芯片和CPU有什么不同?解析CPU制造全过程 - 全文
芯片和CPU有什么不同?
? ? 芯片是“集成電路”的俗稱。集成電路有模擬集成電路和數字集成電路，如果一片集成電路（芯片）中既有模擬電路又有數字電路，則稱其為數模混合集成電路。
CPU是中央處理器，包含運算器和控制器，是數字電路。如果將運算器和控制器集成在一片集成電路上，就稱之為微處理器。目前人們將中央處理器與微處理器已經混為一談了。
因此，CPU是一種數字芯片，只是眾多芯片中的一類。
CPU的制造是一項極為復雜的過程，當今世上只有少數幾家廠商具備研發和生產CPU的能力。CPU的發展史也可以看作是制作工藝的發展史。
CPU（Centralprocessingunit）是現代計算機的核心部件，又稱為“微處理器（Microprocessor）”。對于PC而言，CPU的規格與頻率常常被用來作為衡量一臺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。
制造CPU的基本原料
如果問及CPU的原料是什么，大家都會輕而易舉的給出答案—是硅。這是不假，但硅又來自哪里呢？其實就是那些最不起眼的沙子。難以想象吧，價格昂貴，結構復雜，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復雜的制造過程才行。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，那么成品的質量會怎樣，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制造進度進行監測。
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，鋁已經成為制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于銅。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芯片的邏輯功能，進而導致芯片無法使用。這就是許多Northwood PenTIum 4換上SNDS（北木暴畢綜合癥）的原因，當發燒友們第一次給Northwood PenTIum 4超頻就急于求成，大幅提高芯片電壓時，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芯片面積，同時由于銅導體的電阻更低，其上電流通過的速度也更快。
除了這兩樣主要的材料之外，在芯片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，這里不再贅述。
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CPU 是怎么被制造出來的
（ 1 ） 硅提純
生產 CPU 等芯片的材料是半導體，現階段主要的材料是硅 Si ，這是一種非金屬元素，從化學的角度來看，由于它處于元素周期表中金屬元素區與非金屬元素區的交界處，所以具有半導體的性質，適合于制造各種微小的晶體管，是目前最適宜于制造現代大規模集成電路的材料之一。
在硅提純的過程中，原材料硅將被熔化，并放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種，以便硅晶體圍著這顆晶種生長，直到形成一個幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是 200 毫米，而 CPU 廠商正在增加 300 毫米晶圓的生產。
（ 2 ）切割晶圓
硅錠造出來了，并被整型成一個完美的圓柱體，接下來將被切割成片狀，稱為晶圓。晶圓才被真正用于 CPU 的制造。所謂的“切割晶圓”也就是用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規格的硅晶片，并將其劃分成多個細小的區域，每個區域都將成為一個 CPU 的內核 （Die） 。一般來說，晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的 CPU 成品就越多。
（ 3 ）影印（ Photolithography ）
在經過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻 （Photoresist） 物質，紫外線通過印制著 CPU 復雜電路結構圖樣的模板照射硅基片，被紫外線照射的地方光阻物質溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區域也受到光的干擾，必須制作遮罩來遮蔽這些區域。這是個相當復雜的過程，每一個遮罩的復雜程度得用 10GB 數據來描述。
（ 4 ）蝕刻 （Etching）
這是 CPU 生產過程中重要操作，也是 CPU 工業中的重頭技術。蝕刻技術把對光的應用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光并配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來停止光照并移除遮罩，使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜，以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。
