淺談CPU制造過程 - 全文

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，只能夠通過光刻工藝來進(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)雙位的開關(guān)：即開和關(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，開和關(guān)，對(duì)于機(jī)器來說即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程。

制造CPU的基本原料

如果問及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(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。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。

所謂電遷移問題，就是指當(dāng)大量電子流過一段導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體物質(zhì)原子受電子撞擊而離開原有位置，留下空位，空位過多則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體連線斷開，而離開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，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看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。不過現(xiàn)在intel和其它一些公司已經(jīng)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(dāng)?shù)碾y度的，不過只要企業(yè)肯投入大批資金來研究，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始介紹CPU的制造過程。

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(nèi)。無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確保表面絕對(duì)光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問題。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^程的后期，需要將N型材料植入P型襯底當(dāng)中，而這一過程會(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。通過密切監(jiān)測溫度，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，而且在光刻蝕過程結(jié)束之后，能夠通過化學(xué)方法將其溶解并除去。

● 光刻蝕

這是目前的CPU制造過程當(dāng)中工藝非常復(fù)雜的一個(gè)步驟，為什么這么說呢?光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應(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)于所用光的波長要求極為嚴(yán)格，需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡?？涛g過程還會(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)的過程。

設(shè)計(jì)每一步過程的所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB的單位來計(jì)量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過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，然后撤掉光線和模板。通過化學(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。

監(jiān)測自動(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)還要被短波長光線透過掩?？涛g。再經(jīng)過一部刻蝕，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)摻雜過程創(chuàng)建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒個(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。

封裝測試過程

接下來的幾個(gè)星期就需要對(duì)晶圓進(jìn)行一關(guān)接一關(guān)的測試，包括檢測晶圓的電學(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)問題的芯片單元將被單獨(dú)測試來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。在最初測試中，那些檢測不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來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。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。

在CPU的包裝過程完成之后，許多產(chǎn)品還要再進(jìn)行一次測試來確保先前的制作過程無一疏漏，且產(chǎn)品完全遵照規(guī)格所述，沒有偏差。