cup是怎么生產(chǎn)出來(lái)的.docx

作為計(jì)算機(jī)的核心組件，CPU（Central Processor Unit，中央處理器）在用戶的心中一直是十分神秘的：在多數(shù)用戶的心目中，它都只是一個(gè)名詞縮寫(xiě)，他們甚至連它的全寫(xiě)都拚不出來(lái)；在一些硬件高手的眼里，CPU也至多是一塊十余平方厘米，有很多腳的塊塊兒，而CPU的核心部分甚至只有不到一平方厘米大。他們知道這塊不到一平方厘米大的玩意兒是用多少微米工藝制成的，知道它集成了幾億幾千萬(wàn)晶體管，但鮮有了解CPU的制造流程者。今天，就讓我們來(lái)詳細(xì)的了解一下，CPU是怎樣練成的?；静牧隙鄶?shù)人都知道，現(xiàn)代的CPU是使用硅材料制成的。硅是一種非金屬元素，從化學(xué)的角度來(lái)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。從某種意義上說(shuō)，沙灘上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅），而生產(chǎn)CPU所使用的硅材料，實(shí)際上就是從沙子里面提取出來(lái)的。當(dāng)然，CPU的制造過(guò)程中還要使用到一些其它的材料，這也就是為什么我們不會(huì)看到Intel或者AMD只是把成噸的沙子拉往他們的制造廠。同時(shí)，制造CPU對(duì)硅材料的純度要求極高，雖然來(lái)源于廉價(jià)的沙子，但是由于材料提純工藝的復(fù)雜，我們還是無(wú)法將一百克高純硅和一噸沙子的價(jià)格相提并論。制造CPU的另一種基本材料是金屬。金屬被用于制造CPU內(nèi)部連接各個(gè)元件的電路。鋁是常用的金屬材料之一，因?yàn)樗畠r(jià)，而且性能不差。而現(xiàn)今主流的CPU大都使用了銅來(lái)代替鋁，因?yàn)殇X的電遷移性太大，已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前飛速發(fā)展的CPU制造工藝的需要。所謂電遷移，是指金屬的個(gè)別原子在特定條件下（例如高電壓）從原有的地方遷出。很顯然，如果不斷有原子從連接元件的金屬微電路上遷出，電路很快就會(huì)變得千瘡百孔，直到斷路。這也就是為什么超頻者嘗試對(duì)Northwood Pentium 4的電壓進(jìn)行大幅度提升時(shí)，這塊悲命的CPU經(jīng)常在“突發(fā)性Northwood死亡綜合癥（Sudden Northwood Death Syndrome，SNDS）”中休克甚至犧牲的原因。SNDS使得Intel第一次將銅互連（Copper Interconnect）技術(shù)應(yīng)用到CPU的生產(chǎn)工藝中。銅互連技術(shù)能夠明顯的減少電遷移現(xiàn)象，同時(shí)還能比鋁工藝制造的電路更小，這也是在納米級(jí)制造工藝中不可忽視的一個(gè)問(wèn)題。不僅僅如此，銅比鋁的電阻還要小得多。種種優(yōu)勢(shì)讓銅互連工藝迅速取代了鋁的位置，成為CPU制造的主流之選。除了硅和一定的金屬材料之外，還有很多復(fù)雜的化學(xué)材料也參加了CPU的制造工作。準(zhǔn)備工作解決制造CPU的材料的問(wèn)題之后，我們開(kāi)始進(jìn)入準(zhǔn)備工作。在準(zhǔn)備工作的過(guò)程中，一些原料將要被加工，以便使其電氣性能達(dá)到制造CPU的要求。其一就是硅。首先，它將被通過(guò)化學(xué)的方法提純，純到幾乎沒(méi)有任何雜質(zhì)。同時(shí)它還得被轉(zhuǎn)化成硅晶體，從本質(zhì)上和海灘上的沙子劃清界限。在這個(gè)過(guò)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(zhǎng)，直到形成一個(gè)幾近完美的單晶硅。如果你在高中時(shí)把硫酸銅結(jié)晶實(shí)驗(yàn)做的很好，或者看到過(guò)單晶冰糖是怎么制造的，相信這個(gè)過(guò)程不難理解。同時(shí)你需要理解的是，很多固體物質(zhì)都具有晶體結(jié)構(gòu)，例如食鹽。CPU制造過(guò)程中的硅也是這樣。小心而緩慢的攪拌硅的熔漿，硅晶體包圍著晶種向同一個(gè)方向生長(zhǎng)。最終，一塊硅錠產(chǎn)生了?，F(xiàn)在的硅錠的直徑大都是200毫米，而CPU廠商正在準(zhǔn)備制造300毫米直徑的硅錠。在確保質(zhì)量不變的前提下制造更大的硅錠難度顯然更大，但CPU廠商的投資解決了這個(gè)技術(shù)難題。建造一個(gè)生產(chǎn)300毫米直徑硅錠的制造廠大約需要35億美元，Intel將用其產(chǎn)出的硅材料制造更加復(fù)雜的CPU。