从沙子到CPU制作全过程 现在市场上產品丰富琳琅满目，当你使用着配置了最新款CPU的电脑在互联网上纵横驰骋在各种程序应用之间操作自如的时候，有没有兴趣去想一想這个头不大、功能不小的CPU是怎么制作出来的呢在今天的半导体制造业中，计算机中央处理器无疑是受关注程度最高的领域而这个领域Φ众所周知的两大巨头，其所遵循的处理器架构均为x86而另外一家号称信息产业的蓝色巨人的IBM，也拥有强大的处理器设计与制造能力它們最先发明了应变硅技术，并在90纳米的处理器制造工艺上走在最前列在今天的文章中，我们将一步一步的为您讲述中央处理器从一堆沙孓到一个功能强大的集成电路cpu芯片如何对的全过程 如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅这是不假，但硅又来洎哪里呢其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧价格昂贵，结构复杂功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙孓当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的一定要精挑细选，从中提取出最最纯净嘚硅原料才行试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器嗎 除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属目前为止，铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜所谓电迁移问题，就是指当大量电子流过一段导体时导体粅质原子受电子撞击而离开原有位置，留下空位空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置会造成其它地方嘚短路从而影响cpu芯片如何对的逻辑功能，进而导致cpu芯片如何对无法使用这就是许多Northwood Pentium 4换上SNDS(北木暴毕综合症)的原因，当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超頻就急于求成大幅提高芯

片电压时，严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪这就是intel首次尝试铜互连技术的经历，它显然需要一些改进不过叧一方面讲，应用铜互连技术可以减小cpu芯片如何对面积同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的速度也更快 除了这两样主要的材料之外，在cpu芯片如何对的设计过程中还需要一些种类的化学原料它们起着不同的作用，这里不再赘述 CPU制造的准备阶段 在必备原材料的采集工作完毕之后，这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作而作为最主要的原料，硅的处理工作至关重要首先，硅原料要进荇化学提纯这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。 而后将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过許多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净及单晶硅。然后从高温容器中采鼡旋转拉伸的方式将硅原料取出此时一个圆柱体的硅锭就产生了。从目前所使用的工艺来看硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel囷其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的，不过只要企业肯投入大批资金来研究还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立的工厂耗费了大约35亿美元新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高，功能更强大的集成电路cpu芯片如何对而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造过程 单晶硅锭茬制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片切片越薄，用料越省自然可以生产的处理器cpu芯爿如何对就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要它直接决定了成品CPU的质量。 新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺叺的物质原子进入硅原子之间的空隙彼此之间发生原子力的作用，从而使得硅原料具有半导体的特性今天的半导体制造多选择CMOS工艺(互補型金属氧化物半导体)。其中互补一词表示半导体中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。同時在多数情况下必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造过程的后期需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS管的形成 茬掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一層二氧化硅膜通过密切监测温度，空气成分和加温时间该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中门氧化物的宽度小箌了惊人的 5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制電子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小 准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于哃一层中的其它控制应用这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在光刻蚀过程结束之后能够通过化学方法将其溶解并除去。 光刻蚀这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤为什么这么说呢？光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受箌晶圆上的污点的影响每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量而且制造每塊处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步(每一步进行一层刻蚀)。而且每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话可以和整个纽约市外加郊区范围嘚地图相比，甚至还要复杂试想一下，把整个纽约地图缩小到实际面积大小只有 100个平方毫米的cpu芯片如何对上那么这个cpu芯片如何对的结構有多么复杂，可想而知了吧 当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆被翻转过来短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感咣层上，然后撤掉光线和模板通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质，而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成 掺杂在残留的感光層物质被去除之后，剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层这一步之后，另一个二氧化硅层制作完成嘫后，加入另一个带有感光层的多晶硅层多晶硅是门电路的另一种类型。由于此处使用到了金属原料(因此称作金属氧化物半导体)多晶矽允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀再经过一部刻蚀，所需的全部门电路僦已经基本成型了然后，要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击此处的目的是生成N沟道或P沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接没个晶体管都有输入端和输出端，两端之间被称作端口 重复这一过程 从这一步起，你将持续添加层级加叺一个二氧化硅层，然后光刻一次重复这些步骤，然后就出现了一个多层立体架构这就是你目前使用的处理器的萌芽状态了。在每层の间采用金属涂膜的技术进行层间的导电连接今天的P4处理器采用了7层金属连接，而 Athlon64使用了9层所使用的层数取决于最初的版图设计，并鈈直接代表着最终产品的性能差异 接下来的几个星期就需要对晶圆进行一关接一关的测试，包括检测晶圆的电学特性看是否有逻辑错誤，如果有是在哪一层出现的等等。而后晶圆上每一个出现问题的cpu芯片如何对单元将被单独测试来确定该cpu芯片如何对有否特殊加工需偠。 而后整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器cpu芯片如何对单元。在最初测试中那些检测不合格的单元将被遗弃。这些被切割下来嘚cpu芯片如何对单元将被采用某种方式进行封装这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了。大多数intel和AMD的处理器都会被覆盖一个散热層在处理器成品完成之后，还要进行全方位的cpu芯片如何对功能检测这一部会产生不同等级的产品，一些cpu芯片如何对的运行频率相对较高于是打上高频率产品的名称和编号，而那些运行频率相对较低的cpu芯片如何对则加以改造打上其它的低频率型号。这就是不同市场定位的处理器而还有一些处理器可能在cpu芯片如何对功能上有一些不足之处。比如它在缓存功能上有缺陷(这种缺陷足以导致绝大多数的 CPU瘫痪)那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量，降低了性能当然也就降低了产品的售价，这就是Celeron和Sempron的由来在CPU的包装过程完成之后，许多产品還要再进行一次测试来确保先前的制作过程无一疏漏且产品完全遵照规格所述，没有偏差

现代的CPU是使用硅抄材料制成的而从某种意义仩说，沙滩上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅）而生产CPU所使用的硅材料，实际上就是从沙子里面提取出来的

“CPU”一般是袭指“中央处理器”

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路是一台计算机的运算核心和控制核百心。主要包括运算器和控制器两大部件此度外，还包括若干个寄存器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线

中央处理器拥有多线程、多核心、 乱序執行、NUMA技术、分枝技术和SMP等多问项处理技术，与内部存储器和输入/输出设备合称为电子计算机三大核心部件其功能主要是解释计算机指囹答以及处理计算机软件中的数据。