CPU生產(chǎn)工藝圖解

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CPU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)。

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(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——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？

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(wú)法使用。

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。

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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(lái)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(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。

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^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(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(shuō)呢？光刻蝕過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(lái)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(lái)。短波長(zhǎng)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。

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)光線透過掩模刻蝕。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。

測(cè)試 封裝測(cè)試過程

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)。

當(dāng)CPU被放進(jìn)包裝盒之前，一般還要進(jìn)行最后一次測(cè)試，以確保之前的工作準(zhǔn)確無(wú)誤。根據(jù)前面確定的最高運(yùn)行頻率不同，它們被放進(jìn)不同的包裝，銷往世界各地。

讀完這些，相信你已經(jīng)對(duì)CPU的制造流程有了一些比較深入的認(rèn)識(shí)。CPU的制造，可以說(shuō)是集多方面尖端科學(xué)技術(shù)之大成，CPU本身也就那么點(diǎn) 大，如果 把里面的材料分開拿出來(lái)賣，恐怕賣不了幾個(gè)錢。然而CPU的制造成本是非常驚人的，從這里或許我們可以理解，為什么這東西賣這么貴了。

在測(cè)試這個(gè)環(huán)節(jié)很重要，比如你的處理器是6300還是6400就會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)被劃分，而 6300天生并不是6300，而是在測(cè)試之后，發(fā)現(xiàn)處理器不能穩(wěn)定的在6400標(biāo)準(zhǔn)下工作，只能在6300標(biāo)準(zhǔn)下穩(wěn)定工作，于是對(duì)處理器定義，鎖頻，定義 ID，封裝，印上6300。

我們用AMD的來(lái)舉例：同樣核心的處理器都是一個(gè)生產(chǎn)線下來(lái)的，如果穩(wěn)定工作在2.8GHz，1M*2的緩 存下，就被定義為5600+，如果緩存有瑕疵，切割有問題的那一半，成為5400+，如果緩存沒問題而頻率只能在2.6G通過測(cè)試，那么就是5200+， 如果緩存有瑕疵，就切割成為5000+…………一直把它測(cè)到3800+，如果還不穩(wěn)定，要么想辦法變成速龍64單核或者單核閃龍，或者就是出現(xiàn)過的ES版 的雙核閃龍，如果出現(xiàn)批量不能工作在3800+條件下，而工作在3600+條件下，那么3600+就上市了，如果出現(xiàn)批量能工作在3G，1M*2條件下， 那么6000+就上市了，這就是為什么處理器總是中等型號(hào)的先上市，高端和底端的后上市，當(dāng)然后期工廠可能會(huì)節(jié)約成本專門開出底端的流水線，專門生產(chǎn)低端 處理器，賽揚(yáng)，閃龍的各種型號(hào)就相繼上市，而高端的流水線因?yàn)閭€(gè)別處理器不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)榈锥颂幚砥鳎鐚⑺冽?4緩存切割就變?yōu)殚W龍64。

intel Core i7生產(chǎn)全過程圖解

沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級(jí)，下同。通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅(EGS)，平均每一百萬(wàn)個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜 質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。

單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度 99.9999％。

硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說(shuō)的晶圓 (Wafer)。順便說(shuō)，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？

晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無(wú)瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購(gòu)買成 品，然后利用自己的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是，Intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。

光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

光刻：光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù) 先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。一般來(lái)說(shuō)，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

光刻：由此進(jìn)入50-200納米尺寸的晶體管級(jí)別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個(gè)處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個(gè)上，展示如何制作晶體管等部 件。晶體管相當(dāng)于開關(guān)，控制著電流的方向。現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個(gè)針頭上就能放下大約3000萬(wàn)個(gè)。

溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致

蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來(lái)的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。

清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。

光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來(lái)保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料。

離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū) 域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過電場(chǎng)加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬(wàn)千米每小時(shí)。

清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。

晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會(huì)從正極(陽(yáng)極)走向負(fù)極(陰極)。

銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個(gè)薄薄的銅層。

拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

金屬層：晶體管級(jí)別，六個(gè)晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看 起來(lái)異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來(lái)派的多層高速公路系統(tǒng)。

晶圓測(cè)試：內(nèi)核級(jí)別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測(cè)試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比。

晶圓切片(Slicing)：晶圓級(jí)別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個(gè)處理器的內(nèi)核(Die)。

丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級(jí)別。測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。

單個(gè)內(nèi)核：內(nèi)核級(jí)別。從晶圓上切割下來(lái)的單個(gè)內(nèi)核，這里展示的是Core i7的核心。

封裝：封裝級(jí)別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個(gè)底座，并為處理器內(nèi) 核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了。

等級(jí)測(cè)試：最后一次測(cè)試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級(jí)，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號(hào)Core i7-920。

裝箱：根據(jù)等級(jí)測(cè)試結(jié)果將同樣級(jí)別的處理器放在一起裝運(yùn)。

零售包裝：制造、測(cè)試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商，要么放在包裝盒里進(jìn)入零售市場(chǎng)。

審核編輯 黃宇