cup是怎么生產(chǎn)出來的.docx

作為計算機(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，它都只是一個名詞縮寫，他們甚至連它的全寫都拚不出來；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晶體管，但鮮有了解CPU的制造流程者。今天，就讓我們來詳細(xì)的了解一下，CPU是怎樣練成的。基本材料多數(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，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，實際上就是從沙子里面提取出來的。當(dāng)然，CPU的制造過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看到Intel或者AMD只是把成噸的沙子拉往他們的制造廠。同時，制造CPU對硅材料的純度要求極高，雖然來源于廉價的沙子，但是由于材料提純工藝的復(fù)雜，我們還是無法將一百克高純硅和一噸沙子的價格相提并論。制造CPU的另一種基本材料是金屬。金屬被用于制造CPU內(nèi)部連接各個元件的電路。鋁是常用的金屬材料之一，因為它廉價，而且性能不差。而現(xiàn)今主流的CPU大都使用了銅來代替鋁，因為鋁的電遷移性太大，已經(jīng)無法滿足當(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，電路很快就會變得千瘡百孔，直到斷路。這也就是為什么超頻者嘗試對Northwood Pentium 4的電壓進(jìn)行大幅度提升時，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，同時還能比鋁工藝制造的電路更小，這也是在納米級制造工藝中不可忽視的一個問題。不僅僅如此，銅比鋁的電阻還要小得多。種種優(yōu)勢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的材料的問題之后，我們開始進(jìn)入準(zhǔn)備工作。在準(zhǔn)備工作的過程中，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，它將被通過化學(xué)的方法提純，純到幾乎沒有任何雜質(zhì)。同時它還得被轉(zhuǎn)化成硅晶體，從本質(zhì)上和海灘上的沙子劃清界限。在這個過程中，原材料硅將被熔化，并放進(jìn)一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種，以便硅晶體圍著這顆晶種生長，直到形成一個幾近完美的單晶硅。如果你在高中時把硫酸銅結(jié)晶實驗做的很好，或者看到過單晶冰糖是怎么制造的，相信這個過程不難理解。同時你需要理解的是，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方向生長。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技術(shù)難題。建造一個生產(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。作為第一個吃螃蟹的人，Intel顯然需要付出更大的代價?；▋杀抖嗟腻X建造這樣一個制造廠似乎很劃不來，但從下文可以看出，這個投資是值得的。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。硅錠造出來了，并被整型成一個完美的圓柱體，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。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。接下來晶圓將被磨光，并被檢查是否有變形或者其它問題。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。沒有問題的晶圓將被摻入適當(dāng)?shù)钠渌牧?，用以在上面制造出各種晶體管。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)，相信這個詞你經(jīng)常見到。簡單的解釋一下，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，用于表示極性。可以簡單的這么理解，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，因為在“P”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；而這個過程中，制造廠會盡量避免產(chǎn)生“P”型晶體管。接下來這塊晶圓將被送入一個高溫熔爐，當(dāng)然這次我們不能再讓它熔化了。通過密切監(jiān)控熔爐內(nèi)的溫度、壓力和加熱時間，晶圓的表面將被氧化成一層特定厚度的二氧化硅（SiO2），作為晶體管門電路的一部分基片。如果你學(xué)過邏輯電路之類的，你一定會很清楚門電路這個概念。通過門電路，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，這層門電路只有5個原子那么厚。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，以此與沒有曝光的部分分離。完成門電路這是CPU制造過程中最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)，這次使用到的是光微刻技術(shù)?？梢赃@么說，光微刻技術(shù)把對光的應(yīng)用推向了極限。CPU制造商將會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)識到了遮罩這個概念，在這里也大同小異。在這里，即使使用波長很短的紫外光并使用很大的鏡頭，也就是說，進(jìn)行最好的聚焦，遮罩的邊緣依然會受到影響，可以簡單的想象成邊緣變模糊了。請注意我們現(xiàn)在討論的尺度，每一個遮罩都復(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個這樣的遮罩。對于任意一個遮罩，請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，當(dāng)然，我說的不是用一條線連連那么簡單。當(dāng)遮罩制作完成后，它們將被覆蓋在晶圓上，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。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)然你不可能看見它們。接下來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，門電路就完成了。重復(fù)可能你會以為經(jīng)過上面復(fù)雜的步驟，一塊CPU就已經(jīng)差不多制造完成了。實際上，到這個時候，CPU的完成度還不到五分之一。接下來的步驟與上面所說的一樣復(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)計時CPU的布局，以及通過的電流大小。測試、測試和測試在經(jīng)過幾個星期的從最初的晶圓到一層層硅、金屬和其它材料的CPU核心的制造過程之后，該是看看制造出來的這個怪物的時候了。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)在哪個步驟（如果可能的話）。接下來，晶圓上的每個CPU核心都將被分開（不是切開）測試。通過測試的晶圓將被切分成若干單獨的CPU核心，上面的測試?yán)镎业降臒o效的核心將被放在一邊。接下來核心將被封裝，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)行完全測試，以檢驗其全部功能。某些CPU能夠在較高的頻率下運行，所以被標(biāo)上了較高的頻率；而有些CPU因為種種原因運行頻率較低，所以被標(biāo)上了較低的頻率。最后，個別CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果問題出在緩存上（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CPU的制造流程有了一些比較深入的認(rèn)識。CPU的制造，可以說是集多方面尖端科學(xué)技術(shù)之大成，CPU本身也就那么點大，如果把里面的材料分開拿出來賣，恐怕賣不了幾個錢。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。下面介紹一下測試步驟中的CPU劃分方法在測試、測試和測試這個環(huán)節(jié)很重要,你的處理器是6300還是6400就會在這個環(huán)節(jié)被劃分，而6300天生并不是6300，而是在測試之后，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生產(chǎn)線下來的，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，切割有問題的那一半，成為5400+，如果緩存沒問題而頻率只能在2.6G通過測試，那么就是5200+，如果緩存有瑕疵，就切割成為5000+一直把它測到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)過的ES版的