從沙子到Core i7,圖解CPU生產全過程

CPU是現代計算機的核心部件，又稱為「微處理器」。對於PC而言，CPU的規格與頻率常常被用來作為衡量一臺電腦性能強弱重要指標。m6vednc

Intelx86架構已經經歷了二十多個年頭，而x86架構的CPU對我們大多數人的工作、生活影響頗為深遠。m6vednc

許多對電腦知識略知一二的朋友大多會知道CPU裡面最重要的東西就是電晶體了，提高CPU的速度，最重要的一點說白了就是如何在相同的CPU面積裡面放進去更加多的電晶體，由於CPU實在太小，太精密，裡面組成了數目相當多的電晶體，所以人手是絕對不可能完成的，只能夠通過光刻工藝來進行加工的。m6vednc

這就是為什麼一塊CPU裡面為什麼可以數量如此之多的電晶體。電晶體其實就是一個雙位的開關：即開和關。如果您回憶起基本計算的時代，那就是一臺計算機需要進行工作的全部。兩種選擇，開和關，對於機器來說即0和1。那麼您將如何製作一個CPU呢？在今天的文章中，我們將一步一步的為您講述中央處理器從一堆沙子到一個功能強大的集成電路晶片的全過程。m6vednc

製造CPU的基本原料

如果問及CPU的原料是什麼，大家都會輕而易舉的給出答案—是矽。這是不假，但矽又來自哪裡呢？其實就是那些最不起眼的沙子。難以想像吧，價格昂貴，結構複雜，功能強大，充滿著神秘感的CPU竟然來自那根本一文不值的沙子。當然這中間必然要經歷一個複雜的製造過程才行。不過不是隨便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑細選，從中提取出最最純淨的矽原料才行。試想一下，如果用那最最廉價而又儲量充足的原料做成CPU，那麼成品的質量會怎樣，你還能用上像現在這樣高性能的處理器嗎？m6vednc

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除去矽之外，製造CPU還需要一種重要的材料就是金屬。目前為止，鋁已經成為製作處理器內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於銅。所謂電遷移問題，就是指當大量電子流過一段導體時，導體物質原子受電子撞擊而離開原有位置，留下空位，空位過多則會導致導體連線斷開，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晶片的邏輯功能，進而導致晶片無法使用。m6vednc

除了這兩樣主要的材料之外，在晶片的設計過程中還需要一些種類的化學原料，它們起著不同的作用，這裡不再贅述。m6vednc

CPU製造的準備階段

在必備原材料的採集工作完畢之後，這些原材料中的一部分需要進行一些預處理工作。而作為最主要的原料，矽的處理工作至關重要。首先，矽原料要進行化學提純，這一步驟使其達到可供半導體工業使用的原料級別。而為了使這些矽原料能夠滿足集成電路製造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過溶化矽原料，然後將液態矽注入大型高溫石英容器而完成的。m6vednc

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而後，將原料進行高溫溶化。中學化學課上我們學到過，許多固體內部原子是晶體結構，矽也是如此。為了達到高性能處理器的要求，整塊矽原料必須高度純淨，及單晶矽。然後從高溫容器中採用旋轉拉伸的方式將矽原料取出，此時一個圓柱體的矽錠就產生了。從目前所使用的工藝來看，矽錠圓形橫截面的直徑為200毫米。m6vednc

不過現在intel和其它一些公司已經開始使用300毫米直徑的矽錠了。在保留矽錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當的難度的，不過只要企業肯投入大批資金來研究，還是可以實現的。intel為研製和生產300毫米矽錠而建立的工廠耗費了大約35億美元，新技術的成功使得intel可以製造複雜程度更高，功能更強大的集成電路晶片。而200毫米矽錠的工廠也耗費了15億美元。m6vednc

在製成矽錠並確保其是一個絕對的圓柱體之後，下一個步驟就是將這個圓柱體矽錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產的處理器晶片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑，之後檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質量檢驗尤為重要，它直接決定了成品CPU的質量。m6vednc

新的切片中要摻入一些物質而使之成為真正的半導體材料，而後在其上刻劃代表著各種邏輯功能的電晶體電路。摻入的物質原子進入矽原子之間的空隙，彼此之間發生原子力的作用，從而使得矽原料具有半導體的特性。今天的半導體製造多選擇CMOS工藝（互補型金屬氧化物半導體）。m6vednc

其中互補一詞表示半導體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。而N和P在電子工藝中分別代表負極和正極。多數情況下，切片被摻入化學物質而形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設計，這種類型的電晶體空間利用率更高也更加節能。同時在多數情況下，必須儘量限制pMOS型電晶體的出現，因為在製造過程的後期，需要將N型材料植入P型襯底當中，而這一過程會導致pMOS管的形成。m6vednc

在摻入化學物質的工作完成之後，標準的切片就完成了。然後將每一個切片放入高溫爐中加熱，通過控制加溫時間而使得切片表面生成一層二氧化矽膜。通過密切監測溫度，空氣成分和加溫時間，該二氧化矽層的厚度是可以控制的。m6vednc

