CPU誕生記｜CPU製造全過程詳解

CPU(Centralprocessingunit)是現代計算機的核心部件，又稱為「微處理器」。對於PC而言，CPU的規格與頻率常常被用來作為衡量一台電腦性能強弱重要指標。Intelx86架構已經經歷了二十多個年頭，而x86架構的CPU對我們大多數人的工作、生活影響頗為深遠。

CPU 它是計算機的核心部件，計算機進行信息處理可分為兩個步驟：

將數據和程序(即指令序列)輸入到計算機的存儲器中。從第一條指令的地址起開始執行該程序，得到所需結果，結束運行。CPU的作用是協調並控制計算機的各個部件執行程序的指令序列，使其有條不紊地進行。因此它必須具有以下基本功能：

a)取指令：當程序已在存儲器中時，首先根據程序入口地址取出一條程序，為此要發出指令地址及控制信號。

b)分析指令：即指令解碼。是對當前取得的指令進行分析，指出它要求什麼操作，併產生相應的操作控制命令。

c)執行指令：根據分析指令時產生的「操作命令」形成相應的操作控制信號序列，通過運算器，存儲器及輸入/輸出設備的執行，實現每條指令的功能，其中包括對運算結果的處理以及下條指令地址的形成。

將其功能進一步細化，可概括如下：

能對指令進行解碼並執行規定的動作;

可以進行算術和邏輯運算;

能與存儲器，外設交換數據;

提供整個系統所需要的控制;

儘管各種CPU的性能指標和結構細節各不相同，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內部結構至少應包含下面這些部件：算術邏輯運算部件(ALU)、累加器、程序計數器、指令寄存器、解碼器、時序和控制部件。

許多對電腦知識略知一二的朋友大多會知道CPU裡面最重要的東西就是晶體管了，提高CPU的速度，最重要的一點說白了就是如何在相同的CPU面積裡面放進去更加多的晶體管，由於CPU實在太小，太精密，裡面組成了數目相當多的晶體管，所以人手是絕對不可能完成的，只能夠通過光刻工藝來進行加工的。

這就是為什麼一塊CPU裡面為什麼可以數量如此之多的晶體管。晶體管其實就是一個雙位的開關：即開和關。如果您回憶起基本計算的時代，那就是一台計算機需要進行工作的全部。兩種選擇，開和關，對於機器來說即0和1。那麼您將如何製作一個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功能強大的集成電路晶元的全過程。

製造CPU的基本原料

如果問及CPU的原料是什麼，大家都會輕而易舉的給出答案—是硅。這是不假，但硅又來自哪裡呢?其實就是那些最不起眼的沙子。難以想像吧，價格昂貴，結構複雜，功能強大，充滿著神秘感的CPU竟然來自那根本一文不值的沙子。當然這中間必然要經歷一個複雜的製造過程才行。不過不是隨便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑細選，從中提取出最最純凈的硅原料才行。試想一下，如果用那最最廉價而又儲量充足的原料做成CPU，那麼成品的質量會怎樣，你還能用上像現在這樣高性能的處理器嗎?

英特爾技術人員在半導體生產工廠內使用自動化測量工具，依據嚴格的質量標準對晶圓的製造進度進行監測。除去硅之外，製造CPU還需要一種重要的材料就是金屬。目前為止，鋁已經成為製作處理器內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於銅。

所謂電遷移問題，就是指當大量電子流過一段導體時，導體物質原子受電子撞擊而離開原有位置，留下空位，空位過多則會導致導體連線斷開，而離開原位的原子停留在其它位置，會造成其它地方的短路從而影響晶元的邏輯功能，進而導致晶元無法使用。這就是許多Northwood PenTIum 4換上SNDS(北木暴畢綜合症)的原因，當發燒友們第一次給Northwood PenTIum 4超頻就急於求成，大幅提高晶元電壓時，嚴重的電遷移問題導致了CPU的癱瘓。這就是intel首次嘗試銅互連技術的經歷，它顯然需要一些改進。不過另一方面講，應用銅互連技術可以減小晶元面積，同時由於銅導體的電阻更低，其上電流通過的速度也更快。

除了這兩樣主要的材料之外，在晶元的設計過程中還需要一些種類的化學原料，它們起著不同的作用，這裡不再贅述。

CPU製造的準備階段

在必備原材料的採集工作完畢之後，這些原材料中的一部分需要進行一些預處理工作。而作為最主要的原料，硅的處理工作至關重要。首先，硅原料要進行化學提純，這一步驟使其達到可供半導體工業使用的原料級別。而為了使這些硅原料能夠滿足集成電路製造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過溶化硅原料，然後將液態硅注入大型高溫石英容器而完成的。

晶圓上的方塊稱為「晶元(die)」，每個微處理器都會成為個人計算機系統的「大腦」。

而後，將原料進行高溫溶化。中學化學課上我們學到過，許多固體內部原子是晶體結構，硅也是如此。為了達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。然後從高溫容器中採用旋轉拉伸的方式將硅原料取出，此時一個圓柱體的硅錠就產生了。