而建造一個(gè)相似的生產(chǎn)200毫米直徑硅錠的制造廠只要15億美元。作為第一個(gè)吃螃蟹的人，Intel顯然需要付出更大的代價(jià)。花兩倍多的錢(qián)建造這樣一個(gè)制造廠似乎很劃不來(lái)，但從下文可以看出，這個(gè)投資是值得的。硅錠的制造方法還有很多，上面介紹的只是其中一種，叫做CZ制造法。硅錠造出來(lái)了，并被整型成一個(gè)完美的圓柱體，接下來(lái)將被切割成片狀，稱為晶圓。晶圓才被真正用于CPU的制造。一般來(lái)說(shuō)，晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的CPU成品就越多。接下來(lái)晶圓將被磨光，并被檢查是否有變形或者其它問(wèn)題。在這里，質(zhì)量檢查直接決定著CPU的最終良品率，是極為重要的。沒(méi)有問(wèn)題的晶圓將被摻入適當(dāng)?shù)钠渌牧希靡栽谏厦嬷圃斐龈鞣N晶體管。摻入的材料沉積在硅原子之間的縫隙中。目前普遍使用的晶體管制造技術(shù)叫做CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductors，互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)，相信這個(gè)詞你經(jīng)常見(jiàn)到。簡(jiǎn)單的解釋一下，CMOS中的C（Complementary）是指兩種不同的MOS電路“N”電路和“P”電路之間的關(guān)系：它們是互補(bǔ)的。在電子學(xué)中，“N”和“P”分別是Negative和Positive的縮寫(xiě)，用于表示極性。可以簡(jiǎn)單的這么理解，在“N”型的基片上可以安裝“P”井制造“P”型的晶體管，而在“P”型基片上則可以安裝“N”井制造“N”型晶體管。在多數(shù)情況下，制造廠向晶圓里摻入相關(guān)材料以制造“P”基片，因?yàn)樵凇癙”基片上能夠制造出具有更優(yōu)良的性能，并且能有效的節(jié)省空間的“N”型晶體管；而這個(gè)過(guò)程中，制造廠會(huì)盡量避免產(chǎn)生“P”型晶體管。接下來(lái)這塊晶圓將被送入一個(gè)高溫熔爐，當(dāng)然這次我們不能再讓它熔化了。通過(guò)密切監(jiān)控熔爐內(nèi)的溫度、壓力和加熱時(shí)間，晶圓的表面將被氧化成一層特定厚度的二氧化硅（SiO2），作為晶體管門(mén)電路的一部分基片。如果你學(xué)過(guò)邏輯電路之類的，你一定會(huì)很清楚門(mén)電路這個(gè)概念。通過(guò)門(mén)電路，輸入一定的電平將得到一定的輸出電平，輸出電平根據(jù)門(mén)電路的不同而有所差異。電平的高低被形象的用0和1表示，這也就是計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制的原因。在Intel使用90納米工藝制造的CPU中，這層門(mén)電路只有5個(gè)原子那么厚。準(zhǔn)備工作的最后一步是在晶圓上涂上一層光敏抗蝕膜，它具有光敏性，并且感光的部分能夠被特定的化學(xué)物質(zhì)清洗掉，以此與沒(méi)有曝光的部分分離。完成門(mén)電路這是CPU制造過(guò)程中最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，這次使用到的是光微刻技術(shù)?？梢赃@么說(shuō)，光微刻技術(shù)把對(duì)光的應(yīng)用推向了極限。CPU制造商將會(huì)把晶圓上覆蓋的光敏抗蝕膜的特定區(qū)域曝光，并改變它們的化學(xué)性質(zhì)。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(lái)遮蔽這些區(qū)域。想必你已經(jīng)在Photoshop之類的軟件里面認(rèn)識(shí)到了遮罩這個(gè)概念，在這里也大同小異。在這里，即使使用波長(zhǎng)很短的紫外光并使用很大的鏡頭，也就是說(shuō)，進(jìn)行最好的聚焦，遮罩的邊緣依然會(huì)受到影響，可以簡(jiǎn)單的想象成邊緣變模糊了。請(qǐng)注意我們現(xiàn)在討論的尺度，每一個(gè)遮罩都復(fù)雜到不可想象，如果要描述它，至少得用10GB的數(shù)據(jù)，而制造一塊CPU，至少要用到20個(gè)這樣的遮罩。對(duì)于任意一個(gè)遮罩，請(qǐng)嘗試想象一下北京市的地圖，包括它的郊區(qū)；然后將它縮小到一塊一平方厘米的小紙片上。最后，別忘了把每塊地圖都連接起來(lái)，當(dāng)然，我說(shuō)的不是用一條線連連那么簡(jiǎn)單。