cpu芯片的制作工藝

　　隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步， CPU 應(yīng)該是越做越??？可為什么現(xiàn)在 CPU 好像尺寸并沒(méi)有減少多少，那么是什么原因呢？實(shí)際上 CPU 廠商很希望把 CPU 的集成度進(jìn)一步提高，同樣也需要把 CPU做得更小，但是因?yàn)楝F(xiàn)在的生產(chǎn)工藝還達(dá)不到這個(gè)要求。

　　生產(chǎn)工藝這 4 個(gè)字到底包含些什么內(nèi)容呢，這其中有多少高精尖技術(shù)的匯聚， CPU 生產(chǎn)廠商是如何應(yīng)對(duì)的呢？

　　晶圓尺寸

　　硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因?yàn)檫@樣每塊晶圓能生產(chǎn)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(chǎn)大約 179個(gè)處理器核心，而使用 300mm 的晶圓可以制造大約 427 個(gè)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(chǎn)的處理器個(gè)數(shù)卻是后者的 2.385 倍，并且 300mm 晶圓實(shí)際的成本并不會(huì)比 200mm 晶圓來(lái)得高多少，因此這種成倍的生產(chǎn)率提高顯然是所有芯片生產(chǎn)商所喜歡的。

　　然而，硅晶圓具有的一個(gè)特性卻限制了生產(chǎn)商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產(chǎn)過(guò)程中，離晶圓中心越遠(yuǎn)就越容易出現(xiàn)壞點(diǎn)。因此從硅晶圓中心向外擴(kuò)展，壞點(diǎn)數(shù)呈上升趨勢(shì)，這樣我們就無(wú)法隨心所欲地增大晶圓尺寸。

　　總的來(lái)說(shuō)，一套特定的硅晶圓生產(chǎn)設(shè)備所能生產(chǎn)的硅晶圓尺寸是固定的，如果對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改造來(lái)生產(chǎn)新尺寸的硅晶圓的話，花費(fèi)的資金是相當(dāng)驚人的，這些費(fèi)用幾乎可以建造一個(gè)新的生產(chǎn)工廠。不過(guò)半導(dǎo)體生產(chǎn)商們也總是盡最大努力控制晶圓上壞點(diǎn)的數(shù)量，生產(chǎn)更大尺寸的晶圓，比如 8086 CPU 制造時(shí)最初所使用的晶圓尺寸是 50mm ，生產(chǎn) Pentium 4 時(shí)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(chǎn)。 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(shè)備在一個(gè)硅晶圓上所能蝕刻的一個(gè)最小尺寸，是 CPU 核心制造的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。在制造工藝相同時(shí)，晶體管越多處理器內(nèi)核尺寸就越大，一塊硅晶圓所能生產(chǎn)的芯片的數(shù)量就越少，每顆 CPU 的成本就要隨之提高。反之，如果更先進(jìn)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(chǎn)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(dāng)前是 0.09 μ m （ 90 納米）。 2006 年初 intel 酷睿發(fā)布，采用 65nm 蝕刻尺寸，到 2008 年酷睿 2 已經(jīng)發(fā)展到 45nm 蝕刻尺寸， 2010 年 1 月英特爾發(fā)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(fā)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(gòu)的處理器還在延續(xù)使用 14nm 蝕刻尺寸。

　　此外，每一款 CPU 在研發(fā)完畢時(shí)其內(nèi)核架構(gòu)就已經(jīng)固定了，后期并不能對(duì)核心邏輯再作過(guò)大的修改。因此，隨著頻率的提升，它所產(chǎn)生的熱量也隨之提高，而更先進(jìn)的蝕刻技術(shù)另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)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(qū)動(dòng)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(chǎn)品都有相應(yīng)降低，又由于很多因素的抵消，這種下降趨勢(shì)并不明顯。

　　我們前面提到了蝕刻這個(gè)過(guò)程是由光完成的，所以用于蝕刻的光的波長(zhǎng)就是該技術(shù)提升的關(guān)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(zhǎng)的氪 / 氟紫外線，1930 埃的波長(zhǎng)用在芯片的關(guān)鍵點(diǎn)上，主要應(yīng)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(zhǎng)更短的 1930 埃的氬 / 氟紫外線。

