CPU,，Central Processor Unit，中央處理器．
基本材料

　　多數(shù)人都知道,，現(xiàn)代的CPU是使用硅材料制成的,。硅是一種非金屬元素，從化學(xué)的角度來(lái)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,。從某種意義上說(shuō)，沙灘上的沙子的主要成分也是硅 （二氧化硅）,，而生產(chǎn)CPU所使用的硅材料,，實(shí)際上就是從沙子里面提取出來(lái)的。當(dāng)然,，CPU的制造過(guò)程中還要使用到一些其它的材料,，這也就是為什么我們不 會(huì)看到Intel或者AMD只是把成噸的沙子拉往他們的制造廠。同時(shí),，制造CPU對(duì)硅材料的純度要求極高,，雖然來(lái)源于廉價(jià)的沙子，但是由于材料提純工藝的 復(fù)雜,，我們還是無(wú)法將一百克高純硅和一噸沙子的價(jià)格相提并論,。

制造CPU的另一種基本材料是金屬。金屬被用于制造CPU內(nèi)部連接各個(gè)元件的電路,。鋁是常用的金屬材料之一,，因?yàn)樗畠r(jià)，而且性能不差,。而現(xiàn)今主流的 CPU大都使用了銅來(lái)代替鋁,，因?yàn)殇X的電遷移性太大，已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前飛速發(fā)展的CPU制造工藝的需要,。所謂電遷移,，是指金屬的個(gè)別原子在特定條件下（例 如高電壓）從原有的地方遷出。

　　很顯然,，如果不斷有原子從連接元件的金屬微電路上遷出,，電路很快就會(huì)變得千瘡百孔，直到斷路,。這也就是為什么超頻者嘗試對(duì)Northwood Pentium 4的電壓進(jìn)行大幅度提升時(shí),，這塊悲命的CPU經(jīng)常在“突發(fā)性Northwood死亡綜合癥（Sudden Northwood Death Syndrome,，SNDS）”中休克甚至犧牲的原因。SNDS使得Intel第一次將銅互連（Copper Interconnect）技術(shù)應(yīng)用到CPU的生產(chǎn)工藝中,。銅互連技術(shù)能夠明顯的減少電遷移現(xiàn)象，同時(shí)還能比鋁工藝制造的電路更小,，這也是在納米級(jí)制造工 藝中不可忽視的一個(gè)問(wèn)題,。

不僅僅如此，銅比鋁的電阻還要小得多,。種種優(yōu)勢(shì)讓銅互連工藝迅速取代了鋁的位置，成為CPU制造的主流之選,。除了硅和一定的金屬材料之外,，還有很多復(fù)雜的化學(xué)材料也參加了CPU的制造工作,。

準(zhǔn)備工作

　　解決制造CPU的材料的問(wèn)題之后,，我們開(kāi)始進(jìn)入準(zhǔn)備工作。在準(zhǔn)備工作的過(guò)程中,，一些原料將要被加工,，以便使其電氣性能達(dá)到制造CPU的要求,。其一就是 硅,。首先，它將被通過(guò)化學(xué)的方法提純,，純到幾乎沒(méi)有任何雜質(zhì),。同時(shí)它還得被轉(zhuǎn)化成硅晶體,，從本質(zhì)上和海灘上的沙子劃清界限。

　　在這個(gè)過(guò)程中,，原材料硅將被熔化,，并放進(jìn)一個(gè)巨大的石英熔爐,。這時(shí)向熔爐里放入一顆晶種,，以便硅晶體圍著這顆晶種生長(zhǎng)，直到形成一個(gè)幾近完美的單晶 硅,。如果你在高中時(shí)把硫酸銅結(jié)晶實(shí)驗(yàn)做的很好,，或者看到過(guò)單晶冰糖是怎么制造的，相信這個(gè)過(guò)程不難理解,。同時(shí)你需要理解的是，很多固體物質(zhì)都具有晶體結(jié) 構(gòu),，例如食鹽。CPU制造過(guò)程中的硅也是這樣,。小心而緩慢的攪拌硅的熔漿,，硅晶體包圍著晶種向同一個(gè)方向生長(zhǎng),。最終,，一塊硅錠產(chǎn)生了,。

　　現(xiàn)在的硅錠的直徑大都是200毫米,，而CPU廠商正在準(zhǔn)備制造300毫米直徑的硅錠。在確保質(zhì)量不變的前提下制造更大的硅錠難度顯然更大,，但CPU廠 商的投資解決了這個(gè)技術(shù)難題,。建造一個(gè)生產(chǎn)300毫米直徑硅錠的制造廠大約需要35億美元,，Intel將用其產(chǎn)出的硅材料制造更加復(fù)雜的CPU,。而建造一 個(gè)相似的生產(chǎn)200毫米直徑硅錠的制造廠只要15億美元,。作為第一個(gè)吃螃蟹的人,，Intel顯然需要付出更大的代價(jià),?；▋杀抖嗟腻X建造這樣一個(gè)制造廠似乎 很劃不來(lái),，但從下文可以看出,，這個(gè)投資是值得的。硅錠的制造方法還有很多,，上面介紹的只是其中一種,，叫做CZ制造法。

