CPU芯片到底有多难造

2025-02-07 04:45:26

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回答1：

芯片和CPU有什么不同?

芯片是“集成电路”的俗称。集成电路有模拟集成电路和数字集成电路，如果一片集成电路（芯片）中既有模拟电路又有数字电路，则称其为数模混合集成电路。

CPU是中央处理器，包含运算器和控制器，是数字电路。如果将运算器和控制器集成在一片集成电路上，就称之为微处理器。目前人们将中央处理器与微处理器已经混为一谈了。

因此，CPU是一种数字芯片，只是众多芯片中的一类。

CPU的制造是一项极为复杂的过程，当今世上只有少数几家厂商具备研发和生产CPU的能力。CPU的发展史也可以看作是制作工艺的发展史。

CPU（Centralprocessingunit）是现代计算机的核心部件，又称为“微处理器（Microprocessor）”。对于PC而言，CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。Intelx86架构已经经历了二十多个年头，而x86架构的CPU对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。

制造CPU的基本原料

如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU，那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器吗？

英特尔技术人员在半导体生产工厂内使用自动化测量工具，依据严格的质量标准对晶圆的制造进度进行监测。

除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属。目前为止，铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料，而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的，在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜。所谓电迁移问题，就是指当大量电子流过一段导体时，导体物质原子受电子撞击而离开原有位置，留下空位，空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置，会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用。这就是许多Northwood PenTIum 4换上SNDS（北木暴毕综合症）的原因，当发烧友们第一次给Northwood PenTIum 4超频就急于求成，大幅提高芯片电压时，严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪。这就是intel首次尝试铜互连技术的经历，它显然需要一些改进。不过另一方面讲，应用铜互连技术可以减小芯片面积，同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的速度也更快。

除了这两样主要的材料之外，在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料，它们起着不同的作用，这里不再赘述。

CPU 是怎么被制造出来的

（ 1 ）硅提纯

生产 CPU 等芯片的材料是半导体，现阶段主要的材料是硅 Si ，这是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。以往的硅锭的直径大都是 200 毫米，而 CPU 厂商正在增加 300 毫米晶圆的生产。

（ 2 ）切割晶圆

硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才被真正用于 CPU 的制造。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个 CPU 的内核（Die）。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的 CPU 成品就越多。

（ 3 ）影印（ Photolithography ）

在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻（Photoresist）物质，紫外线通过印制着 CPU 复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用 10GB 数据来描述。

（ 4 ）蚀刻（Etching）

这是 CPU 生产过程中重要操作，也是 CPU 工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

然后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出 N 井或 P 井，结合上面制造的基片， CPU 的门电路就完成了。

（ 5 ）重复、分层

为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍，形成一个 3D 的结构，这才是最终的 CPU 的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。 Intel 的 PenTIum 4 处理器有 7 层，而 AMD 的 Athlon 64 则达到了 9 层。层数决定于设计时 CPU 的布局，以及通过的电流大小。

（ 6 ）封装

这时的 CPU 是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同，但越高级的 CPU 封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

（ 7 ）多次测试

测试是一个 CPU 制造的重要环节，也是一块 CPU 出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤（如果可能的话）。接下来，晶圆上的每个 CPU 核心都将被分开测试。

由于 SRAM （静态随机存储器， CPU 中缓存的基本组成）结构复杂、密度高，所以缓存是 CPU 中容易出问题的部分，对缓存的测试也是 CPU 测试中的重要部分。

每块 CPU 将被进行完全测试，以检验其全部功能。某些 CPU 能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率;而有些 CPU 因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。最后，个别 CPU 可能存在某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存，这意味着这块 CPU 依然能够出售，只是它可能是 Celeron 等低端产品。

当 CPU 被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率和缓存的不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。

回答2：

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