CPU(Centralprocessingunit)是现代计算机的核心部件,又称为“微处理器”。对于 PC 而言,CPU 的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。Intelx86 架构已经经历了二十多个年头,而 x86 架构的 CPU 对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。
 
CPU 它是计算机的核心部件,计算机进行信息处理可分为两个步骤:
 
将数据和程序(即指令序列)输入到计算机的存储器中。从第一条指令的地址起开始执行该程序,得到所需结果,结束运行。CPU 的作用是协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列,使其有条不紊地进行。因此它必须具有以下基本功能:
 
a)取指令:当程序已在存储器中时,首先根据程序入口地址取出一条程序,为此要发出指令地址及控制信号。
 
b)分析指令:即指令译码。是对当前取得的指令进行分析,指出它要求什么操作,并产生相应的操作控制命令。
 
c)执行指令:根据分析指令时产生的“操作命令”形成相应的操作控制信号序列,通过运算器,存储器及输入 / 输出设备的执行,实现每条指令的功能,其中包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。
 
将其功能进一步细化,可概括如下:
能对指令进行译码并执行规定的动作;
 
可以进行算术和逻辑运算;
 
能与存储器,外设交换数据;
 
提供整个系统所需要的控制;
 
尽管各种 CPU 的性能指标和结构细节各不相同,但它们所能完成的基本功能相同。由功能分析,可知任何一种 CPU 内部结构至少应包含下面这些部件:算术逻辑运算部件(ALU)、累加器、程序计数器、指令寄存器、译码器、时序和控制部件。
 
许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道 CPU 里面最重要的东西就是晶体管了,提高 CPU 的速度,最重要的一点说白了就是如何在相同的 CPU 面积里面放进去更加多的晶体管,由于 CPU 实在太小,太精密,里面组成了数目相当多的晶体管,所以人手是绝对不可能完成的,只能够通过光刻工艺来进行加工的。
 
这就是为什么一块 CPU 里面为什么可以数量如此之多的晶体管。晶体管其实就是一个双位的开关:即开和关。如果您回忆起基本计算的时代,那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择,开和关,对于机器来说即 0 和 1。那么您将如何制作一个 CPU 呢?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子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。
 
制造 CPU 的基本原料
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,但硅又来自哪里呢?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子。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的硅原料才行。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吗?
 
英特尔技术人员在半导体生产工厂内使用自动化测量工具,依据严格的质量标准对晶圆的制造进度进行监测。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,导体物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,会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能,进而导致芯片无法使用。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 超频就急于求成,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。不过另一方面讲,应用铜互连技术可以减小芯片面积,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,在芯片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,硅原料要进行化学提纯,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。
 
晶圆上的方块称为“芯片(die)”,每个微处理器都会成为个人计算机系统的“大脑”。
 
而后,将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过,许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用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 和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芯片。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。
 
清洁的空气源源不断地从天花板和地板中的空隙中流入室内。无尘车间中的全部空气每分钟都会多次更换。
 
在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芯片就更多。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。掺入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(互补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。同时在多数情况下,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。
 
在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层二氧化硅膜。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,门氧化物的宽度小到了惊人的 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,电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。这一层物质用于同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。刻蚀过程还会受到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,而且制造每块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的地图相比,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 个平方毫米的芯片上,那么这个芯片的结构有多么复杂,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光层上,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。
 
英特尔技术人员在监测自动湿刻蚀工具
中的晶圆,该工艺可清除晶圆上多余的操作助剂或者污染物。
 
● 掺杂
 
在残留的感光层物质被去除之后,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。然后,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),多晶硅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,所需的全部门电路就已经基本成型了。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,加入一个二氧化硅层,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。在每层之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,并不直接代表着最终产品的性能差异。
 
● 封装测试过程
 
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,看是否有逻辑错误,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芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要。
 
而后,整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元。在最初测试中,那些检测不合格的单元将被遗弃。这些被切割下来的芯片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层。
 
在处理器成品完成之后,还要进行全方位的芯片功能检测。这一部会产生不同等级的产品,一些芯片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芯片则加以改造,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芯片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,许多产品还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。