然后，曝光的硅將被原子轟擊，使得暴露的硅基片局部摻雜，從而改變這些區域的導電狀態，以制造出 N 井或 P 井，結合上面制造的基片， CPU 的門電路就完成了。
（ 5 ）重復、分層
為加工新的一層電路，再次生長硅氧化物，然后沉積一層多晶硅，涂敷光阻物質，重復影印、蝕刻過程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結構。重復多遍，形成一個 3D 的結構，這才是最終的 CPU 的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。 Intel 的 PenTIum 4 處理器有 7 層，而 AMD 的 Athlon 64 則達到了 9 層。層數決定于設計時 CPU 的布局，以及通過的電流大小。
（ 6 ）封裝
這時的 CPU 是一塊塊晶圓，它還不能直接被用戶使用，必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中，這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結構各有不同，但越高級的 CPU 封裝也越復雜，新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩定性的提升，并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎。
（ 7 ）多次測試
測試是一個 CPU 制造的重要環節，也是一塊 CPU 出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什么差錯，以及這些差錯出現在哪個步驟（如果可能的話）。接下來，晶圓上的每個 CPU 核心都將被分開測試。
由于 SRAM （靜態隨機存儲器， CPU 中緩存的基本組成）結構復雜、密度高，所以緩存是 CPU 中容易出問題的部分，對緩存的測試也是 CPU 測試中的重要部分。
每塊 CPU 將被進行完全測試，以檢驗其全部功能。某些 CPU 能夠在較高的頻率下運行，所以被標上了較高的頻率;而有些 CPU 因為種種原因運行頻率較低，所以被標上了較低的頻率。最后，個別 CPU 可能存在某些功能上的缺陷，如果問題出在緩存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存，這意味著這塊 CPU 依然能夠出售，只是它可能是 Celeron 等低端產品。
當 CPU 被放進包裝盒之前，一般還要進行最后一次測試，以確保之前的工作準確無誤。根據前面確定的最高運行頻率和緩存的不同，它們被放進不同的包裝，銷往世界各地。
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cpu芯片的制作工藝
隨著生產工藝的進步， CPU 應該是越做越小？可為什么現在 CPU 好像尺寸并沒有減少多少，那么是什么原因呢？實際上 CPU 廠商很希望把 CPU 的集成度進一步提高，同樣也需要把 CPU做得更小，但是因為現在的生產工藝還達不到這個要求。
生產工藝這 4 個字到底包含些什么內容呢，這其中有多少高精尖技術的匯聚， CPU 生產廠商是如何應對的呢？
晶圓尺寸
硅晶圓尺寸是在半導體生產過程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因為這樣每塊晶圓能生產更多的芯片。比如，同樣使用 0.13 微米的制程在 200mm 的晶圓上可以生產大約 179個處理器核心，而使用 300mm 的晶圓可以制造大約 427 個處理器核心， 300mm 直徑的晶圓的面積是 200mm 直徑晶圓的 2.25 倍，出產的處理器個數卻是后者的 2.385 倍，并且 300mm 晶圓實際的成本并不會比 200mm 晶圓來得高多少，因此這種成倍的生產率提高顯然是所有芯片生產商所喜歡的。
然而，硅晶圓具有的一個特性卻限制了生產商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產過程中，離晶圓中心越遠就越容易出現壞點。因此從硅晶圓中心向外擴展，壞點數呈上升趨勢，這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。
總的來說，一套特定的硅晶圓生產設備所能生產的硅晶圓尺寸是固定的，如果對原設備進行改造來生產新尺寸的硅晶圓的話，花費的資金是相當驚人的，這些費用幾乎可以建造一個新的生產工廠。不過半導體生產商們也總是盡最大努力控制晶圓上壞點的數量，生產更大尺寸的晶圓，比如 8086 CPU 制造時最初所使用的晶圓尺寸是 50mm ，生產 PenTIum 4 時使用 200mm 的硅晶圓，而 Intel 新一代 Pentium 4 Prescott 則使用 300mm 尺寸硅晶圓生產。 300mm 晶圓被主要使用在 90 納米以及 65 納米的芯片制造上。
蝕刻尺寸
蝕刻尺寸是制造設備在一個硅晶圓上所能蝕刻的一個最小尺寸，是 CPU 核心制造的關鍵技術參數。在制造工藝相同時，晶體管越多處理器內核尺寸就越大，一塊硅晶圓所能生產的芯片的數量就越少，每顆 CPU 的成本就要隨之提高。反之，如果更先進的制造工藝，意味著所能蝕刻的尺寸越小，一塊晶圓所能生產的芯片就越多，成本也就隨之降低。比如 8086 的蝕刻尺寸為 3 μ m， Pentium 的蝕刻尺寸是 0.90 μ m ，而 Pentium 4 的蝕刻尺寸當前是 0.09 μ m （ 90 納米）。 2006 年初 intel 酷睿發布，采用 65nm 蝕刻尺寸，到 2008 年酷睿 2 已經發展到 45nm 蝕刻尺寸， 2010 年 1 月英特爾發布第一代 Core i 系列處理器采用 32nm 的蝕刻尺寸， 2012 年 4 月，英特爾發布第三代 Core i 系列處理器采用 22nm 蝕刻尺寸， 2015 年初第五代 Core i 系列處理器采用 14nm 蝕刻尺寸，直到 2016 年第七代 Core i 系列 KabyLake 架構的處理器還在延續使用 14nm 蝕刻尺寸。
