CPU誕生記 | CPU制造全過(guò)程詳解

　　CPU(Centralprocessingunit)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的核心部件，又稱為“微處理器”。對(duì)于PC而言，CPU的規(guī)格與頻率常常被用來(lái)作為衡量一臺(tái)電腦性能強(qiáng)弱重要指標(biāo)。Intelx86架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了二十多個(gè)年頭，而x86架構(gòu)的CPU對(duì)我們大多數(shù)人的工作、生活影響頗為深遠(yuǎn)。

　　CPU 它是計(jì)算機(jī)的核心部件，計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理可分為兩個(gè)步驟：

　　將數(shù)據(jù)和程序(即指令序列)輸入到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。從第一條指令的地址起開(kāi)始執(zhí)行該程序，得到所需結(jié)果，結(jié)束運(yùn)行。CPU的作用是協(xié)調(diào)并控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件執(zhí)行程序的指令序列，使其有條不紊地進(jìn)行。因此它必須具有以下基本功能：

　　a)取指令：當(dāng)程序已在存儲(chǔ)器中時(shí)，首先根據(jù)程序入口地址取出一條程序，為此要發(fā)出指令地址及控制信號(hào)。

　　b)分析指令：即指令譯碼。是對(duì)當(dāng)前取得的指令進(jìn)行分析，指出它要求什么操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制命令。

　　c)執(zhí)行指令：根據(jù)分析指令時(shí)產(chǎn)生的“操作命令”形成相應(yīng)的操作控制信號(hào)序列，通過(guò)運(yùn)算器，存儲(chǔ)器及輸入/輸出設(shè)備的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)每條指令的功能，其中包括對(duì)運(yùn)算結(jié)果的處理以及下條指令地址的形成。

　　將其功能進(jìn)一步細(xì)化，可概括如下：

　　能對(duì)指令進(jìn)行譯碼并執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作;

　　可以進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算;

　　能與存儲(chǔ)器，外設(shè)交換數(shù)據(jù);

　　提供整個(gè)系統(tǒng)所需要的控制;

　　盡管各種CPU的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)各不相同，但它們所能完成的基本功能相同。由功能分析，可知任何一種CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)至少應(yīng)包含下面這些部件：算術(shù)邏輯運(yùn)算部件(ALU)、累加器、程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、譯碼器、時(shí)序和控制部件。

　　許多對(duì)電腦知識(shí)略知一二的朋友大多會(huì)知道CPU里面最重要的東西就是晶體管了，提高CPU的速度，最重要的一點(diǎn)說(shuō)白了就是如何在相同的CPU面積里面放進(jìn)去更加多的晶體管，由于CPU實(shí)在太小，太精密，里面組成了數(shù)目相當(dāng)多的晶體管，所以人手是絕對(duì)不可能完成的，只能夠通過(guò)光刻工藝來(lái)進(jìn)行加工的。

　　這就是為什么一塊CPU里面為什么可以數(shù)量如此之多的晶體管。晶體管其實(shí)就是一個(gè)雙位的開(kāi)關(guān)：即開(kāi)和關(guān)。如果您回憶起基本計(jì)算的時(shí)代，那就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行工作的全部。兩種選擇，開(kāi)和關(guān)，對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)即0和1。那么您將如何制作一個(gè)CPU呢?在今天的文章中，我們將一步一步的為您講述中央處理器從一堆沙子到一個(gè)功能強(qiáng)大的集成電路芯片的全過(guò)程。

　　制造CPU的基本原料

　　如果問(wèn)及CPU的原料是什么，大家都會(huì)輕而易舉的給出答案—是硅。這是不假，但硅又來(lái)自哪里呢?其實(shí)就是那些最不起眼的沙子。難以想象吧，價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，充滿著神秘感的CPU竟然來(lái)自那根本一文不值的沙子。當(dāng)然這中間必然要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的制造過(guò)程才行。不過(guò)不是隨便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑細(xì)選，從中提取出最最純凈的硅原料才行。試想一下，如果用那最最廉價(jià)而又儲(chǔ)量充足的原料做成CPU，那么成品的質(zhì)量會(huì)怎樣，你還能用上像現(xiàn)在這樣高性能的處理器嗎?

　　英特爾技術(shù)人員在半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠內(nèi)使用自動(dòng)化測(cè)量工具，依據(jù)嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)晶圓的制造進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。除去硅之外，制造CPU還需要一種重要的材料就是金屬。目前為止，鋁已經(jīng)成為制作處理器內(nèi)部配件的主要金屬材料，而銅則逐漸被淘汰，這是有一些原因的，在目前的CPU工作電壓下，鋁的電遷移特性要明顯好于銅。

