Question

CPU都是什么材料组成的？

Answer 1

好像是半导体单晶硅吧！针脚是金属还含有金！！！！\x0d\x0a作为计算机的核心组件，CPU（Central Processor Unit，中央处理器）在用户的心中一直是十分神秘的：在多数用户的心目中，它都只是一个名词缩写，他们甚至连它的全写都拚不出来；在一些硬件高手的眼里，CPU也至多是一块十余平方厘米，有很多脚的块块儿，而CPU的核心部分甚至只有不到一平方厘米大。他们知道这块不到一平方厘米大的玩意儿是用多少微米工艺制成的，知道它集成了几亿几千万晶体管，但鲜有了解CPU的制造流程者。今天，就让我们来详细的了解一下，CPU是怎样练成的。\x0d\x0a\x0d\x0a　　基本材料\x0d\x0a\x0d\x0a　　多数人都知道，现代的CPU是使用硅材料制成的。硅是一种非金属元素，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。从某种意义上说，沙滩上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅），而生产CPU所使用的硅材料，实际上就是从沙子里面提取出来的。当然，CPU的制造过程中还要使用到一些其它的材料，这也就是为什么我们不会看到Intel或者AMD只是把成吨的沙子拉往他们的制造厂。同时，制造CPU对硅材料的纯度要求极高，虽然来源于廉价的沙子，但是由于材料提纯工艺的复杂，我们还是无法将一百克高纯硅和一吨沙子的价格相提并论。\x0d\x0a\x0d\x0a　　制造CPU的另一种基本材料是金属。金属被用于制造CPU内部连接各个元件的电路。铝是常用的金属材料之一，因为它廉价，而且性能不差。而现今主流的CPU大都使用了铜来代替铝，因为铝的电迁移性太大，已经无法满足当前飞速发展的CPU制造工艺的需要。所谓电迁移，是指金属的个别原子在特定条件下（例如高电压）从原有的地方迁出。\x0d\x0a\x0d\x0a　　很显然，如果不断有原子从连接元件的金属微电路上迁出，电路很快就会变得千疮百孔，直到断路。这也就是为什么超频者尝试对Northwood Pentium 4的电压进行大幅度提升时，这块悲命的CPU经常在“突发性Northwood死亡综合症（Sudden Northwood Death Syndrome，SNDS）”中休克甚至牺牲的原因。SNDS使得Intel第一次将铜互连（Copper Interconnect）技术应用到CPU的生产工艺中。铜互连技术能够明显的减少电迁移现象，同时还能比铝工艺制造的电路更小，这也是在纳米级制造工艺中不可忽视的一个问题。\x0d\x0a\x0d\x0a　　不仅仅如此，铜比铝的电阻还要小得多。种种优势让铜互连工艺迅速取代了铝的位置，成为CPU制造的主流之选。除了硅和一定的金属材料之外，还有很多复杂的化学材料也参加了CPU的制造工作。\x0d\x0a\x0d\x0a　　准备工作\x0d\x0a\x0d\x0a　　解决制造CPU的材料的问题之后，我们开始进入准备工作。在准备工作的过程中，一些原料将要被加工，以便使其电气性能达到制造CPU的要求。其一就是硅。首先，它将被通过化学的方法提纯，纯到几乎没有任何杂质。同时它还得被转化成硅晶体，从本质上和海滩上的沙子划清界限。\x0d\x0a\x0d\x0a　　在这个过程中，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。如果你在高中时把硫酸铜结晶实验做的很好，或者看到过单晶冰糖是怎么制造的，相信这个过程不难理解。同时你需要理解的是，很多固体物质都具有晶体结构，例如食盐。CPU制造过程中的硅也是这样。小心而缓慢的搅拌硅的熔浆，硅晶体包围着晶种向同一个方向生长。最终，一块硅锭产生了。\x0d\x0a\x0d\x0a　　现在的硅锭的直径大都是200毫米，而CPU厂商正在准备制造300毫米直径的硅锭。在确保质量不变的前提下制造更大的硅锭难度显然更大，但CPU厂商的投资解决了这个技术难题。建造一个生产300毫米直径硅锭的制造厂大约需要35亿美元，Intel将用其产出的硅材料制造更加复杂的CPU。而建造一个相似的生产200毫米直径硅锭的制造厂只要15亿美元。作为第一个吃螃蟹的人，Intel显然需要付出更大的代价。花两倍多的钱建造这样一个制造厂似乎很划不来，但从下文可以看出，这个投资是值得的。硅锭的制造方法还有很多，上面介绍的只是其中一种，叫做CZ制造法。