當(dāng)遮罩制作完成后，它們將被覆蓋在晶圓上，短波長(zhǎng)的光將透過(guò)這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來(lái)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。當(dāng)剩余的光敏抗蝕膜也被去除之后，晶圓上留下了起伏不平的二氧化硅山脈，當(dāng)然你不可能看見(jiàn)它們。接下來(lái)添加另一層二氧化硅，并加上了一層多晶硅，然后再覆蓋一層光敏抗蝕膜。多晶硅是上面提到的門(mén)電路的另一部分，而以前這是用金屬制造而成的（即CMOS里的M：Metal）。光敏抗蝕膜再次被蓋上決定這些多晶硅去留的遮罩，接受光的洗禮。然后，曝光的硅將被原子轟擊，以制造出N井或P井，結(jié)合上面制造的基片，門(mén)電路就完成了。重復(fù)可能你會(huì)以為經(jīng)過(guò)上面復(fù)雜的步驟，一塊CPU就已經(jīng)差不多制造完成了。實(shí)際上，到這個(gè)時(shí)候，CPU的完成度還不到五分之一。接下來(lái)的步驟與上面所說(shuō)的一樣復(fù)雜，那就是再次添加二氧化硅層，再次蝕刻，再次添加重復(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(guò)的電流大小。測(cè)試、測(cè)試和測(cè)試在經(jīng)過(guò)幾個(gè)星期的從最初的晶圓到一層層硅、金屬和其它材料的CPU核心的制造過(guò)程之后，該是看看制造出來(lái)的這個(gè)怪物的時(shí)候了。這一步將測(cè)試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什么差錯(cuò)，以及這些差錯(cuò)出現(xiàn)在哪個(gè)步驟（如果可能的話）。接下來(lái)，晶圓上的每個(gè)CPU核心都將被分開(kāi)（不是切開(kāi)）測(cè)試。通過(guò)測(cè)試的晶圓將被切分成若干單獨(dú)的CPU核心，上面的測(cè)試?yán)镎业降臒o(wú)效的核心將被放在一邊。接下來(lái)核心將被封裝，安裝在基板上。然后，多數(shù)主流的CPU將在核心上安裝一塊集成散熱反變形片（Integrated Heat Spreader，IHS）。每塊CPU將被進(jìn)行完全測(cè)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(wèn)題出在緩存上（緩存占CPU核心面積的一半以上），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，可能是Sempron，或者是其它的了。當(dāng)CPU被放進(jìn)包裝盒之前，一般還要進(jìn)行最后一次測(cè)試，以確保之前的工作準(zhǔn)確無(wú)誤。根據(jù)前面確定的最高運(yùn)行頻率不同，它們被放進(jìn)不同的包裝，銷往世界各地。讀完這些，相信你已經(jīng)對(duì)CPU的制造流程有了一些比較深入的認(rèn)識(shí)。CPU的制造，可以說(shuō)是集多方面尖端科學(xué)技術(shù)之大成，CPU本身也就那么點(diǎn)大，如果把里面的材料分開(kāi)拿出來(lái)賣，恐怕賣不了幾個(gè)錢(qián)。然而CPU的制造成本是非常驚人的，從這里或許我們可以理解，為什么這東西賣這么貴了。下面介紹一下測(cè)試步驟中的CPU劃分方法在測(cè)試、測(cè)試和測(cè)試這個(gè)環(huán)節(jié)很重要,你的處理器是6300還是6400就會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)被劃分，而6300天生并不是6300，而是在測(cè)試之后，發(fā)現(xiàn)處理器不能穩(wěn)定的在6400標(biāo)準(zhǔn)下工作，只能在6300標(biāo)準(zhǔn)下穩(wěn)定工作，于是對(duì)處理器定義，鎖頻，定義ID，封裝，印上6300，AMD我比較熟，用AMD的例子比較好舉，同樣核心的處理器都是一個(gè)生產(chǎn)線下來(lái)的，如果穩(wěn)定工作在2.8GHz，1M*2的緩存下，就被定義為5600+，如果緩存有瑕疵，切割有問(wèn)題的那一半，成為5400+，如果緩存沒(méi)問(wèn)題而頻率只能在2.6G通過(guò)測(cè)試，那么就是5200+，如果緩存有瑕疵，就切割成為5000+一直把它測(cè)到3800+，如果還不穩(wěn)定，要么想辦法變成速龍64單核或者單核閃龍，或者就是出現(xiàn)過(guò)的ES版的