　　以上兩點(diǎn)就是 CPU 制造工藝中的兩個(gè)因素決定，也是基礎(chǔ)的生產(chǎn)工藝。這里有些問(wèn)題要說(shuō)明一下。 Intel 是全球制造技術(shù)最先進(jìn)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(shù)也相當(dāng)多，后面有詳細(xì)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(shí) AMD 沒(méi)有能力自己研發(fā)很多新技術(shù)，它主要是通過(guò)戰(zhàn)略合作關(guān)系獲取技術(shù)。

　　在 0.25 微米制程上， AMD 和 Intel 在技術(shù)上處于同一水平，不過(guò)在向 0.18 微米轉(zhuǎn)移時(shí)落在了后面。在感覺(jué)無(wú)法獨(dú)自趕上 Intel 之后， AMD 和摩托羅拉建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。摩托羅拉擁有很多先進(jìn)的電子制造技術(shù)，用于 Apple 電腦 PowerPC 的芯片 HiPerMOS7（HiP7） 就是他們完成的; AMD 在獲得授權(quán)后一下子就擁有了很多新技術(shù)，其中部分技術(shù)甚至比 Intel 的 0.13 微米技術(shù)還要好?，F(xiàn)在 AMD 選擇了 IBM 來(lái)共同開(kāi)發(fā) 65 納米和 45 納米制造技術(shù)。它選擇的這些都是相當(dāng)有前景的合作伙伴，特別是 IBM ，一直作為業(yè)界的技術(shù)領(lǐng)袖，它是第一個(gè)使用銅互連、第一個(gè)使用低 K 值介電物質(zhì)、第一個(gè)使用 SOI 等技術(shù)的公司。 AMD 獲得的大多數(shù)技術(shù)很先進(jìn)，而且對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求不高，生產(chǎn)成本控制的很低，這也是 AMD 的優(yōu)勢(shì)。

　　圖為 AMD 的新工廠 Fab36 中采用的 APM 3.0 （Automated Precision Manufacturing） 技術(shù)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)制造的自動(dòng)化，效率化。同時(shí) AMD 還建造了自己的無(wú)塵實(shí)驗(yàn)室。

　　金屬互連層

　　在前面的第 5 節(jié)“重復(fù)、分層”中，我們知道了不同 CPU 的內(nèi)部互連層數(shù)是不同的。這和廠商的設(shè)計(jì)是有關(guān)的，但它也可以間接說(shuō)明 CPU 制造工藝的水平。這種設(shè)計(jì)沒(méi)有什么好說(shuō)的了， Intel 在這方面已經(jīng)落后了，當(dāng)他們?cè)?0.13 微米制程上使用 6 層技術(shù)時(shí)，其他廠商已經(jīng)使用 7 層技術(shù)了;而當(dāng) Intel 準(zhǔn)備好使用 7 層時(shí)， IBM 已經(jīng)開(kāi)始了 8 層技術(shù);當(dāng) Intel 在 Prescott 中引人 7層帶有 Low k 絕緣層的銅連接時(shí)， AMD 已經(jīng)用上 9 層技術(shù)了。更多的互連層可以在生產(chǎn)上億個(gè)晶體管的 CPU（ 比如 Prescott） 時(shí)提供更高的靈活性。

　　我們知道當(dāng)晶體管的尺寸不斷減小而處理器上集成的晶體管又越來(lái)越多的時(shí)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(lái)取代氟化硅酸鹽玻璃，并同時(shí)表示這可以增加 18% 的內(nèi)部互連效率。

　　封裝測(cè)試過(guò)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(wèn)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(chēng)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)。

　　在CPU的包裝過(guò)程完成之后，許多產(chǎn)品還要再進(jìn)行一次測(cè)試來(lái)確保先前的制作過(guò)程無(wú)一疏漏，且產(chǎn)品完全遵照規(guī)格所述，沒(méi)有偏差。