? ?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(shù)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(shù)字電路，則稱其為數(shù)?；旌霞呻娐?。

　　CPU是中央處理器，包含運(yùn)算器和控制器，是數(shù)字電路。如果將運(yùn)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(jīng)混為一談了。

　　因此，CPU是一種數(shù)字芯片，只是眾多芯片中的一類。

　　CPU的制造是一項(xiàng)極為復(fù)雜的過程，當(dāng)今世上只有少數(shù)幾家廠商具備研發(fā)和生產(chǎn)CPU的能力。CPU的發(fā)展史也可以看作是制作工藝的發(fā)展史。

　　CPU（Centralprocessingunit）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的核心部件，又稱為“微處理器（Microprocessor）”。對于PC而言，CPU的規(guī)格與頻率常常被用來作為衡量一臺電腦性能強(qiáng)弱重要指標(biāo)。Intelx86架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了二十多個(gè)年頭，而x86架構(gòu)的CPU對我們大多數(shù)人的工作、生活影響頗為深遠(yuǎn)。

　　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(shí)就是那些最不起眼的沙子。難以想象吧，價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，充滿著神秘感的CPU竟然來自那根本一文不值的沙子。當(dāng)然這中間必然要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)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(xì)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(jià)而又儲量充足的原料做成CPU，那么成品的質(zhì)量會怎樣，你還能用上像現(xiàn)在這樣高性能的處理器嗎？

　　英特爾技術(shù)人員在半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠內(nèi)使用自動化測量工具，依據(jù)嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對晶圓的制造進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)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(jīng)成為制作處理器內(nèi)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(dāng)大量電子流過一段導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體物質(zhì)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(dǎo)致導(dǎo)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(jìn)而導(dǎo)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(dāng)發(fā)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(shí)，嚴(yán)重的電遷移問題導(dǎo)致了CPU的癱瘓。這就是intel首次嘗試銅互連技術(shù)的經(jīng)歷，它顯然需要一些改進(jìn)。不過另一方面講，應(yīng)用銅互連技術(shù)可以減小芯片面積，同時(shí)由于銅導(dǎo)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(shè)計(jì)過程中還需要一些種類的化學(xué)原料，它們起著不同的作用，這里不再贅述。

　　CPU 是怎么被制造出來的

　　（ 1 ） 硅提純

　　生產(chǎn) CPU 等芯片的材料是半導(dǎo)體，現(xiàn)階段主要的材料是硅 Si ，這是一種非金屬元素，從化學(xué)的角度來看，由于它處于元素周期表中金屬元素區(qū)與非金屬元素區(qū)的交界處，所以具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，適合于制造各種微小的晶體管，是目前最適宜于制造現(xiàn)代大規(guī)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(jìn)一個(gè)巨大的石英熔爐。這時(shí)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(gè)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(chǎn)。

　?。?2 ）切割晶圓

　　硅錠造出來了，并被整型成一個(gè)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(jī)器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規(guī)格的硅晶片，并將其劃分成多個(gè)細(xì)小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都將成為一個(gè) CPU 的內(nèi)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?。?Photolithography ）

　　在經(jīng)過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻 （Photoresist） 物質(zhì)，紫外線通過印制著 CPU 復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)圖樣的模板照射硅基片，被紫外線照射的地方光阻物質(zhì)溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區(qū)域也受到光的干擾，必須制作遮罩來遮蔽這些區(qū)域。這是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，每一個(gè)遮罩的復(fù)雜程度得用 10GB 數(shù)據(jù)來描述。

　　（ 4 ）蝕刻 （Etching）

　　這是 CPU 生產(chǎn)過程中重要操作，也是 CPU 工業(yè)中的重頭技術(shù)。蝕刻技術(shù)把對光的應(yīng)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(xué)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(qū)域的導(dǎo)電狀態(tài)，以制造出 N 井或 P 井，結(jié)合上面制造的基片， CPU 的門電路就完成了。

