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CPU 它是现代计算机的核心部件，也被称为微处理器。 PC 而言，CPU 规格和频率常被用作衡量计算机性能的重要指标。Intelx86 架构已经经历了20多年， x86 架构的 CPU 对我们大多数人的工作和生活有着深远的影响。
大多数对计算机知识略知一二的朋友都会知道 CPU 最重要的是晶体管。 CPU 说白了，速度最重要的一点就是怎么一样。 CPU 更多的晶体管体管面积内，因为 CPU 它太小太精确，形成了大量的晶体管，所以绝对不可能手工完成，只能通过光刻工艺加工。
这就是为什么一块 CPU 为什么里面能有这么多晶体管？晶体管实际上是一个双位开关：即开关。如果你回忆起基本计算的时代，那就是计算机需要做的一切。对于机器来说，两种选择是开和关 0 和 1。那么你将如何制作一个呢？ CPU 呢？在今天的文章中，我们将一步一步的为您讲述中央处理器从一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。
如果问及 CPU 每个人都很容易回答什么是原材料——硅。这是真的，但硅从何而来？其实是最不起眼的沙子。难以想象，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满神秘感 CPU 来自一文不值的沙子。当然，必须经历一个复杂的制造过程。但不能随便抓一把沙子做原料，一定要精心挑选，从中提取出最纯净的硅原料。想象一下，如果用最便宜、储量最充足的原料制成 CPU，那么成品的质量如何，你还能用现在这样高性能的处理器吗？
除硅外，制造 CPU 金属也是一种重要的材料。到目前为止，铝已经成为处理器内部配件的主要金属材料，铜已经逐渐被淘汰，这是有一些原因的 CPU 在工作电压下，铝的电迁移特性明显优于铜。所谓的电迁移问题，是指当大量电子通过导体时，导体材料原子受电子冲击离开原位置，留下空位，空位过多会导致导体连接断开，离开原子停留在其他位置，会导致短路，影响芯片的逻辑功能，导致芯片无法使用。
除了这两种主要材料外，芯片设计过程中还需要一些化学原料，起着不同的作用，这里就不赘述了。
在收集必要的原材料后，这些原材料的一部分需要进行预处理。硅的处理作为最重要的原料，非常重要。首先，硅原料应进行化学净化，使其达到半导体工业可用的原料水平。为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要，还必须通过溶解硅原料，然后将液体硅注入大型高温石英容器来完成整形手术。
然后，在高温下溶解原材料。我们在中学化学课上学到，固体内的许多原子都是晶体结构，硅也是如此。为了满足高性能处理器的要求，整个硅原料必须是高纯度和单晶硅。然后从高温容器中取出硅原料，然后产生圆柱体硅锭。从目前的工艺来看，硅锭圆截面的直径是 200 毫米。
不过现在 intel 其他公司已经开始使用 300 硅锭直径为毫米。在保持硅锭各种特性不变的情况下，很难增加横截面面积，但只要企业愿意投入大量资金进行研究，仍然可以实现。intel 为研制和生产 300 毫米硅锭建造的工厂消耗了大约 35 1亿美元，新技术的成功使 intel 集成电路芯片可以制造更复杂、更强大的功能。而 200 毫米硅锭的工厂也消耗了 15 亿美元
在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑，之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要，它直接决定了成品 CPU 的质量。
在新的切片中加入一些物质，使其成为真正的半导体材料，然后在其上刻制代表各种逻辑功能的晶体管电路。混合物质原子进入硅原子之间的间隙，相互作用，使硅原子具有半导体的特性。今天的半导体制造更多的选择CMOS工艺(互补金属氧化物半导体)。
其中互补一词表示半导体中 N 型 MOS 管和 P 型 MOS 管道之间的互动。而 N 和 P 负极和正极分别代表电子工艺。在大多数情况下，切片与化学物质混合形成 P 类型衬底，其上刻划的逻辑电路应遵循 nMOS 设计电路的特点，这种类型的晶体管空间利用率更高，更节能。同时，在大多数情况下，必须尽可能限制 pMOS 由于在制造过程的后期，需要植入N型材料 P 这个过程会导致个过程会导致 pMOS 管的形成。
混合化学物质后，完成标准切片。然后将每个切片放入高温炉中加热，通过控制加热时间，使切片表面形成二氧化硅膜。二氧化硅层的厚度可以通过密切监测温度、空气成分和加热时间来控制。在 intel 的 90 在纳米制造过程中，门氧化物的宽度非常小 5 原子厚度。这层门电路也是晶体管门电路的一部分。晶体管门电路的作用是控制电子流量。无论输入输出端口电压的大小，都严格控制电子流量。
准备工作的最后一个过程是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。该物质用于同一层的其他控制应用。该物质在干燥过程中具有良好的光敏效果，在光蚀过程结束后可以通过化学方法溶解和去除。
这是目前的 CPU 制造过程中一个非常复杂的步骤，为什么要这么说？光刻蚀过程是利用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕， 这改变了材料的化学特性。该技术对所用光的波长要求非常严格，需要短波长紫外线和大曲率透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。刻蚀的每一步都是一个复杂而精细的过程。
可以使用设计每个步骤所需的数据量 10GB 计量单位，制造每个处理器所需的蚀刻步骤超过 20 步骤(每一步刻蚀一层)。而且，如果每一层刻蚀的图纸放大很多倍，可以比整个纽约市外和郊区的地图更复杂。想象一下，只有将整个纽约地图缩小到实际面积 100 可以想象这个芯片的结构在一个平方毫米的芯片上有多复杂。
当所有这些蚀刻工作完成后，晶圆被翻转。短波长光通过石英模板上的镂空痕迹照射到晶圆的感光层上，然后去除光线和模板。通过化学方法去除暴露在外的感光层物质，二氧化硅立即在镂空位置下产生。
去除残留的感光层物质后，剩余的是充满沟壑的二氧化硅和暴露在该层下方的硅。这一步之后，制作了另一层二氧化硅。然后，加入另一个带有感光层的多晶硅层。多晶硅是另一种门电路。多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用前建立门电路，因为这里使用了金属原料(因此称为金属氧化物半导体)。短波长光通过掩模蚀刻感光层。经过一次刻蚀，所需的所有部门电路基本成型。然后，通过化学方式对暴露在外的硅层进行离子轰击，目的是生成N沟或P沟。混合过程创建了所有晶体管和相互电路连接，每个晶体管都有输入端和输出端，两端之间称为端口。
从这一步开始，您将继续添加层次，添加二氧化硅层，然后光刻一次。重复这些步骤，然后出现多层立体结构，这是你目前使用的处理器的萌芽状态。层间导电连接采用金属涂膜技术。今天的 P4 采用处理器 7 和 Athlon64 使用了 9 层数取决于最初的布局设计，并不直接代表最终产品的性能差异。
在接下来的几周里，有必要对晶圆进行一个接一个的测试，包括测试晶圆的电学特性，看看是否有逻辑错误，如果有，出现在哪一层等等。然后，晶圆上的每个有问题的芯片单元将单独测试，以确定芯片是否需要特殊处理。
然后，整个晶圆被切割成独立的处理器芯片单元。在初始测试中，不合格的单元将被遗弃。这些切割的芯片单元将以某种方式包装，以便它们能够顺利地插入接口规格的主板。 intel 和 AMD 处理器将覆盖散热层。
处理器成品完成后，应进行全方位的芯片功能检测。这一步将产生不同级别的产品。有些芯片运行频率相对较高，因此使用高频产品的名称和编号，而那些运行频率相对较低的芯片进行改造，用其他低频型号。这是不同市场定位的处理器。还有一些处理器存在一些缺陷。例如，它在缓存功能上有缺陷（这足以导致绝大多数缺陷） CPU 瘫痪)，然后他们会被一些缓存容量屏蔽，降低性能，当然也会降低产品的价格，这就是 Celeron 和 Sempron 的由来。