從目前所使用的工藝來看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。不過現在intel和其它一些公司已經開始使用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的難度的，不過只要企業肯投入大批資金來研究，還是可以實現的。intel為研製和生產300毫米硅錠而建立的工廠耗費了大約35億美元，新技術的成功使得intel可以製造複雜程度更高，功能更強大的集成電路晶元。而200毫米硅錠的工廠也耗費了15億美元。下面就從硅錠的切片開始介紹CPU的製造過程。

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。無塵車間中的全部空氣每分鐘都會多次更換。

在製成硅錠並確保其是一個絕對的圓柱體之後，下一個步驟就是將這個圓柱體硅錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產的處理器晶元就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑，之後檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質量檢驗尤為重要，它直接決定了成品CPU的質量。

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

其中互補一詞表示半導體中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極和正極。多數情況下，切片被摻入化學物質而形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設計，這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節能。同時在多數情況下，必須盡量限制pMOS型晶體管的出現，因為在製造過程的後期，需要將N型材料植入P型襯底當中，而這一過程會導致pMOS管的形成。

在摻入化學物質的工作完成之後，標準的切片就完成了。然後將每一個切片放入高溫爐中加熱，通過控制加溫時間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過密切監測溫度，空氣成分和加溫時間，該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米製造工藝中，門氧化物的寬度小到了驚人的5個原子厚度。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，通過對門電壓的控制，電子的流動被嚴格控制，而不論輸入輸出埠電壓的大小。

準備工作的最後一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個感光層。這一層物質用於同一層中的其它控制應用。這層物質在乾燥時具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過程結束之後，能夠通過化學方法將其溶解併除去。

● 光刻蝕

這是目前的CPU製造過程當中工藝非常複雜的一個步驟，為什麼這麼說呢?光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕， 由此改變該處材料的化學特性。這項技術對於所用光的波長要求極為嚴格，需要使用短波長的紫外線和大麴率的透鏡。刻蝕過程還會受到晶圓上的污點的影響。每一步刻蝕都是一個複雜而精細的過程。

設計每一步過程的所需要的數據量都可以用10GB的單位來計量，而且製造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步(每一步進行一層刻蝕)。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個紐約市外加郊區範圍的地圖相比，甚至還要複雜，試想一下，把整個紐約地圖縮小到實際面積大小只有100個平方毫米的晶元上，那麼這個晶元的結構有多麼複雜，可想而知了吧。

當這些刻蝕工作全部完成之後，晶圓被翻轉過來。短波長光線透過石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然後撤掉光線和模板。通過化學方法除去暴露在外邊的感光層物質，而二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。

英特爾技術人員在監測自動濕刻蝕工具

中的晶圓，該工藝可清除晶圓上多餘的操作助劑或者污染物。

● 摻雜

在殘留的感光層物質被去除之後，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來的在該層下方的硅層。這一步之後，另一個二氧化硅層製作完成。然後，加入另一個帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門電路的另一種類型。由於此處使用到了金屬原料(因此稱作金屬氧化物半導體)，多晶硅允許在晶體管隊列埠電壓起作用之前建立門電路。

感光層同時還要被短波長光線透過掩模刻蝕。再經過一部刻蝕，所需的全部門電路就已經基本成型了。然後，要對暴露在外的硅層通過化學方式進行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒個晶體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作埠。

● 重複這一過程

從這一步起，你將持續添加層級，加入一個二氧化硅層，然後光刻一次。重複這些步驟，然後就出現了一個多層立體架構，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態了。在每層之間採用金屬塗膜的技術進行層間的導電連接。今天的P4處理器採用了7層金屬連接，而Athlon64使用了9層，所使用的層數取決於最初的版圖設計，並不直接代表著最終產品的性能差異。

● 封裝測試過程

接下來的幾個星期就需要對晶圓進行一關接一關的測試，包括檢測晶圓的電學特性，看是否有邏輯錯誤，如果有，是在哪一層出現的等等。而後，晶圓上每一個出現問題的晶元單元將被單獨測試來確定該晶元有否特殊加工需要。

而後，整片的晶圓被切割成一個個獨立的處理器晶元單元。在最初測試中，那些檢測不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來的晶元單元將被採用某種方式進行封裝，這樣它就可以順利的插入某種介面規格的主板了。大多數intel和AMD的處理器都會被覆蓋一個散熱層。

在處理器成品完成之後，還要進行全方位的晶元功能檢測。這一部會產生不同等級的產品，一些晶元的運行頻率相對較高，於是打上高頻率產品的名稱和編號，而那些運行頻率相對較低的晶元則加以改造，打上其它的低頻率型號。這就是不同市場定位的處理器。而還有一些處理器可能在晶元功能上有一些不足之處。比如它在緩存功能上有缺陷(這種缺陷足以導致絕大多數的CPU癱瘓)，那麼它們就會被屏蔽掉一些緩存容量，降低了性能，當然也就降低了產品的售價，這就是Celeron和Sempron的由來。

在CPU的包裝過程完成之後，許多產品還要再進行一次測試來確保先前的製作過程無一疏漏，且產品完全遵照規格所述，沒有偏差。

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