W jaki sposób produkowane są podzespoły komputerowe

Kupując podzespoły komputerowe, liczy się dla nas ich specyfikacja, funkcjonalność, trwałość, a dla niektórych także wygląd. Rzadko kiedy zastanawiamy się jednak nad tym, co się dzieje przed ich trafieniem na sklepowe półki (choć w obecnych czasach zdecydowanie częściej są to wirtualne działy internetowych witryn), a więc na przykład nad procesem produkcji - wbrew pozorom jest to bardzo ciekawy etap, który również warto zgłębić.

Postanowiliśmy więc go Wam pokrótce przybliżyć. Mając jednak na uwadze naszych mniej doświadczonych czytelników, nie będziemy zanudzać długimi, skomplikowanymi i niezrozumiałymi opisami. Postawiliśmy na proste i jednocześnie interesujące prezentacje wideo z fabryk większych producentów. Oczywiście z biegiem czasu oraz w przypadku innych firm proces ten nierzadko może wyglądać trochę inaczej, lecz ogólne zasady prawie zawsze pozostają lub pozostaną takie same.

Pomimo faktu, iż większość zakładów produkcyjnych części komputerowych jest usytuowana na dalekim wschodzie (głównie ze względu na niższe koszta wytworzenia), to nadal stosunkowo wiele fabryk znajduje się na terenie Ameryki lub Europy i bardzo często ich wyroby cieszą się większym uznaniem. Niektórzy producenci nawet wręcz się tym chwalą i traktują jako dodatkową przewagę nad konkurencją - oczywiście nie zawsze tak jest, bowiem wiele zależy tutaj od technologii produkcji.

Często również pewne wskazania odnośnie produkcji są narzucane "z góry", gdyż - przynajmniej w teorii - mają służyć np. ochronie środowiska lub poprawie warunków życia. Przykładem tutaj może być dyrektywa RoHS (Restriction of Hazardous Substances) Unii Europejskiej, która zmniejszyła ilość używanych substancji niebezpiecznych w większości urządzeń elektronicznych (także podzespołów komputerowych) przeznaczonych na rynek UE – pośród nich znalazł się również ołów, a więc jeden ze składników jeszcze niedawno używanych stopów lutowniczych. W większości przypadków zostały one zastąpione przez stopy bezołowiowe, w skutek czego produkowane części charakteryzują się mniejszą trwałością i częściej ulegają awarii.

Skończmy jednak te rozważania i przejdźmy do tego, co tygryski lubią najbardziej - procesu produkcji podzespołów komputerowych ;)

Produkcja procesorów, a więc układów scalonych, odbywa się w rozsianych po całym świecie fabrykach (tzw. fabach) - koncern Intel robi to we własnych zakładach, natomiast AMD tylko je projektuje i zleca wykonanie zewnętrznej firmie GlobalFoundries. Przy okazji warto również wspomnieć, iż kluczowe procesy odbywają się w filtrowanych pomieszczeniach, gdzie powietrze jest nawet kilka tysięcy razy czystsze niż te na sali operacyjnej.

Wszystko zaczyna się od krzemu, który poddawany jest procesowi monokrystalizacji (tworzeniu jednorodnego kryształu), a następnie cięty na okrągłe wafle krzemowe – aktualnie najczęściej mają one średnicę 300 mm. Na jego powierzchni tworzone są miliardy tranzystorów, z których w dosyć skomplikowanym procesie (m.in. naświetlania i litografii) powstają setki procesorów.

Procesor wycięty z wafla krzemowego

Oczywiście im mniejsza technologia wykonania danego tranzystora (liczona już w kilkunastu – kilkudziesięciu nanometrach) i im większy wafel krzemowy, tym za jednym razem można wykonać więcej układów. Nie jest to jednak takie proste, bowiem niższy proces technologiczny rodzi więcej problemów i wymaga odpowiedniego przystosowania fabryk. Podobnie jest z większymi waflami.

Właściwy procesor (desktopowy) zostaje zabezpieczony odpromiennikiem ciepła

Pozostaje jeszcze tylko powycinać układy z wafla krzemowego i zainstalować je na płytce drukowanej z odpowiednimi wyprowadzeniami, natomiast w przypadku wersji dla komputerów stacjonarnych, także zamontować metalowy odpromiennik ciepła. Cały proces produkcji jest stale kontrolowany, a jego produkty poddawane drobiazgowej kontroli jakości.

Powyżej możecie zobaczyć animację przedstawiającą poszczególne etapy wytwarzania 22-nanometrowych procesorów Intel Ivy Bridge z trój-bramkowymi tranzystorami 3D (Tri-Gate), natomiast poniżej już rzeczywistą produkcję układów AMD w jednej z fabryk koncernu GlobalFoundries.

