① 電腦CPU是怎麼製造出來的
作為計算機的核心組件，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；在一些硬體高手的眼裡，CPU也至多是一塊十餘平方厘米，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製成的，知道它集成了幾億幾千萬晶體管，但鮮有了解CPU的製造流程者。今天，就讓我們來詳細的了解一下，CPU是怎樣練成的。 基本材料 多數人都知道，現代的CPU是使用硅材料製成的。硅是一種非金屬元素，從化學的角度來看，由於它處於元素周期表中金屬元素區與非金屬元素區的交界處，所以具有半導體的性質，適合於製造各種微小的晶體管，是目前最適宜於製造現代大規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CPU所使用的硅材料，實際上就是從沙子裡面提取出來的。當然，CPU的製造過程中還要使用到一些其它的材料，這也就是為什麼我們不會看到Intel或者AMD只是把成噸的沙子拉往他們的製造廠。同時，製造CPU對硅材料的純度要求極高，雖然來源於廉價的沙子，但是由於材料提純工藝的復雜，我們還是無法將一百克高純硅和一噸沙子的價格相提並論。 製造CPU的另一種基本材料是金屬。金屬被用於製造CPU內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，已經無法滿足當前飛速發展的CPU製造工藝的需要。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。這也就是為什麼超頻者嘗試對Northwood Pentium 4的電壓進行大幅度提升時，這塊悲命的CPU經常在「突發性Northwood死亡綜合症（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）技術應用到CPU的生產工藝中。銅互連技術能夠明顯的減少電遷移現象，同時還能比鋁工藝製造的電路更小，這也是在納米級製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。種種優勢讓銅互連工藝迅速取代了鋁的位置，成為CPU製造的主流之選。除了硅和一定的金屬材料之外，還有很多復雜的化學材料也參加了CPU的製造工作。 准備工作 解決製造CPU的材料的問題之後，我們開始進入准備工作。在准備工作的過程中，一些原料將要被加工，以便使其電氣性能達到製造CPU的要求。其一就是硅。首先，它將被通過化學的方法提純，純到幾乎沒有任何雜質。同時它還得被轉化成硅晶體，從本質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，並放進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晶實驗做的很好，或者看到過單晶冰糖是怎麼製造的，相信這個過程不難理解。同時你需要理解的是，很多固體物質都具有晶體結構，例如食鹽。CPU製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，一塊硅錠產生了。 現在的硅錠的直徑大都是200毫米，而CPU廠商正在准備製造300毫米直徑的硅錠。在確保質量不變的前提下製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難題。建造一個生產300毫米直徑硅錠的製造廠大約需要35億美元，Intel將用其產出的硅材料製造更加復雜的CPU。而建造一個相似的生產200毫米直徑硅錠的製造廠只要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。花兩倍多的錢建造這樣一個製造廠似乎很劃不來，但從下文可以看出，這個投資是值得的。硅錠的製造方法還有很多，上面介紹的只是其中一種，叫做CZ製造法。 硅錠造出來了，並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。晶圓才被真正用於CPU的製造。一般來說，晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠製造的CPU成品就越多。接下來晶圓將被磨光，並被檢查是否有變形或者其它問題。在這里，質量檢查直接決定著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的其它材料，用以在上面製造出各種晶體管。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製造技術叫做CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconctors，互補式金屬氧化物半導體）技術，相信這個詞你經常見到。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」電路之間的關系：它們是互補的。 在電子學中，「N」和「P」分別是Negative和Positive的縮寫，用於表示極性。可以簡單的這么理解，在「N」型的基片上可以安裝「P」井製造「P」型的晶體管，而在「P」型基片上則可以安裝「N」井製造「N」型晶體管。在多數情況下，製造廠向晶圓里摻入相關材料以製造「P」基片，因為在「P」基片上能夠製造出具有更優良的性能，並且能有效的節省空間的「N」型晶體管；而這個過程中，製造廠會盡量避免產生「P」型晶體管。 接下來這塊晶圓將被送入一個高溫熔爐，當然這次我們不能再讓它熔化了。通過密切監控熔爐內的溫度、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，這也就是計算機使用二進制的原因。在Intel使用90納米工藝製造的CPU中，這層門電路只有5個原子那麼厚。 准備工作的最後一步是在晶圓上塗上一層光敏抗蝕膜，它具有光敏性，並且感光的部分能夠被特定的化學物質清洗掉，以此與沒有曝光的部分分離。 完成門電路 這是CPU製造過程中最復雜的一個環節，這次使用到的是光微刻技術。可以這么說，光微刻技術把對光的應用推向了極限。CPU製造商將會把晶圓上覆蓋的光敏抗蝕膜的特定區域曝光，並改變它們的化學性質。而為了避免讓不需要被曝光的區域也受到光的干擾，必須製作遮罩來遮蔽這些區域。想必你已經在Photoshop之類的軟體裡面認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並使用很大的鏡頭，也就是說，進行最好的聚焦，遮罩的邊緣依然會受到影響，可以簡單的想像成邊緣變模糊了。請注意我們現在討論的尺度，每一個遮罩都復雜到不可想像，如果要描述它，至少得用10GB的數據，而製造一塊CPU，至少要用到20個這樣的遮罩。對於任意一個遮罩，請嘗試想像一下北京市的地圖，包括它的郊區；然後將它縮小到一塊一平方厘米的小紙片上。最後，別忘了把每塊地圖都連接起來，當然，我說的不是用一條線連連那麼簡單。 當遮罩製作完成後，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。接下來停止光照並移除遮罩，使用特定的化學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。 當剩餘的光敏抗蝕膜也被去除之後，晶圓上留下了起伏不平的二氧化硅山脈，當然你不可能看見它們。接下來添加另一層二氧化硅，並加上了一層多晶硅，然後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，而以前這是用金屬製造而成的（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。然後，曝光的硅將被原子轟擊，以製造出N井或P井，結合上面製造的基片，門電路就完成了。 重復 可能你會以為經過上面復雜的步驟，一塊CPU就已經差不多製造完成了。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雜，那就是再次添加二氧化硅層，再次蝕刻，再次添加……重復多遍，形成一個3D的結構，這才是最終的CPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。Intel的Pentium 4處理器有7層，而AMD的Athlon 64則達到了9層。層數決定於設計時CPU的布局，以及通過的電流大小。 在經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核心的製造過程之後，該是看看製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，以檢查是否出了什麼差錯，以及這些差錯出現在哪個步驟（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，上面的測試里找到的無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。然後，多數主流的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，所以被標上了較低的頻率。最後，個別CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果問題出在緩存上（緩存佔CPU核心面積的一半以上），製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。 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，從這里或許我們可以理解，為什麼這東西賣這么貴了。