此外，每一款 CPU 在研發完畢時其內核架構就已經固定了，后期并不能對核心邏輯再作過大的修改。因此，隨著頻率的提升，它所產生的熱量也隨之提高，而更先進的蝕刻技術另一個重要優點就是可以減小晶體管間電阻，讓 CPU 所需的電壓降低，從而使驅動它們所需要的功率也大幅度減小。所以我們看到每一款新 CPU 核心，其電壓較前一代產品都有相應降低，又由于很多因素的抵消，這種下降趨勢并不明顯。
我們前面提到了蝕刻這個過程是由光完成的，所以用于蝕刻的光的波長就是該技術提升的關鍵。目前在 CPU 制造中主要是采用 2489 埃和 1930 埃（ 1 埃 =0.1 納米）波長的氪 / 氟紫外線，1930 埃的波長用在芯片的關鍵點上，主要應用于 0.18 微米和 0.13 微米制程中，而目前 Intel 是最新的 90 納米制程則采用了波長更短的 1930 埃的氬 / 氟紫外線。
以上兩點就是 CPU 制造工藝中的兩個因素決定，也是基礎的生產工藝。這里有些問題要說明一下。 Intel 是全球制造技術最先進且擁有工廠最多的公司（ Intel 有 10 家以上的工廠做 CPU），它掌握的技術也相當多，后面有詳細敘述。 AMD 和 Intel 相比則是一家小公司，加上新工廠 Fab36 ，它有 3 家左右的 CPU 制造工廠。同時 AMD 沒有能力自己研發很多新技術，它主要是通過戰略合作關系獲取技術。
在 0.25 微米制程上， AMD 和 Intel 在技術上處于同一水平，不過在向 0.18 微米轉移時落在了后面。在感覺無法獨自趕上 Intel 之后， AMD 和摩托羅拉建立了戰略合作伙伴關系。摩托羅拉擁有很多先進的電子制造技術，用于 Apple 電腦 PowerPC 的芯片 HiPerMOS7（HiP7） 就是他們完成的; AMD 在獲得授權后一下子就擁有了很多新技術，其中部分技術甚至比 Intel 的 0.13 微米技術還要好。現在 AMD 選擇了 IBM 來共同開發 65 納米和 45 納米制造技術。它選擇的這些都是相當有前景的合作伙伴，特別是 IBM ，一直作為業界的技術領袖，它是第一個使用銅互連、第一個使用低 K 值介電物質、第一個使用 SOI 等技術的公司。 AMD 獲得的大多數技術很先進，而且對生產設備的要求不高，生產成本控制的很低，這也是 AMD 的優勢。
圖為 AMD 的新工廠 Fab36 中采用的 APM 3.0 （Automated Precision Manufacturing） 技術，可進一步實現制造的自動化，效率化。同時 AMD 還建造了自己的無塵實驗室。
金屬互連層
在前面的第 5 節“重復、分層”中，我們知道了不同 CPU 的內部互連層數是不同的。這和廠商的設計是有關的，但它也可以間接說明 CPU 制造工藝的水平。這種設計沒有什么好說的了， Intel 在這方面已經落后了，當他們在 0.13 微米制程上使用 6 層技術時，其他廠商已經使用 7 層技術了;而當 Intel 準備好使用 7 層時， IBM 已經開始了 8 層技術;當 Intel 在 Prescott 中引人 7層帶有 Low k 絕緣層的銅連接時， AMD 已經用上 9 層技術了。更多的互連層可以在生產上億個晶體管的 CPU（ 比如 Prescott） 時提供更高的靈活性。
我們知道當晶體管的尺寸不斷減小而處理器上集成的晶體管又越來越多的時候，連接這些晶體管的金屬線路就更加重要了。特別是金屬線路的容量直接影響信息傳送的速度。在 90 納米制程上， Intel 推出了新的絕緣含碳的二氧化硅來取代氟化硅酸鹽玻璃，并同時表示這可以增加 18% 的內部互連效率。
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。而后，晶圓上每一個出現問題的芯片單元將被單獨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個獨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行封裝，這樣它就可以順利的插入某種接口規格的主板了。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后，還要進行全方位的芯片功能檢測。這一部會產生不同等級的產品，一些芯片的運行頻率相對較高，于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芯片則加以改造，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（這種缺陷足以導致絕大多數的CPU癱瘓），那么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的包裝過程完成之后，許多產品還要再進行一次測試來確保先前的制作過程無一疏漏，且產品完全遵照規格所述，沒有偏差。
總結
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