计算机芯片制造原理,从沙粒到芯片,原来CPU制造工序过程是这样的(视频)
【导语】CPU是计算机的心脏,它是决定计算机性能的最重要的部件。同样CPU也是现代社会飞速运转的动力源泉,在任何电子设备上都可以找到微芯片的身影。不过能完成复杂功能的CPU确是以沙子为原料做成的,不得不惊叹于人类的智慧!
(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300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。
【CPU制造工艺】它的先进与否决定了CPU的性能优劣。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。几乎每一次制作工艺的改进都能为CPU发展带来最强大的源动力,无论是Intel还是AMD,制作工艺都是发展蓝图中的重中之重。
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