　　硅錠造出來(lái)了,，并被整型成一個(gè)完美的圓柱體,，接下來(lái)將被切割成片狀，稱為晶圓,。晶圓才被真正用于CPU的制造,。一般來(lái)說(shuō),，晶圓切得越薄,，相同量的硅材 料能夠制造的CPU成品就越多,。接下來(lái)晶圓將被磨光，并被檢查是否有變形或者其它問(wèn)題,。在這里，質(zhì)量檢查直接決定著CPU的最終良品率,，是極為重要的,。
沒(méi)有問(wèn)題的晶圓將被摻入適當(dāng)?shù)钠渌牧希靡栽谏厦嬷圃斐龈鞣N晶體管,。摻入的材料沉積在硅原子之間的縫隙中,。目前普遍使用的晶體管制造技術(shù)叫做 CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductors，互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù),，相信這個(gè)詞你經(jīng)常見(jiàn)到,。簡(jiǎn)單的 解釋一下,，CMOS中的C（Complementary）是指兩種不同的MOS電路“N”電路和“P”電路之間的關(guān)系：它們是互補(bǔ)的。

在電子學(xué)中,，“N”和“P”分別是Negative和Positive的縮寫(xiě),，用于表示極性?？梢院?jiǎn)單的這么理解，在“N”型的基片上可以安裝“P”井制 造“P”型的晶體管,，而在“P”型基片上則可以安裝“N”井制造“N”型晶體管。在多數(shù)情況下,，制造廠向晶圓里摻入相關(guān)材料以制造“P”基片，因?yàn)樵? “P”基片上能夠制造出具有更優(yōu)良的性能,，并且能有效的節(jié)省空間的“N”型晶體管；而這個(gè)過(guò)程中,，制造廠會(huì)盡量避免產(chǎn)生“P”型晶體管。

接下來(lái)這塊晶圓將被送入一個(gè)高溫熔爐,，當(dāng)然這次我們不能再讓它熔化了。通過(guò)密切監(jiān)控熔爐內(nèi)的溫度,、壓力和加熱時(shí)間，晶圓的表面將被氧化成一層特定厚度的二 氧化硅（SiO2）,，作為晶體管門(mén)電路的一部分—基片,。如果你學(xué)過(guò)邏輯電路之類的，你一定會(huì)很清楚門(mén)電路這個(gè)概念,。通過(guò)門(mén)電路,，輸入一定的電平將得到一定 的輸出電平，輸出電平根據(jù)門(mén)電路的不同而有所差異,。電平的高低被形象的用0和1表示,，這也就是計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制的原因。在Intel使用90納米工藝制造 的CPU中,，這層門(mén)電路只有5個(gè)原子那么厚,。

準(zhǔn)備工作的最后一步是在晶圓上涂上一層光敏抗蝕膜,，它具有光敏性,，并且感光的部分能夠被特定的化學(xué)物質(zhì)清洗掉,，以此與沒(méi)有曝光的部分分離,。

完成門(mén)電路

這是CPU制造過(guò)程中最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，這次使用到的是光微刻技術(shù),?？梢赃@么說(shuō)，光微刻技術(shù)把對(duì)光的應(yīng)用推向了極限,。CPU制造商將會(huì)把晶圓上覆蓋的光敏 抗蝕膜的特定區(qū)域曝光,，并改變它們的化學(xué)性質(zhì),。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(lái)遮蔽這些區(qū)域。想必你已經(jīng)在 Photoshop之類的軟件里面認(rèn)識(shí)到了遮罩這個(gè)概念,，在這里也大同小異,。

在這里，即使使用波長(zhǎng)很短的紫外光并使用很大的鏡頭,，也就是說(shuō),，進(jìn)行最好的聚焦,，遮罩的邊緣依然會(huì)受到影響,，可以簡(jiǎn)單的想象成邊緣變模糊了,。請(qǐng)注意我們現(xiàn) 在討論的尺度,，每一個(gè)遮罩都復(fù)雜到不可想象，如果要描述它,，至少得用10GB的數(shù)據(jù)，而制造一塊CPU,，至少要用到20個(gè)這樣的遮罩,。對(duì)于任意一個(gè)遮罩， 請(qǐng)嘗試想象一下北京市的地圖,，包括它的郊區(qū),；然后將它縮小到一塊一平方厘米的小紙片上。最后,，別忘了把每塊地圖都連接起來(lái),，當(dāng)然，我說(shuō)的不是用一條線連連 那么簡(jiǎn)單,。

當(dāng)遮罩制作完成后,，它們將被覆蓋在晶圓上,，短波長(zhǎng)的光將透過(guò)這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上,，使之曝光。接下來(lái)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,。

