芯片和CPU有什么不同?解析CPU制造全过程

　    芯片和CPU有什么不同?

    　芯片是“集成电路”的俗称。集成电路有模拟集成电路和数字集成电路，如果一片集成电路（芯片）中既有模拟电路又有数字电路，则称其为数模混合集成电路。

　　CPU是中央处理器，包含运算器和控制器，是数字电路。如果将运算器和控制器集成在一片集成电路上，就称之为微处理器。目前人们将中央处理器与微处理器已经混为一谈了。

　　因此，CPU是一种数字芯片，只是众多芯片中的一类。

　　CPU的制造是一项极为复杂的过程，当今世上只有少数几家厂商具备研发和生产CPU的能力。CPU的发展史也可以看作是制作工艺的发展史。

　　CPU（Centralprocessingunit）是现代计算机的核心部件，又称为“微处理器（Microprocessor）”。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。

　　

　　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 是怎么被制造出来的

　　（ 1 ） 硅提纯

　　生产 CPU 等芯片的材料是半导体，现阶段主要的材料是硅 Si ，这是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

　

　　在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。以往的硅锭的直径大都是 200 毫米，而 CPU 厂商正在增加 300 毫米晶圆的生产。

　　（ 2 ）切割晶圆

　　硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才被真正用于 CPU 的制造。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个 CPU 的内核 （Die） 。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的 CPU 成品就越多。

　

　　（ 3 ）影印（ Photolithography ）

　　在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻 （Photoresist） 物质，紫外线通过印制着 CPU 复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用 10GB 数据来描述。

　　（ 4 ）蚀刻 （Etching）

　　这是 CPU 生产过程中重要操作，也是 CPU 工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

　　然后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出 N 井或 P 井，结合上面制造的基片， CPU 的门电路就完成了。

　　（ 5 ）重复、分层

　　为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍，形成一个 3D 的结构，这才是最终的 CPU 的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。 Intel 的 Pentium 4 处理器有 7 层，而 AMD 的 Athlon 64 则达到了 9 层。层数决定于设计时 CPU 的布局，以及通过的电流大小。

　　（ 6 ）封装

　　这时的 CPU 是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同，但越高级的 CPU 封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

　　（ 7 ）多次测试

　　测试是一个 CPU 制造的重要环节，也是一块 CPU 出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤（如果可能的话）。接下来，晶圆上的每个 CPU 核心都将被分开测试。

　　由于 SRAM （静态随机存储器， CPU 中缓存的基本组成）结构复杂、密度高，所以缓存是 CPU 中容易出问题的部分，对缓存的测试也是 CPU 测试中的重要部分。

　　每块 CPU 将被进行完全测试，以检验其全部功能。某些 CPU 能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率;而有些 CPU 因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。最后，个别 CPU 可能存在某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存，这意味着这块 CPU 依然能够出售，只是它可能是 Celeron 等低端产品。

　　

　　当 CPU 被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率和缓存的不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。

　　cpu芯片的制作工艺

　　随着生产工艺的进步， CPU 应该是越做越小？可为什么现在 CPU 好像尺寸并没有减少多少，那么是什么原因呢？实际上 CPU 厂商很希望把 CPU 的集成度进一步提高，同样也需要把 CPU做得更小，但是因为现在的生产工艺还达不到这个要求。

　　生产工艺这 4 个字到底包含些什么内容呢，这其中有多少高精尖技术的汇聚， CPU 生产厂商是如何应对的呢？

　　晶圆尺寸

　　硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如，同样使用 0.13 微米的制程在 200mm 的晶圆上可以生产大约 179个处理器核心，而使用 300mm 的晶圆可以制造大约 427 个处理器核心， 300mm 直径的晶圆的面积是 200mm 直径晶圆的 2.25 倍，出产的处理器个数却是后者的 2.385 倍，并且 300mm 晶圆实际的成本并不会比 200mm 晶圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。

　　然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。

　　总的来说，一套特定的硅晶圆生产设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定的，如果对原设备进行改造来生产新尺寸的硅晶圆的话，花费的资金是相当惊人的，这些费用几乎可以建造一个新的生产工厂。不过半导体生产商们也总是尽最大努力控制晶圆上坏点的数量，生产更大尺寸的晶圆，比如 8086 CPU 制造时最初所使用的晶圆尺寸是 50mm ，生产 Pentium 4 时使用 200mm 的硅晶圆，而 Intel 新一代 Pentium 4 Prescott 则使用 300mm 尺寸硅晶圆生产。 300mm 晶圆被主要使用在 90 纳米以及 65 纳米的芯片制造上。