在intel的90納米製造工藝中，門氧化物的寬度小到了驚人的5個原子厚度。這一層門電路也是電晶體門電路的一部分，電晶體門電路的作用是控制其間電子的流動，通過對門電壓的控制，電子的流動被嚴格控制，而不論輸入輸出埠電壓的大小。m6vednc

準備工作的最後一道工序是在二氧化矽層上覆蓋一個感光層。這一層物質用於同一層中的其它控制應用。這層物質在乾燥時具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過程結束之後，能夠通過化學方法將其溶解並除去。m6vednc

光刻蝕

這是目前的CPU製造過程當中工藝非常複雜的一個步驟，為什麼這麼說呢？光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕， 由此改變該處材料的化學特性。這項技術對於所用光的波長要求極為嚴格，需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡。刻蝕過程還會受到晶圓上的汙點的影響。每一步刻蝕都是一個複雜而精細的過程。m6vednc

設計每一步過程的所需要的數據量都可以用10GB的單位來計量，而且製造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步（每一步進行一層刻蝕）。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個紐約市外加郊區範圍的地圖相比，甚至還要複雜，試想一下，把整個紐約地圖縮小到實際面積大小只有100個平方毫米的晶片上，那麼這個晶片的結構有多麼複雜，可想而知了吧。m6vednc

當這些刻蝕工作全部完成之後，晶圓被翻轉過來。短波長光線透過石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然後撤掉光線和模板。通過化學方法除去暴露在外邊的感光層物質，而二氧化矽馬上在陋空位置的下方生成。m6vednc

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摻雜

在殘留的感光層物質被去除之後，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化矽層以及暴露出來的在該層下方的矽層。這一步之後，另一個二氧化矽層製作完成。然後，加入另一個帶有感光層的多晶矽層。多晶矽是門電路的另一種類型。由於此處使用到了金屬原料（因此稱作金屬氧化物半導體），多晶矽允許在電晶體隊列埠電壓起作用之前建立門電路。感光層同時還要被短波長光線透過掩模刻蝕。再經過一部刻蝕，所需的全部門電路就已經基本成型了。然後，要對暴露在外的矽層通過化學方式進行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創建了全部的電晶體及彼此間的電路連接，沒個電晶體都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作埠。m6vednc

重複這一過程

從這一步起，你將持續添加層級，加入一個二氧化矽層，然後光刻一次。重複這些步驟，然後就出現了一個多層立體架構，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態了。在每層之間採用金屬塗膜的技術進行層間的導電連接。今天的P4處理器採用了7層金屬連接，而Athlon64使用了9層，所使用的層數取決於最初的版圖設計，並不直接代表著最終產品的性能差異。m6vednc

測試 封裝測試過程

接下來的幾個星期就需要對晶圓進行一關接一關的測試，包括檢測晶圓的電學特性，看是否有邏輯錯誤，如果有，是在哪一層出現的等等。而後，晶圓上每一個出現問題的晶片單元將被單獨測試來確定該晶片有否特殊加工需要。m6vednc

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而後，整片的晶圓被切割成一個個獨立的處理器晶片單元。在最初測試中，那些檢測不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來的晶片單元將被採用某種方式進行封裝，這樣它就可以順利的插入某種接口規格的主板了。大多數intel和AMD的處理器都會被覆蓋一個散熱層。m6vednc

在處理器成品完成之後，還要進行全方位的晶片功能檢測。這一部會產生不同等級的產品，一些晶片的運行頻率相對較高，於是打上高頻率產品的名稱和編號，而那些運行頻率相對較低的晶片則加以改造，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晶片功能上有一些不足之處。比如它在緩存功能上有缺陷（這種缺陷足以導致絕大多數的CPU癱瘓），那麼它們就會被屏蔽掉一些緩存容量，降低了性能，當然也就降低了產品的售價，這就是Celeron和Sempron的由來。m6vednc

當CPU被放進包裝盒之前，一般還要進行最後一次測試，以確保之前的工作準確無誤。根據前面確定的最高運行頻率不同，它們被放進不同的包裝，銷 往世界各地。m6vednc

讀完這些，相信你已經對CPU的製造流程有了一些比較深入的認識。CPU的製造，可以說是集多方面尖端科學技術之大成，CPU本身也就那麼點 大，如果 把裡面的材料分開拿出來賣，恐怕賣不了幾個錢。然而CPU的製造成本是非常驚人的，從這裡或許我們可以理解，為什麼這東西賣這麼貴了。m6vednc

在測試這個環節很重要，比如你的處理器是6300還是6400就會在這個環節被劃分，而 6300天生並不是6300，而是在測試之後，發現處理器不能穩定的在6400標準下工作，只能在6300標準下穩定工作，於是對處理器定義，鎖頻，定義 ID，封裝，印上6300。m6vednc