當(dāng)剩余的光敏抗蝕膜也被去除之后,，晶圓上留下了起伏不平的二氧化硅山脈，當(dāng)然你不可能看見(jiàn)它們,。接下來(lái)添加另一層二氧化硅,，并加上了一層多晶硅，然后再覆 蓋一層光敏抗蝕膜,。多晶硅是上面提到的門(mén)電路的另一部分,，而以前這是用金屬制造而成的（即CMOS里的M：Metal）。光敏抗蝕膜再次被蓋上決定這些多 晶硅去留的遮罩,，接受光的洗禮,。然后，曝光的硅將被原子轟擊,，以制造出N井或P井,，結(jié)合上面制造的基片，門(mén)電路就完成了,。

重復(fù)

可能你會(huì)以為經(jīng)過(guò)上面復(fù)雜的步驟,，一塊CPU就已經(jīng)差不多制造完成了。實(shí)際上,，到這個(gè)時(shí)候,，CPU的完成度還不到五分之一。接下來(lái)的步驟與上面所說(shuō)的一樣 復(fù)雜,，那就是再次添加二氧化硅層,，再次蝕刻,，再次添加……重復(fù)多遍，形成一個(gè)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Pentium4處理器有7層,，而AMD的Athlon64則達(dá)到了9層,。層數(shù)決定于設(shè)計(jì)時(shí)CPU的布局，以及通過(guò)的電流大小,。
測(cè)試,、測(cè)試和測(cè)試

在經(jīng)過(guò)幾個(gè)星期的從最初的晶圓到一層層硅、金屬和其它材料的CPU核心的制造過(guò)程之后,，該是看看制造出來(lái)的這個(gè)怪物的時(shí)候了,。這一步將測(cè)試晶圓的電氣性 能，以檢查是否出了什么差錯(cuò),，以及這些差錯(cuò)出現(xiàn)在哪個(gè)步驟（如果可能的話）,。接下來(lái)，晶圓上的每個(gè)CPU核心都將被分開(kāi)（不是切開(kāi)）測(cè)試,。

通過(guò)測(cè)試的晶圓將被切分成若干單獨(dú)的CPU核心,，上面的測(cè)試?yán)镎业降臒o(wú)效的核心將被放在一邊。接下來(lái)核心將被封裝,，安裝在基板上,。然后，多數(shù)主流的CPU 將在核心上安裝一塊集成散熱反變形片（IntegratedHeatSpreader,，IHS）,。每塊CPU將被進(jìn)行完全測(cè)試，以檢驗(yàn)其全部功能,。某些 CPU能夠在較高的頻率下運(yùn)行,，所以被標(biāo)上了較高的頻率；而有些CPU因?yàn)榉N種原因運(yùn)行頻率較低,，所以被標(biāo)上了較低的頻率,。最后，個(gè)別CPU可能存在某些 功能上的缺陷,，如果問(wèn)題出在緩存上（緩存占CPU核心面積的一半以上）,，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,，可能是Sempron,，或者是其它的了,。

當(dāng)CPU被放進(jìn)包裝盒之前,，一般還要進(jìn)行最后一次測(cè)試，以確保之前的工作準(zhǔn)確無(wú)誤,。根據(jù)前面確定的最高運(yùn)行頻率不同,，它們被放進(jìn)不同的包裝，銷往世界各地,。

讀完這些,，相信你已經(jīng)對(duì)CPU的制造流程有了一些比較深入的認(rèn)識(shí)。CPU的制造,，可以說(shuō)是集多方面尖端科學(xué)技術(shù)之大成,，CPU本身也就那么點(diǎn)大，如果把里 面的材料分開(kāi)拿出來(lái)賣,，恐怕賣不了幾個(gè)錢,。然而CPU的制造成本是非常驚人的，從這里或許我們可以理解,，為什么這東西賣這么貴了,。




這里在說(shuō)一下整體的步驟：
１．切割晶圓
　　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(gè)細(xì)小的區(qū)域,，每個(gè)區(qū)域都將成為一個(gè)CPU的內(nèi)核(Die),。

2.影印（Photolithography）
    在經(jīng)過(guò)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(guò)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。

3.蝕刻(Etching)
　　用溶劑將被紫外線照射過(guò)的光阻物清除,，然后再采用化學(xué)處理方式,，把沒(méi)有覆蓋光阻物質(zhì)部分的硅氧化物層蝕刻掉。然后把所有光阻物質(zhì)清除,，就得到了有溝槽的硅基片,。

4.分層
　　為加工新的一層電路，再次生長(zhǎng)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(guò)程,，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結(jié)構(gòu)。

5.離子注入(IonImplantation)
　　通過(guò)離子轟擊,，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)，形成門(mén)電路。接下來(lái)的步驟就是不斷重復(fù)以上的過(guò)程,。一個(gè)完整的CPU內(nèi)核包含 大約20層,，層間留出窗口，填充金屬以保持各層間電路的連接,。完成最后的測(cè)試工作后,，切割硅片成單個(gè)CPU核心并進(jìn)行封裝，一個(gè)CPU便制造出來(lái)了,。