Ogromna hala produkcyjna płyt głównych firmy Fujitsu w Augsburgu

Produkcja płyt głównych jest już zdecydowanie prostsza, bowiem składają się one nie tylko z kontrolerów i chipsetów (a więc mniej skomplikowanych układów scalonych), ale również elementów elektronicznych oraz różnego rodzaju złącz, przycisków i elementów mechanicznych. Często znane nam firmy zajmują się tylko projektowaniem danych modeli, a za ich produkcję odpowiedzialne są inne, wyspecjalizowane w tym fachu fabryki – zazwyczaj z elementów dostarczanych przez jeszcze inne firmy.

Proces ten zaczyna się od stworzenia wielowarstwowej płytki drukowanej, na którą nakładana jest pasta lutownicza oraz setki miniaturowych elementów elektronicznych typu SMD (Surface Mounted Devices) przeznaczonych do montażu powierzchniowego. Całość następnie jest wygrzewana, aby umieszczone elementy „przykleiły się” do laminatu.

Na laminacie płyty głównej znajduje się cała masa mniejszych i większych elementów elektronicznych oraz złącz

Kolejnym etapem jest montaż elementów przewlekanych („przechodzących” przez otwory w płytce drukowanej) oraz różnego rodzaju złącz, gniazd i części mechanicznych – na ogół odbywa się on manualnie na bardzo długich liniach produkcyjnych. Płyta główna ponownie przechodzi przez proces lutowania.

Pozostaje jeszcze tylko sprawdzić poprawność instalacji elementów, przeprowadzić testy jakości oraz przygotować płytę główną do sprzedaży.

Podobnie wygląda sytuacja z kartami graficznymi, a główne różnice sprowadzają się do zastosowanych elementów. Najważniejszym z nich jest układ graficzny (GPU), który powstaje w podobny sposób co procesory – często jednak jego budowa jest jeszcze bardziej skomplikowana. Zarówno w przypadku modeli AMD (rodziny Radeon i FirePro), jak i Nvidia (rodziny GeForce, Quadro i Tesla), aktualnie ich wytwarzaniem zajmuje się tym zewnętrzna firma TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company).

Bardzo ważną częścią akceleratora graficznego jest również chłodzenie – najczęściej jest ono jednak dostarczane przez zewnętrzne firmy. Nieco dalej poznamy proces produkcji bloków wodnych, które przystosowują kartę do systemów chłodzenia cieczą.

Na niewielkiej, podłużnej płytce drukowanej modułu DDR3 umieszczono nie tylko kości pamięci, ale również miniaturowe elementy SMD

Pamięć RAM (Random Access Memory – pamięć o dostępie swobodnym) również zalicza się do układów scalonych – w tym przypadku została ona jednak zamknięta w niewielkiej, czarnej obudowie z tworzywa sztucznego. Warto również wspomnieć, iż sporo producentów modułów pamięci korzysta z kości wyprodukowanych przez inne firmy – przykładem tutaj może być nasz rodzimy Wilk Elektronik (właściciel marki GOODRAM), który de facto tylko składa moduły pamięci.

Jak wygląda proces składania modułów pamięci? Podobnie jak w przypadku płyt głównych i kart graficznych, podstawą jest tutaj płytka drukowana, na której instaluje się elementy elektroniczne SMD oraz wcześniej wspomniane kości pamięci. Nierzadko producenci stosują także metalowe radiatory, mające za zadanie wspomagać odprowadzanie ciepła.

Na sam koniec trzeba jeszcze przeprowadzić kontrolę jakości gotowych modułów.

Choć pendrive’y i karty pamięci jako tako nie zaliczają się do podzespołów komputerowych, to ich proces produkcji również należy do całkiem interesujących - z zasadzie przypomina ten z pamięci RAM.

Kości NAND (na ogół dostarczane przez zewnętrzne firmy) są jednak umieszczane wraz z innymi elementami elektronicznymi bezpośrednio w plastikowej obudowie (mniejsze karty pamięci) lub też na niewielkiej płytce drukowanej i dopiero w plastikowej obudowie (większe karty pamięci i pendrive’y).

Powyżej możecie zobaczyć produkcję pendrive’ów firmy Wilk Elektronik z serii GOODDRIVE, natomiast poniżej kart pamięci oraz pendrive’ów firmy Lexar (należącej do koncernu Micron).

Dyski HDD (Hard Disk Drive) głównie składają się z metalowych talerzy pokrytych nośnikiem magnetycznym oraz umieszczonych na ruchomych ramionach głowic elektromagnetycznych, które pozwalają zapisywać i odczytywać na nich dane. Im większe upakowanie domen magnetycznych i im więcej wyposażonych w nie talerzy, tym więcej danych dany dysk twardy może pomieścić, a jego budowa jest bardziej skomplikowana.

Wewnątrz znajduje się również silnik poruszający ramieniem oraz elektronika odpowiedzialna za komunikację poszczególnych elementów (w tym także pamięć flash pełniąca rolę bufora danych).

