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CPU 它是如何制作的？高清图解
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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实在太小，太精密，里面组成了数目相当多的晶体管，所以人手是绝对不可能完成的，只能够通过光刻工艺来进行加工的。
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，即0和1。那么你将如何制作一个呢？CPU呢？在今天的文章中，我们将一步一步地告诉你中央处理器从一堆沙子到一个强大的集成电路芯片的整个过程。
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，整个硅原料必须高度纯净和单晶硅。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，硅锭圆截面的直径为200mm。
不过现在intel其他公司已经开始使用直径300毫米的硅锭。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开发和生产300毫米硅锭的工厂花费了约35亿美元，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。200毫米硅锭的工厂也花费了15亿美元
制作硅锭并确保它是一个绝对的圆柱体后，下一步是切割圆柱体硅锭。切片越薄，材料越经济，自然可以生产的处理器芯片就越多。切片还需要镜面加工，以确保表面绝对光滑，然后检查是否有扭曲或其他问题。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)。
互补一词表示半导体N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用。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型衬底，其上刻画的逻辑电路应遵循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型晶体管的出现，因为在制造过程的后期，需要将N型材料植入P型衬底，这将导致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在90纳米制造过程中，门氧化物的宽度小到惊人的5个原子厚度。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？光刻蚀过程就是使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。晶圆上的污点也会影响刻蚀过程。刻蚀的每一步都是一个复杂而精细的过程。
每一步设计所需的数据量可使用10GB单位计量，制造每个处理器所需的蚀刻步骤超过20步（每步一层蚀刻）。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郊区的地图更复杂。想象一下，如果把整个纽约地图缩小到实际面积只有100平方毫米的芯片上，可以想象芯片的结构有多复杂。
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中空痕迹照射到晶圆的感光层上，然后去除光和模板。通过化学方法去除暴露在外部的感光层材料，二氧化硅立即在不良空间位置下产生。
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，添加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。再经过一部刻蚀，所需的全部门电路就已经基本成型了。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。没有晶体管有输入端和输出端，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处理器采用7层金属连接，Athlon64采用9层，使用的层数取决于最初的布局设计，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。
成品处理器完成后，还应进行全面的芯片功能检测。这部分会产生不同级别的产品，有些芯片运行频率相对较高，所以高频产品的名称和号码，而那些运行频率相对较低的芯片进行改造，其他芯片频率型号。这就是不同市场定位的处理器。而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处。比如它在缓存功能上有缺陷（这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪），那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量，降低了性能，当然也就降低了产品的售价，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。
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