我們用AMD的來舉例：同樣核心的處理器都是一個生產線下來的，如果穩定工作在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，那麼就是5200+， 如果緩存有瑕疵，就切割成為5000+…………一直把它測到3800+，如果還不穩定，要麼想辦法變成速龍64單核或者單核閃龍，或者就是出現過的ES版 的雙核閃龍，如果出現批量不能工作在3800+條件下，而工作在3600+條件下，那麼3600+就上市了，如果出現批量能工作在3G，1M*2條件下， 那麼6000+就上市了，這就是為什麼處理器總是中等型號的先上市，高端和底端的後上市，當然後期工廠可能會節約成本專門開出底端的流水線，專門生產底端 處理器，賽揚，閃龍的各種型號就相繼上市，而高端的流水線因為個別處理器不穩定轉變為底端處理器，例如將速龍64緩存切割就變為閃龍64。m6vednc

intel Core i7生產全過程圖解

沙子：矽是地殼內第二豐富的元素，而脫氧後的沙子(尤其是石英)最多包含25％的矽元素，以二氧化矽(SiO2)的形式存在，這也是半導體製造產業的基礎。m6vednc

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矽熔煉：m6vednc

12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步淨化得到可用於半導體製造質量的矽，學名電子級矽(EGS)，平均每一百萬個矽原子中最多只有一個雜 質原子。此圖展示了是如何通過矽淨化熔煉得到大晶體的，最後得到的就是矽錠(Ingot)。m6vednc

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單晶矽錠：m6vednc

整體基本呈圓柱形，重約100千克，矽純度 99.9999％。m6vednc

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矽錠切割：m6vednc

橫向切割成圓形的單個矽片，也就是我們常說的晶圓 (Wafer)。順便說，這下知道為什麼晶圓都是圓形的了吧？m6vednc

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晶圓：m6vednc

切割出的晶圓經過拋光後變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。事實上，Intel自己並不生產這種晶圓，而是從第三方半導體企業那裡直接購買成 品，然後利用自己的生產線進一步加工，比如現在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是，Intel公司創立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米m6vednc

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光刻膠(Photo Resist)：m6vednc

圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體，類似製作傳統膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。m6vednc

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光刻：m6vednc

光刻膠層隨後透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預 先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。m6vednc

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光刻：m6vednc

由此進入50-200納米尺寸的電晶體級別。一塊晶圓上可以切割出數百個處理器，不過從這裡開始把視野縮小到其中一個上，展示如何製作電晶體等部 件。電晶體相當於開關，控制著電流的方向。現在的電晶體已經如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。m6vednc

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溶解光刻膠：m6vednc

光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除後留下的圖案和掩模上的一致m6vednc

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蝕刻：m6vednc

使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。m6vednc

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清除光刻膠：m6vednc

蝕刻完成後，光刻膠的使命宣告完成，全部清除後就可以看到設計好的電路圖案。m6vednc

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光刻膠：m6vednc

再次澆上光刻膠(藍色部分)，然後光刻，並洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。m6vednc

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離子注入(Ion Implantation)：在真空系統中，用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區域形成特殊的注入層，並改變這些區 域的矽的導電性。經過電場加速後，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。m6vednc

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清除光刻膠：m6vednc

離子注入完成後，光刻膠也被清除，而注入區域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經有所不同。m6vednc

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電晶體就緒：m6vednc

至此，電晶體已經基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，並填充銅，以便和其它電晶體互連。m6vednc

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電鍍：m6vednc

在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉澱到電晶體上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。m6vednc

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銅層：m6vednc

電鍍完成後，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。m6vednc

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拋光：m6vednc

將多餘的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。m6vednc

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金屬層：m6vednc

電晶體級別，六個電晶體的組合，大約500納米。在不同電晶體之間形成複合互連金屬層，具體布局取決於相應處理器所需要的不同功能性。晶片表面看 起來異常平滑，但事實上可能包含20多層複雜的電路，放大之後可以看到極其複雜的電路網絡，形如未來派的多層高速公路系統。m6vednc

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晶圓測試：m6vednc

內核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊晶片進行對比。m6vednc

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晶圓切片(Slicing)：m6vednc

晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內核(Die)。m6vednc

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丟棄瑕疵內核：m6vednc

晶圓級別。測試過程中發現的有瑕疵的內核被拋棄，留下完好的準備進入下一步。m6vednc

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單個內核：m6vednc

內核級別。從晶圓上切割下來的單個內核，這裡展示的是Core i7的核心。m6vednc

封裝：m6vednc

封裝級別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當於一個底座，並為處理器內 核提供電氣與機械界面，便於與PC系統的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負責內核散熱的了。m6vednc

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等級測試：m6vednc

最後一次測試，可以鑑別出每一顆處理器的關鍵特性，比如最高頻率、功耗、發熱量等，並決定處理器的等級，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號Core i7-920。m6vednc

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裝箱：m6vednc

根據等級測試結果將同樣級別的處理器放在一起裝運。m6vednc

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零售包裝：m6vednc

製造、測試完畢的處理器要麼批量交付給OEM廠商，要麼放在包裝盒裡進入零售市場。m6vednc