Podobnie jak w przypadku wafli krzemowych, produkcja dysków twardych odbywa się w bardzo czystych pomieszczeniach, a ich obudowa jest zabezpieczona przed wpływem zanieczyszczeń. Pomimo faktu, iż producenci stosują różne rozwiązania chroniące przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. parkowanie głowic poza obszarem talerzy), to nadal są to tylko rozwiązania wspomagające i dyski HDD chyba na zawsze pozostaną jednymi z najbardziej wrażliwych podzespołów komputerowych.

Produkcja półprzewodnikowych nośników SSD (Solid State Drive) rozpoczyna się od stworzenia wafli krzemowych z komórkami pamięci, powycinania kości pamięci NAND oraz umieszczenia każdego chipu w czarnej obudowie ochronnej. Podobnie wygląda sprawa z kontrolerem, a więc swego rodzaju procesorem odpowiadającym za poprawną pracę dysku. Obydwa te elementy mogą być produkowane na miejscu lub dostarczane przez firmę zewnętrzną.

Kości pamięci, kontroler oraz inne elementy elektroniczne następnie są lutowana na płytce drukowanej oraz poddawana kontroli jakości. Miniaturowe nośniki mSATA lub M.2 są już w zasadzie gotowe, natomiast tradycyjne modele trzeba jeszcze zamontować w 2,5-calowej obudowie.

Cały proces możecie zobaczyć na dwóch poniższych filmikach – pierwszy z nich pochodzi z fabryki Microna (produkującej modele marki Crucial), a drugi od firmy OCZ.

Żaden komputer nie zadziała bez energii elektrycznej – potrzebny jest więc zasilacz. Jego produkcja przypomina tą z płyt głównych i kart graficznych. W tym przypadku jednak płytka drukowana jest mniejsza, a elementy elektroniczne (głównie przewlekane) zdecydowanie większe. Ponadto potrzebne są również przewody, które będą pełnić rolę wiązek zakończonych wtyczkami zasilającymi.

Do chłodzenia elementów elektronicznych stosuje się radiatory i wentylator/wentylatory (w przypadku modeli pasywnych jedynie radiatory – tyle, że znacznie większe), natomiast całość zostaje zamknięta w metalowej obudowie z wyprowadzonym gniazdem zasilającym, włącznikiem oraz ewentualnymi gniazdami do wpięcia modularnego okablowania.

Proces produkcji paneli sterujących wygląda podobnie. Na laminacie montuje się mniejsze elementy elektroniczne typu SMD i sprawdza ich jakość połączeń, a następnie lutuje się większe części przewlekane.

Kolejno, poszczególne części składane są w jedną całość i montowane w obudowie typu 3,5 lub 5,25 cala – w zależności od producenta, odbywa się to automatycznie lub manualnie.

Poniżej możecie zobaczyć proces produkcji wielofunkcyjnego panelu sterowania aquacomputer Aquaero 3.07.

Przykład bloku wodnego typu Full Cover - jego podstawa została wykonana z miedzi, natomiast top z pleksi

Choć produkcja bloków wodnych nie jest zbyt skomplikowana, to z pewnością zalicza się do całkiem interesujących i może wywołać spore zainteresowanie – wszystko za sprawą efektownej pracy obrabiarek CNC, na które niektórzy (w tym także ja) mogą patrzeć godzinami :D

Pierwszym etapem jest jego zaprojektowanie w programie graficznym 3D (często pod kątem określonej podstawki pod procesor, karty graficznej lub płyty głównej) oraz przesłanie gotowego projektu do obrabiarki CNC (Computerized Numerical Control), która automatycznie wycina z bryły aluminium lub miedzi pożądany kształt – w tym przypadku np. podstawy bloku wodnego.

Następnie ze stalowej blachy wycinany jest top bloku wodnego – najczęściej z pomocą przychodzi tutaj wycinarka laserowa bądź plazmowa, która również umieszcza oznaczenie bloku i logo producenta.

Na koniec obydwa elementy są łączone (często ręcznie), dodawane są złączki i elementy montażowe, a całość jest sprawdzana pod kątem szczelności.

2-częściowy kontener na ciekły azot - jego podstawa została wykonana z miedzi, natomiast nasada z aluminium

Prawie na identycznej zasadzie odbywa się produkcja kontenerów (potów) na ciekły azot lub suchy lód, które wykorzystywane są podczas ekstremalnego podkręcania podzespołów komputerowych.

Całość jest jednak jeszcze prostsza, gdyż na ogół składają się one tylko z jednej lub dwóch brył - w tym przypadku aluminium i/lub miedzi. Oczywiście trzeba jeszcze stworzyć zestawy montażowe, ale i to dla obrabiarki CNC nie jest problemem.