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不同，它们被放进不同的包装，销 往世界各地。
读完这些，相信你已经对 CPU 的制造流程有了一些比较深入的认识。CPU 的制造，可以说是集多方面尖端科学技术之大成，CPU 本身也就那么点 大，如果 把里面的材料分开拿出来卖，恐怕卖不了几个钱。然而 CPU 的制造成本是非常惊人的，从这里或许我们可以理解，为什么这东西卖这么贵了。
在测试这个环节很重要，比如你的处理器是 6300 还是 6400 就会在这个环节被划分，而 6300 天生并不是 6300，而是在测试之后，发现处理器不能稳定的在 6400 标准下工作，只能在6300标准下稳定工作，于是对处理器定义，锁频，定义 ID，封装，印上6300。
我们用 AMD 的来举例：同样核心的处理器都是一个生产线下来的，如果稳定工作在 2.8GHz，1M*2 的缓 存下，就被定义为 5600+，如果缓存有瑕疵，切割有问题的那一半，成为 5400+，如果缓存没问题而频率只能在 2.6G 通过测试，那么就是5200+， 如果缓存有瑕疵，就切割成为 5000+…………一直把它测到3800+，如果还不稳定，要么想办法变成速龙 64 单核或者单核闪龙，或者就是出现过的 ES 版 的双核闪龙，如果出现批量不能工作在 3800+ 条件下，而工作在 3600+ 条件下，那么 3600+ 就上市了，如果出现批量能工作在 3G，1M*2 条件下， 那么 6000+ 就上市了，这就是为什么处理器总是中等型号的先上市，高端和底端的后上市，当然后期工厂可能会节约成本专门开出底端的流水线，专门生产底端 处理器、赛扬、闪龙的各种型号就相继上市，而高端的流水线因为个别处理器不稳定转变为底端处理器，例如将速龙 64 缓存切割就变为闪龙 64。
沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含 25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。
硅熔炼：12英寸/300 毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂 质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。
单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约 100 千克，硅纯度 99.9999％。
硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆 (Wafer)。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧？
晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，Intel 自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成 品，然后利用自己的生产线进一步加工，比如现在主流的 45nm HKMG(高K金属栅极)。值得一提的是，Intel 公司创立之初使用的晶圆尺寸只有 2英寸/50毫米
光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。
光刻：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预 先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。
光刻：由此进入 50-200 纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部 件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约 3000 万个。
溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致
蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。
清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。
光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。
离子注入(Ion Implantation)：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区 域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。
清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。
晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。
电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。
铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。
抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。
金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约 500 纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看 起来异常平滑，但事实上可能包含 20 多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。
晶圆测试：内核级别，大约 10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。
晶圆切片(Slicing)：晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。
丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。
单个内核：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是 Core i7 的核心。
封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内 核提供电气与机械界面，便于与 PC 系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。
等级测试：最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如适合做成最高端的 Core i7-975 Extreme，还是低端型号 Core i7-920。
装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。
零售包装：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给 OEM 厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。
本文转载自：「人人都是极客」，版权归原作者所有。欢迎投稿，投稿邮箱: editor@hi-linux.com。
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