　　所謂電遷移問(wèn)題，就是指當(dāng)大量電子流過(guò)一段導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體物質(zhì)原子受電子撞擊而離開(kāi)原有位置，留下空位，空位過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體連線斷開(kāi)，而離開(kāi)原位的原子停留在其它位置，會(huì)造成其它地方的短路從而影響芯片的邏輯功能，進(jìn)而導(dǎo)致芯片無(wú)法使用。這就是許多Northwood PenTIum 4換上SNDS(北木暴畢綜合癥)的原因，當(dāng)發(fā)燒友們第一次給Northwood PenTIum 4超頻就急于求成，大幅提高芯片電壓時(shí)，嚴(yán)重的電遷移問(wèn)題導(dǎo)致了CPU的癱瘓。這就是intel首次嘗試銅互連技術(shù)的經(jīng)歷，它顯然需要一些改進(jìn)。不過(guò)另一方面講，應(yīng)用銅互連技術(shù)可以減小芯片面積，同時(shí)由于銅導(dǎo)體的電阻更低，其上電流通過(guò)的速度也更快。

　　除了這兩樣主要的材料之外，在芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要一些種類的化學(xué)原料，它們起著不同的作用，這里不再贅述。

　　CPU制造的準(zhǔn)備階段

　　在必備原材料的采集工作完畢之后，這些原材料中的一部分需要進(jìn)行一些預(yù)處理工作。而作為最主要的原料，硅的處理工作至關(guān)重要。首先，硅原料要進(jìn)行化學(xué)提純，這一步驟使其達(dá)到可供半導(dǎo)體工業(yè)使用的原料級(jí)別。而為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過(guò)溶化硅原料，然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器而完成的。

　　晶圓上的方塊稱為“芯片(die)”，每個(gè)微處理器都會(huì)成為個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“大腦”。

　　而后，將原料進(jìn)行高溫溶化。中學(xué)化學(xué)課上我們學(xué)到過(guò)，許多固體內(nèi)部原子是晶體結(jié)構(gòu)，硅也是如此。為了達(dá)到高性能處理器的要求，整塊硅原料必須高度純凈，及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出，此時(shí)一個(gè)圓柱體的硅錠就產(chǎn)生了。

　　從目前所使用的工藝來(lái)看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。不過(guò)現(xiàn)在intel和其它一些公司已經(jīng)開(kāi)始使用300毫米直徑的硅錠了。在保留硅錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當(dāng)?shù)碾y度的，不過(guò)只要企業(yè)肯投入大批資金來(lái)研究，還是可以實(shí)現(xiàn)的。intel為研制和生產(chǎn)300毫米硅錠而建立的工廠耗費(fèi)了大約35億美元，新技術(shù)的成功使得intel可以制造復(fù)雜程度更高，功能更強(qiáng)大的集成電路芯片。而200毫米硅錠的工廠也耗費(fèi)了15億美元。下面就從硅錠的切片開(kāi)始介紹CPU的制造過(guò)程。

　　清潔的空氣源源不斷地從天花板和地板中的空隙中流入室內(nèi)。無(wú)塵車間中的全部空氣每分鐘都會(huì)多次更換。

　　在制成硅錠并確保其是一個(gè)絕對(duì)的圓柱體之后，下一個(gè)步驟就是將這個(gè)圓柱體硅錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來(lái)確保表面絕對(duì)光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問(wèn)題。這一步的質(zhì)量檢驗(yàn)尤為重要，它直接決定了成品CPU的質(zhì)量。

　　新的切片中要摻入一些物質(zhì)而使之成為真正的半導(dǎo)體材料，而后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。摻入的物質(zhì)原子進(jìn)入硅原子之間的空隙，彼此之間發(fā)生原子力的作用，從而使得硅原料具有半導(dǎo)體的特性。今天的半導(dǎo)體制造多選擇CMOS工藝(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)。

　　其中互補(bǔ)一詞表示半導(dǎo)體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。而N和P在電子工藝中分別代表負(fù)極和正極。多數(shù)情況下，切片被摻入化學(xué)物質(zhì)而形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來(lái)設(shè)計(jì)，這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節(jié)能。同時(shí)在多數(shù)情況下，必須盡量限制pMOS型晶體管的出現(xiàn)，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程的后期，需要將N型材料植入P型襯底當(dāng)中，而這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致pMOS管的形成。

　　在摻入化學(xué)物質(zhì)的工作完成之后，標(biāo)準(zhǔn)的切片就完成了。然后將每一個(gè)切片放入高溫爐中加熱，通過(guò)控制加溫時(shí)間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過(guò)密切監(jiān)測(cè)溫度，空氣成分和加溫時(shí)間，該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中，門氧化物的寬度小到了驚人的5個(gè)原子厚度。這一層門電路也是晶體管門電路的一部分，晶體管門電路的作用是控制其間電子的流動(dòng)，通過(guò)對(duì)門電壓的控制，電子的流動(dòng)被嚴(yán)格控制，而不論輸入輸出端口電壓的大小。

　　準(zhǔn)備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個(gè)感光層。這一層物質(zhì)用于同一層中的其它控制應(yīng)用。這層物質(zhì)在干燥時(shí)具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過(guò)程結(jié)束之后，能夠通過(guò)化學(xué)方法將其溶解并除去。

