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從沙粒到芯片,原來CPU制造工序過程是這樣的(視頻)

  發(fā)布時間:2015-06-10 16:17:48   作者:佚名   我要評論
能完成復(fù)雜功能的CPU確是以沙子為原料做成的,不得不驚嘆于人類的智慧

【導(dǎo)語】CPU是計算機(jī)的心臟,它是決定計算機(jī)性能的最重要的部件。同樣CPU也是現(xiàn)代社會飛速運轉(zhuǎn)的動力源泉,在任何電子設(shè)備上都可以找到微芯片的身影。不過能完成復(fù)雜功能的CPU確是以沙子為原料做成的,不得不驚嘆于人類的智慧!

(1) 硅提純

生產(chǎn)CPU等芯片的材料是半導(dǎo)體,現(xiàn)階段主要的材料是硅Si,這是一種非金屬元素,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。

在硅提純的過程中,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。以往的硅錠的直徑大都是300毫米,而CPU廠商正在增加300毫米晶圓的生產(chǎn)。

(2)切割晶圓

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。所謂的“切割晶圓”也就是用機(jī)器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規(guī)格的硅晶片,并將其劃分成多個細(xì)小的區(qū)域,每個區(qū)域都將成為一個CPU的內(nèi)核(Die)。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。

(3)影?。≒hotolithography)

在經(jīng)過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻(Photoresist)物質(zhì),紫外線通過印制著CPU復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)圖樣的模板照射硅基片,被紫外線照射的地方光阻物質(zhì)溶解。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。這是個相當(dāng)復(fù)雜的過程,每一個遮罩的復(fù)雜程度得用10GB數(shù)據(jù)來描述。

(4)蝕刻(Etching)

這是CPU生產(chǎn)過程中重要操作,也是CPU工業(yè)中的重頭技術(shù)。蝕刻技術(shù)把對光的應(yīng)用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光并配合很大的鏡頭。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。

然后,曝光的硅將被原子轟擊,使得暴露的硅基片局部摻雜,從而改變這些區(qū)域的導(dǎo)電狀態(tài),以制造出N井或P井,結(jié)合上面制造的基片,CPU的門電路就完成了。

(5)重復(fù)、分層

為加工新的一層電路,再次生長硅氧化物,然后沉積一層多晶硅,涂敷光阻物質(zhì),重復(fù)影印、蝕刻過程,得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結(jié)構(gòu)。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。

(6)封裝

這時的CPU是一塊塊晶圓,它還不能直接被用戶使用,必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中,這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結(jié)構(gòu)各有不同,但越高級的CPU封裝也越復(fù)雜,新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩(wěn)定性的提升,并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎(chǔ)。

(7)多次測試

測試是一個CPU制造的重要環(huán)節(jié),也是一塊CPU出廠前必要的考驗。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核心都將被分開測試。

由于SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲器,CPU中緩存的基本組成)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密度高,所以緩存是CPU中容易出問題的部分,對緩存的測試也是CPU測試中的重要部分。

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,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等低端產(chǎn)品。

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和緩存的不同,它們被放進(jìn)不同的包裝,銷往世界各地。

【CPU制造工藝】它的先進(jìn)與否決定了CPU的性能優(yōu)劣。CPU的制造是一項極為復(fù)雜的過程,當(dāng)今世上只有少數(shù)幾家廠商具備研發(fā)和生產(chǎn)CPU的能力。CPU的發(fā)展史也可以看作是制作工藝的發(fā)展史。幾乎每一次制作工藝的改進(jìn)都能為CPU發(fā)展帶來最強(qiáng)大的源動力,無論是Intel還是AMD,制作工藝都是發(fā)展藍(lán)圖中的重中之重。

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