　?。?5 ）重復(fù)、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(zhì)，重復(fù)影印、蝕刻過程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結(jié)構(gòu)。重復(fù)多遍，形成一個(gè) 3D 的結(jié)構(gòu)，這才是最終的 CPU 的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導(dǎo)體。 Intel 的 Pentium 4 處理器有 7 層，而 AMD 的 Athlon 64 則達(dá)到了 9 層。層數(shù)決定于設(shè)計(jì)時(shí) CPU 的布局，以及通過的電流大小。

　　（ 6 ）封裝

　　這時(shí)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(gè)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(jié)構(gòu)各有不同，但越高級的 CPU 封裝也越復(fù)雜，新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩(wěn)定性的提升，并能間接地為主頻的提升提供堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。

　?。?7 ）多次測試

　　測試是一個(gè) CPU 制造的重要環(huán)節(jié)，也是一塊 CPU 出廠前必要的考驗(yàn)。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(xiàn)在哪個(gè)步驟（如果可能的話）。接下來，晶圓上的每個(gè) CPU 核心都將被分開測試。

　　由于 SRAM （靜態(tài)隨機(jī)存儲器， CPU 中緩存的基本組成）結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)行完全測試，以檢驗(yàn)其全部功能。某些 CPU 能夠在較高的頻率下運(yùn)行，所以被標(biāo)上了較高的頻率;而有些 CPU 因?yàn)榉N種原因運(yùn)行頻率較低，所以被標(biāo)上了較低的頻率。最后，個(gè)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(chǎn)品。

　　當(dāng) CPU 被放進(jìn)包裝盒之前，一般還要進(jìn)行最后一次測試，以確保之前的工作準(zhǔn)確無誤。根據(jù)前面確定的最高運(yùn)行頻率和緩存的不同，它們被放進(jìn)不同的包裝，銷往世界各地。

　　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)對的呢？

　　晶圓尺寸

　　硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過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)際的成本并不會比 200mm 晶圓來得高多少，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，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(chǎn)設(shè)備所能生產(chǎn)的硅晶圓尺寸是固定的，如果對原設(shè)備進(jìn)行改造來生產(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，后期并不能對核心邏輯再作過大的修改。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，這種下降趨勢并不明顯。

　　我們前面提到了蝕刻這個(gè)過程是由光完成的，所以用于蝕刻的光的波長就是該技術(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）波長的氪 / 氟紫外線，1930 埃的波長用在芯片的關(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。這里有些問題要說明一下。 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 沒有能力自己研發(fā)很多新技術(shù)，它主要是通過戰(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，不過在向 0.18 微米轉(zhuǎn)移時(shí)落在了后面。在感覺無法獨(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 來共同開發(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。

　　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)制造的自動化，效率化。同時(shí) AMD 還建造了自己的無塵實(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，但它也可以間接說明 CPU 制造工藝的水平。這種設(shè)計(jì)沒有什么好說的了， Intel 在這方面已經(jīng)落后了，當(dāng)他們在 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。

　　封裝測試過程

　　接下來的幾個(gè)星期就需要對晶圓進(jìn)行一關(guān)接一關(guān)的測試，包括檢測晶圓的電學(xué)特性，看是否有邏輯錯誤，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)問題的芯片單元將被單獨(dú)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(gè)個(gè)獨(dú)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(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。這一部會產(chǎn)生不同等級的產(chǎn)品，一些芯片的運(yùn)行頻率相對較高，于是打上高頻率產(chǎn)品的名稱和編號，而那些運(yùn)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(dǎo)致絕大多數(shù)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(dāng)然也就降低了產(chǎn)品的售價(jià)，這就是Celeron和Sempron的由來。

　　在CPU的包裝過程完成之后，許多產(chǎn)品還要再進(jìn)行一次測試來確保先前的制作過程無一疏漏，且產(chǎn)品完全遵照規(guī)格所述，沒有偏差。