　　蚀刻尺寸

　　蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸，是 CPU 核心制造的关键技术参数。在制造工艺相同时，晶体管越多处理器内核尺寸就越大，一块硅晶圆所能生产的芯片的数量就越少，每颗 CPU 的成本就要随之提高。反之，如果更先进的制造工艺，意味着所能蚀刻的尺寸越小，一块晶圆所能生产的芯片就越多，成本也就随之降低。比如 8086 的蚀刻尺寸为 3 μ m， Pentium 的蚀刻尺寸是 0.90 μ m ，而 Pentium 4 的蚀刻尺寸当前是 0.09 μ m （ 90 纳米）。 2006 年初 intel 酷睿发布，采用 65nm 蚀刻尺寸，到 2008 年酷睿 2 已经发展到 45nm 蚀刻尺寸， 2010 年 1 月英特尔发布第一代 Core i 系列处理器采用 32nm 的蚀刻尺寸， 2012 年 4 月，英特尔发布第三代 Core i 系列处理器采用 22nm 蚀刻尺寸， 2015 年初第五代 Core i 系列处理器采用 14nm 蚀刻尺寸，直到 2016 年第七代 Core i 系列 KabyLake 架构的处理器还在延续使用 14nm 蚀刻尺寸。

　　此外，每一款 CPU 在研发完毕时其内核架构就已经固定了，后期并不能对核心逻辑再作过大的修改。因此，随着频率的提升，它所产生的热量也随之提高，而更先进的蚀刻技术另一个重要优点就是可以减小晶体管间电阻，让 CPU 所需的电压降低，从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。所以我们看到每一款新 CPU 核心，其电压较前一代产品都有相应降低，又由于很多因素的抵消，这种下降趋势并不明显。

　　我们前面提到了蚀刻这个过程是由光完成的，所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键。目前在 CPU 制造中主要是采用 2489 埃和 1930 埃（ 1 埃 =0.1 纳米）波长的氪 / 氟紫外线，1930 埃的波长用在芯片的关键点上，主要应用于 0.18 微米和 0.13 微米制程中，而目前 Intel 是最新的 90 纳米制程则采用了波长更短的 1930 埃的氩 / 氟紫外线。

　　以上两点就是 CPU 制造工艺中的两个因素决定，也是基础的生产工艺。这里有些问题要说明一下。 Intel 是全球制造技术最先进且拥有工厂最多的公司（ Intel 有 10 家以上的工厂做 CPU），它掌握的技术也相当多，后面有详细叙述。 AMD 和 Intel 相比则是一家小公司，加上新工厂 Fab36 ，它有 3 家左右的 CPU 制造工厂。同时 AMD 没有能力自己研发很多新技术，它主要是通过战略合作关系获取技术。

　　在 0.25 微米制程上， AMD 和 Intel 在技术上处于同一水平，不过在向 0.18 微米转移时落在了后面。在感觉无法独自赶上 Intel 之后， AMD 和摩托罗拉建立了战略合作伙伴关系。摩托罗拉拥有很多先进的电子制造技术，用于 Apple 电脑 PowerPC 的芯片 HiPerMOS7（HiP7） 就是他们完成的; AMD 在获得授权后一下子就拥有了很多新技术，其中部分技术甚至比 Intel 的 0.13 微米技术还要好。现在 AMD 选择了 IBM 来共同开发 65 纳米和 45 纳米制造技术。它选择的这些都是相当有前景的合作伙伴，特别是 IBM ，一直作为业界的技术领袖，它是第一个使用铜互连、第一个使用低 K 值介电物质、第一个使用 SOI 等技术的公司。 AMD 获得的大多数技术很先进，而且对生产设备的要求不高，生产成本控制的很低，这也是 AMD 的优势。

　　图为 AMD 的新工厂 Fab36 中采用的 APM 3.0 （Automated Precision Manufacturing） 技术，可进一步实现制造的自动化，效率化。同时 AMD 还建造了自己的无尘实验室。

　　金属互连层

　　在前面的第 5 节“重复、分层”中，我们知道了不同 CPU 的内部互连层数是不同的。这和厂商的设计是有关的，但它也可以间接说明 CPU 制造工艺的水平。这种设计没有什么好说的了， Intel 在这方面已经落后了，当他们在 0.13 微米制程上使用 6 层技术时，其他厂商已经使用 7 层技术了;而当 Intel 准备好使用 7 层时， IBM 已经开始了 8 层技术;当 Intel 在 Prescott 中引人 7层带有 Low k 绝缘层的铜连接时， AMD 已经用上 9 层技术了。更多的互连层可以在生产上亿个晶体管的 CPU（ 比如 Prescott） 时提供更高的灵活性。

　　我们知道当晶体管的尺寸不断减小而处理器上集成的晶体管又越来越多的时候，连接这些晶体管的金属线路就更加重要了。特别是金属线路的容量直接影响信息传送的速度。在 90 纳米制程上， Intel 推出了新的绝缘含碳的二氧化硅来取代氟化硅酸盐玻璃，并同时表示这可以增加 18% 的内部互连效率。

　　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。