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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(duì)于PC而言，CPU的規(guī)格與頻率常常被用來(lái)作為衡量一臺(tái)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(duì)我們大多數(shù)人的工作、生活影響頗為深遠(yuǎn)。 許多對(duì)電腦知識(shí)略知一二的朋友大多會(huì)知道CPU里面最重要的東西就是晶體管了，提高CPU的速度，最重要的一點(diǎn)說(shuō)白了就是如何在相同的CPU面積里面放進(jìn)去更加多的晶體管，由于CPU實(shí)在太小，太精密，里面組成了數(shù)目相當(dāng)多的晶體管，所以人手是絕對(duì)不可能完成的，只能夠通過(guò)光刻工藝來(lái)進(jìn)行加工的。這就是為什么一塊CPU里面為什么可以數(shù)量如此之多的晶體管。晶體管其實(shí)就是一個(gè)雙位的開(kāi)關(guān)：即開(kāi)和關(guān)。如果您回憶起基本計(jì)算的時(shí)代，那就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行工作的全部。兩種選擇，開(kāi)和關(guān)，對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)即0和1。那么您將如何制作一個(gè)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(gè)功能強(qiáng)大的集成電路芯片的全過(guò)程。本文僅是讓大家對(duì)CPU制作過(guò)程有一個(gè)比較詳細(xì)的了解，這樣小編的任務(wù)也就完成了。 ● 制造CPU的基本原料 如果問(wèn)及CPU的原料是什么，大家都會(huì)輕而易舉的給出答案—是硅。這是不假，但硅又來(lái)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(lái)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(guò)程才行。不過(guò)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(chǔ)量充足的原料做成CPU，那么成品的質(zhì)量會(huì)怎樣，你還能用上像現(xiàn)在這樣高性能的處理器嗎？ 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(wèn)題，就是指當(dāng)大量電子流過(guò)一段導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體物質(zhì)原子受電子撞擊而離開(kāi)原有位置，留下空位，空位過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體連線斷開(kāi)，而離開(kāi)原位的原子停留在其它位置，會(huì)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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制造的準(zhǔn)備階段 在必備原材料的采集工作完畢之后，這些原材料中的一部分需要進(jìn)行一些預(yù)處理工作。而作為最主要的原料，硅的處理工作至關(guān)重要。首先，硅原料要進(jìn)行化學(xué)提純，這一步驟使其達(dá)到可供半導(dǎo)體工業(yè)使用的原料級(jí)別。而為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過(guò)溶化硅原料，然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器而完成的。 而后，將原料進(jìn)行高溫溶化。中學(xué)化學(xué)課上我們學(xué)到過(guò)，許多固體內(nèi)部原子是晶體結(jié)構(gòu)，硅也是如此。為了達(dá)到高性能處理器的要求，整塊硅原料必須高度純凈，及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出，此時(shí)一個(gè)圓柱體的硅錠就產(chǎn)生了。從目前所使用的工藝來(lái)看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。不過(guò)現(xiàn)在intel和其它一些公司已經(jīng)開(kāi)始使用300毫米直徑的硅錠了。在保留硅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(dāng)?shù)碾y度的，不過(guò)只要企業(yè)肯投入大批資金來(lái)研究，還是可以實(shí)現(xiàn)的。intel為研制和生產(chǎn)300毫米硅錠而建立的工廠耗費(fèi)了大約35億美元，新技術(shù)的成功使得intel可以制造復(fù)雜程度更高，功能更強(qiáng)大的集成電路芯片。而200毫米硅錠的工廠也耗費(fèi)了15億美元。下面就從硅錠的切片開(kāi)始介紹CPU的制造過(guò)程。 在制成硅錠并確保其是一個(gè)絕對(duì)的圓柱體之后，下一個(gè)步驟就是將這個(gè)圓柱體硅錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來(lái)確保表面絕對(duì)光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問(wèn)題。這一步的質(zhì)量檢驗(yàn)尤為重要，它直接決定了成品CPU的質(zhì)量。 新的切片中要摻入一些物質(zhì)而使之成為真正的半導(dǎo)體材料，而后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。摻入的物質(zhì)原子進(jìn)入硅原子之間的空隙，彼此之間發(fā)生原子力的作用，從而使得硅原料具有半導(dǎo)體的特性。今天的半導(dǎo)體制造多選擇CMOS工藝（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）。其中互補(bǔ)一詞表示半導(dǎo)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(fù)極和正極。多數(shù)情況下，切片被摻入化學(xué)物質(zhì)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(lái)設(shè)計(jì)，這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節(jié)能。同時(shí)在多數(shù)情況下，必須盡量限制pMOS型晶體管的出現(xiàn)，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程的后期，需要將N型材料植入P型襯底當(dāng)中，而這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致pMOS管的形成。 在摻入化學(xué)物質(zhì)的工作完成之后，標(biāo)準(zhǔn)的切片就完成了。然后將每一個(gè)切片放入高溫爐中加熱，通過(guò)控制加溫時(shí)間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過(guò)密切監(jiān)測(cè)溫度，空氣成分和加溫時(shí)間，該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中，門(mén)氧化物的寬度小到了驚人的5個(gè)原子厚度。這一層門(mén)電路也是晶體管門(mén)電路的一部分，晶體管門(mén)電路的作用是控制其間電子的流動(dòng)，通過(guò)對(duì)門(mén)電壓的控制，電子的流動(dòng)被嚴(yán)格控制，而不論輸入輸出端口電壓的大小。 準(zhǔn)備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個(gè)感光層。這一層物質(zhì)用于同一層中的其它控制應(yīng)用。這層物質(zhì)在干燥時(shí)具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過(guò)程結(jié)束之后，能夠通過(guò)化學(xué)方法將其溶解并除去。 |