\x0d\x0a\x0d\x0a　　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。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。接下来晶圆将被磨光，并被检查是否有变形或者其它问题。在这里，质量检查直接决定着CPU的最终良品率，是极为重要的。\x0d\x0a\x0d\x0a　　有问题的晶圆将被掺入适当的其它材料，用以在上面制造出各种晶体管。掺入的材料沉积在硅原子之间的缝隙中。目前普遍使用的晶体管制造技术叫做CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductors，互补式金属氧化物半导体）技术，相信这个词你经常见到。简单的解释一下，CMOS中的C（Complementary）是指两种不同的MOS电路“N”电路和“P”电路之间的关系：它们是互补的。\x0d\x0a\x0d\x0a　　在电子学中，“N”和“P”分别是Negative和Positive的缩写，用于表示极性。可以简单的这么理解，在“N”型的基片上可以安装“P”井制造“P”型的晶体管，而在“P”型基片上则可以安装“N”井制造“N”型晶体管。在多数情况下，制造厂向晶圆里掺入相关材料以制造“P”基片，因为在“P”基片上能够制造出具有更优良的性能，并且能有效的节省空间的“N”型晶体管；而这个过程中，制造厂会尽量避免产生“P”型晶体管。\x0d\x0a\x0d\x0a　　接下来这块晶圆将被送入一个高温熔炉，当然这次我们不能再让它熔化了。通过密切监控熔炉内的温度、压力和加热时间，晶圆的表面将被氧化成一层特定厚度的二氧化硅（SiO2），作为晶体管门电路的一部分—基片。如果你学过逻辑电路之类的，你一定会很清楚门电路这个概念。通过门电路，输入一定的电平将得到一定的输出电平，输出电平根据门电路的不同而有所差异。电平的高低被形象的用0和1表示，这也就是计算机使用二进制的原因。在Intel使用90纳米工艺制造的CPU中，这层门电路只有5个原子那么厚。\x0d\x0a\x0d\x0a　　准备工作的最后一步是在晶圆上涂上一层光敏抗蚀膜，它具有光敏性，并且感光的部分能够被特定的化学物质清洗掉，以此与没有曝光的部分分离。\x0d\x0a\x0d\x0a　　完成门电路\x0d\x0a\x0d\x0a　　这是CPU制造过程中最复杂的一个环节，这次使用到的是光微刻技术。可以这么说，光微刻技术把对光的应用推向了极限。CPU制造商将会把晶圆上覆盖的光敏抗蚀膜的特定区域曝光，并改变它们的化学性质。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。想必你已经在Photoshop之类的软件里面认识到了遮罩这个概念，在这里也大同小异。\x0d\x0a\x0d\x0a　　在这里，即使使用波长很短的紫外光并使用很大的镜头，也就是说，进行最好的聚焦，遮罩的边缘依然会受到影响，可以简单的想象成边缘变模糊了。请注意我们现在讨论的尺度，每一个遮罩都复杂到不可想象，如果要描述它，至少得用10GB的数据，而制造一块CPU，至少要用到20个这样的遮罩。对于任意一个遮罩，请尝试想象一下北京市的地图，包括它的郊区；然后将它缩小到一块一平方厘米的小纸片上。最后，别忘了把每块地图都连接起来，当然，我说的不是用一条线连连那么简单。\x0d\x0a\x0d\x0a　　当遮罩制作完成后，它们将被覆盖在晶圆上，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。\x0d\x0a\x0d\x0a　　当剩余的光敏抗蚀膜也被去除之后，晶圆上留下了起伏不平的二氧化硅山脉，当然你不可能看见它们。接下来添加另一层二氧化硅，并加上了一层多晶硅，然后再覆盖一层光敏抗蚀膜。多晶硅是上面提到的门电路的另一部分，而以前这是用金属制造而成的（即CMOS里的M：Metal）。光敏抗蚀膜再次被盖上决定这些多晶硅去留的遮罩，接受光的洗礼。然后，曝光的硅将被原子轰击，以制造出N井或P井，结合上面制造的基片，门电路就完成了\x0d\x0a　　可能你会以为经过上面复杂的步骤，一块CPU就已经差不多制造完成了。实际上，到这个时候，CPU的完成度还不到五分之一。接下来的步骤与上面所说的一样复杂，那就是再次添加二氧化硅层，再次蚀刻，再次添加??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。