ඒවායේ මිල ද සාපේක්ෂව ඉහළ ගොස් තිබෙනවා‍.

ඇසිරීම පෙර එකලස් කිරීම

CPU එකක් සැකසිම ලස්සන අසුරණයක දමා ආරක්ෂිතව පාරිභෝගිකයාට ලබාදීමට වඩා සංකීර්ණ ක්‍රියාවලියක්. CPU එකක් සැකසූවාටම එය පද්ධතියේ අනෙක් කොටස් සමග ක්‍රියා කරන්නේ නැත්නම් එහි ප්‍රයෝජනයක් නැහැ. මෙහි “ඇසිරීම” (packaging) හෝ එකලස් කිරීම ලෙස හැඳින්වෙන්නේ සකසා ගත් සියුම් සිලිකන් කැටය PCB (මුද්‍රිත පරිපථ පුවරුව හෙවත් Printed Circuit Board) එකට සම්බන්ධ කිරීමට යි. අපි හුඟක් දෙනෙක් නොදැනුවත්කම නිසා CPU එක කියලා කියන්නේ මෙන්න මේ PCB කොටසට තමයි. සමහරු ඩෙස්ක්ටොප් පරිගණකවල System Unit එකටත් CPU කියන එකේ ඕක ගණන් ගන්න දෙයක් නෙවෙයි!

මෙම ක්‍රියාවලියට ඉහළ නිරවද්‍යතාවක් අවශ්‍ය වෙනවා. හැබැයි ෆොටෝලිතිකකරණයේ දී තරම් සූක්ෂ්ම නිරවද්‍යතාවක්ම අවශ්‍ය නැහැ. CPU කැටය සිලිකන් පුවරුවක් මතට තියලා විද්‍යුත් සබඳතාවන් ඇති කිරීමට එහි ඇති මව්පුවරුව හා සබැ‍ඳ‍ෙන pin සමග සම්බන්ධ කළ යුතුයි. නූතන CPU වල pins දහස් ගණනින් තිබෙන අතර ඉහළ හැකියාවන් ඇති AMD Threadripper වැනි ඒවායේ pins 4094ක් වැනි ඉහළ අගයන් තිබෙනවා.

CPU වලින් ඉහළ තාපයක් ජනනය කරන නිසා සහ බාහිරින් ආරක්ෂා විය යුතු නිසා සංකලිත තාප පතුරනයක් (Integrated Heat Spreader) එහි ඉහළට සබඳනවා. හුදෙක් තාපජ ආලේපනයකින් මෙය සම්පූර්ණ නොවන බව ඇතැමුන් සලකන නිසා ඔවුන් තවත් හොඳ ආලේපනයන් එහි ගල්වා ගන්නවා. අවසානයේ සියල්ලම එකලස් කරමින් මේවා අසුරණ වලට දමමින් සත්‍ය “ඇසිරීම” ආරම්භ කරනවා. අවසානයේ ඒවා හොඳ පෙනුමැතිව, ආරක්ෂිතව වෙළඳසල් වලට පැමිණෙනවා.

ඔබ දැනට පාවිච්චි කරන ප්‍රොසෙසරය මොකක් ද?