　　● 光刻蝕

　　這是目前的CPU制造過(guò)程當(dāng)中工藝非常復(fù)雜的一個(gè)步驟，為什么這么說(shuō)呢?光刻蝕過(guò)程就是使用一定波長(zhǎng)的光在感光層中刻出相應(yīng)的刻痕， 由此改變?cè)撎幉牧系幕瘜W(xué)特性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于所用光的波長(zhǎng)要求極為嚴(yán)格，需要使用短波長(zhǎng)的紫外線和大曲率的透鏡?？涛g過(guò)程還會(huì)受到晶圓上的污點(diǎn)的影響。每一步刻蝕都是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過(guò)程。

　　設(shè)計(jì)每一步過(guò)程的所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB的單位來(lái)計(jì)量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過(guò)20步(每一步進(jìn)行一層刻蝕)。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個(gè)紐約市外加郊區(qū)范圍的地圖相比，甚至還要復(fù)雜，試想一下，把整個(gè)紐約地圖縮小到實(shí)際面積大小只有100個(gè)平方毫米的芯片上，那么這個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)有多么復(fù)雜，可想而知了吧。

　　當(dāng)這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓被翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。短波長(zhǎng)光線透過(guò)石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然后撤掉光線和模板。通過(guò)化學(xué)方法除去暴露在外邊的感光層物質(zhì)，而二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。

　　英特爾技術(shù)人員在監(jiān)測(cè)自動(dòng)濕刻蝕工具

　　中的晶圓，該工藝可清除晶圓上多余的操作助劑或者污染物。

　　● 摻雜

　　在殘留的感光層物質(zhì)被去除之后，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來(lái)的在該層下方的硅層。這一步之后，另一個(gè)二氧化硅層制作完成。然后，加入另一個(gè)帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門電路的另一種類型。由于此處使用到了金屬原料(因此稱作金屬氧化物半導(dǎo)體)，多晶硅允許在晶體管隊(duì)列端口電壓起作用之前建立門電路。

　　感光層同時(shí)還要被短波長(zhǎng)光線透過(guò)掩?？涛g。再經(jīng)過(guò)一部刻蝕，所需的全部門電路就已經(jīng)基本成型了。然后，要對(duì)暴露在外的硅層通過(guò)化學(xué)方式進(jìn)行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個(gè)摻雜過(guò)程創(chuàng)建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒(méi)個(gè)晶體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作端口。

　　● 重復(fù)這一過(guò)程

　　從這一步起，你將持續(xù)添加層級(jí)，加入一個(gè)二氧化硅層，然后光刻一次。重復(fù)這些步驟，然后就出現(xiàn)了一個(gè)多層立體架構(gòu)，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態(tài)了。在每層之間采用金屬涂膜的技術(shù)進(jìn)行層間的導(dǎo)電連接。今天的P4處理器采用了7層金屬連接，而Athlon64使用了9層，所使用的層數(shù)取決于最初的版圖設(shè)計(jì)，并不直接代表著最終產(chǎn)品的性能差異。

　　● 封裝測(cè)試過(guò)程

　　接下來(lái)的幾個(gè)星期就需要對(duì)晶圓進(jìn)行一關(guān)接一關(guān)的測(cè)試，包括檢測(cè)晶圓的電學(xué)特性，看是否有邏輯錯(cuò)誤，如果有，是在哪一層出現(xiàn)的等等。而后，晶圓上每一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題的芯片單元將被單獨(dú)測(cè)試來(lái)確定該芯片有否特殊加工需要。

　　而后，整片的晶圓被切割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的處理器芯片單元。在最初測(cè)試中，那些檢測(cè)不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來(lái)的芯片單元將被采用某種方式進(jìn)行封裝，這樣它就可以順利的插入某種接口規(guī)格的主板了。大多數(shù)intel和AMD的處理器都會(huì)被覆蓋一個(gè)散熱層。

　　在處理器成品完成之后，還要進(jìn)行全方位的芯片功能檢測(cè)。這一部會(huì)產(chǎn)生不同等級(jí)的產(chǎn)品，一些芯片的運(yùn)行頻率相對(duì)較高，于是打上高頻率產(chǎn)品的名稱和編號(hào)，而那些運(yùn)行頻率相對(duì)較低的芯片則加以改造，打上其它的低頻率型號(hào)。這就是不同市場(chǎng)定位的處理器。而還有一些處理器可能在芯片功能上有一些不足之處。比如它在緩存功能上有缺陷(這種缺陷足以導(dǎo)致絕大多數(shù)的CPU癱瘓)，那么它們就會(huì)被屏蔽掉一些緩存容量，降低了性能，當(dāng)然也就降低了產(chǎn)品的售價(jià)，這就是Celeron和Sempron的由來(lái)。

　　在CPU的包裝過(guò)程完成之后，許多產(chǎn)品還要再進(jìn)行一次測(cè)試來(lái)確保先前的制作過(guò)程無(wú)一疏漏，且產(chǎn)品完全遵照規(guī)格所述，沒(méi)有偏差。