摘要：什么是cpu芯片的进程？CPU的制造工艺也叫CPU工艺，它的先进与否决定了CPU的性能。CPU制造是一个极其复杂的过程，当今世界上只有少数制造商有能力开发和生产CPU。CPU的历史也可以看作是生产过程的历史。

【cpu芯片工艺】cpu芯片工艺就是什么cpu芯片的生产工艺

什么是cpu芯片的进程

为了了解CPU的生产过程，我们需要知道CPU是如何制造的。

(1)硅净化

目前主要的材料是硅，硅是一种非金属元素。从化学角度看，它位于元素周期表中金属元素区和非金属元素区交界处，因此具有半导体的性质，适合制造各种微型晶体管。它是制造现代大规模集成电路最合适的材料之一。

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(2)切割晶圆片

硅锭被制造成一个完美的圆柱体，然后被切割成薄片，称为晶圆片。晶圆实际上是用来制造cpu的。所谓的“晶圆切割”是指一台机器从单晶硅棒上切割一块预先定义好的硅晶圆，并将其划分成微小的区域，每个区域都成为CPU的核心(Die)。一般来说，晶圆切得越薄，用同样数量的硅制成的cpu成品就越多。

(3)光刻

在热处理过的氧化硅层上涂上光刻胶物质。将紫外光通过印有CPU复杂电路结构图案的模板照射到硅衬底上，将光刻胶物质溶解在紫外光照射的区域。为了避免暴露不需要暴露在光线下的区域，必须制作口罩来覆盖这些区域。这是一个相当复杂的过程，每个掩码的复杂性必须用10GB的数据来描述。

(4)蚀刻

这是CPU生产中的一项重要操作，也是CPU产业中的一项关键技术。蚀刻技术将光的使用推向了极限。蚀刻使用非常短波长的紫外线与非常大的透镜配对。短波长的光穿过光敏抗蚀剂薄膜上这些石英掩膜的孔，使其暴露出来。接下来，光被停止，面具被移除。一种特殊的化学溶液被用来洗去曝光的光敏抗蚀剂薄膜和位于抗蚀剂薄膜旁边的硅层。

暴露的硅将被原子轰击，导致暴露的硅衬底局部掺杂，从而改变这些区域的电导率，产生N阱或P阱。结合上面制作的基板，就完成了CPU门电路。

(5)重复和分层

为了加工一层新的电路，需要再次生长氧化硅，然后沉积一层多晶硅，涂上光刻胶物质，并重复复印和蚀刻过程，以获得含有多晶硅和氧化硅的凹槽结构。重复多次创建3D结构，这是最终CPU的核心。每一层都填充了金属作为导体。英特尔的奔腾4处理器有7层，而AMD的Athlon 64处理器有9层。层的数量取决于CPU在设计时的布局，以及通过的电流量。

(6)封装

CPU是一个晶片，不能被用户直接使用。它必须被包裹在一个陶瓷或塑料外壳中，这样它才能很容易地安装在电路板上。封装结构各不相同，但越高级的CPU封装越复杂。新封装往往可以提高芯片的电气性能和稳定性，间接为主频的提高提供坚实可靠的基础。

(7)多重测试

测试是CPU制造的重要组成部分，是CPU出厂前的必要测试。这一步测试晶圆片的电性能，看看是否有什么地方出了问题，如果可能的话，这些错误发生在哪一步。接下来，对晶圆上的每个CPU核心分别进行测试。

由于SRAM(静态随机存取存储器，CPU内缓存的基本组成部分)结构复杂、密度高，缓存是CPU问题最多的部分，对缓存的测试是CPU测试的重要组成部分。

每个CPU都将进行全面测试，以验证其全部功能。某些cpu被标记为高频，因为它们可以在更高的频率下运行；一些cpu由于各种原因以较低的频率运行，因此它们被标记为较低的频率。最后，单个CPU可能有一些功能缺陷，如果问题是缓存，制造商仍然可以掩盖其部分缓存，这意味着CPU仍然可用，但它可能是像赛扬这样的低端产品。

在将CPU放入机箱之前，通常会对其进行最后一次测试，以确保其正常工作。它们被放置在不同的包装中，并在世界各地销售，这取决于之前确定的最大频率和缓存。

中央处理器芯片的制造过程

cpu是否应该随着生产过程的进展而变得越来越小？但是为什么cpu似乎没有变得更小，原因是什么呢？其实CPU厂商想让CPU集成度更高，也需要把CPU做得更小，但是因为目前的生产工艺还不能满足要求。

“生产过程”这四个字包含了什么，有多少是尖端技术的融合，CPU厂商又是如何应对的？以下七个步骤将引导我们完成CPU制造的演变过程。

(1)晶圆尺寸

硅片尺寸是硅片在半导体生产过程中使用的直径值。硅片越大越好，因为每片硅片可以制造更多的芯片。例如，使用相同的0.13微米工艺，在200mm晶圆上可以生产约179个处理器核心，而在300mm晶圆上可以生产约427个处理器核心，这是200mm晶圆面积的2.25倍。它生产的处理器数量是200毫米晶圆的2.385倍，而且300毫米晶圆的实际成本并不比200毫米晶圆高多少，因此，生产率的翻倍显然是任何芯片制造商都会喜欢的。

然而，硅片的一个特性限制了硅片的尺寸，那就是离硅片中心越远，就越容易出现坏斑。所以从硅晶圆的中心向外，坏点倾向于上升，所以我们不能随心所欲地增加晶圆的尺寸。

一般来说，一套特定的硅片生产设备所能生产的硅片尺寸是固定的。改造原有设备以生产新尺寸硅片的成本相当惊人，几乎可以负担得起建造一个新的生产工厂。然而，半导体制造商一直在尽最大努力控制晶圆上的坏点数量，并生产更大的晶圆，例如最初用于8086 CPU的50mm晶圆和用于奔腾4的200mm晶圆。英特尔的新款Pentium 4 Prescott采用300毫米硅片生产。300mm晶圆主要用于90纳米和65纳米芯片。

(2)蚀刻尺寸

蚀刻尺寸是制造设备能在硅片上蚀刻的最小尺寸，是CPU核心制造的关键技术参数。在同样的制造工艺下，晶体管越多，处理器的核心尺寸越大，在单个硅片上可以制造的芯片就越少，每个CPU的成本就越高。另一方面，如果更好的制造意味着可以蚀刻的尺寸越小，晶圆可以生产的芯片越多，成本就越低。例如，8086的蚀刻尺寸为3 m, Pentium的蚀刻尺寸为0.90 m, Pentium 4的蚀刻尺寸目前为0.09 m (90 nm)。2006年初，英特尔酷睿发布了65nm蚀刻尺寸。到2008年，酷睿2已经发展到45纳米蚀刻尺寸。2010年1月，英特尔发布了32纳米蚀刻尺寸的第一代酷睿i系列处理器。英特尔在2015年初宣布了采用22nm蚀刻尺寸的第三代酷睿i系列处理器，以及采用14nm蚀刻尺寸的第五代酷睿i系列处理器，直到2016年，第七代酷睿i系列KabyLake架构处理器继续使用14nm蚀刻尺寸。

此外，每个CPU的核心架构在开发结束时是固定的，核心逻辑不能在后期进行过多的修改。因此，随着频率的增加，它产生的热量也会增加，更先进的蚀刻技术的另一个重要优势是它减少了晶体管之间的电阻，从而降低了CPU所需的电压，从而大大降低了驱动它们所需的功率。所以我们看到，随着每一个新的CPU核心，电压相对于上一代降低，由于一些抵消因素，降低并不明显。

我们前面提到，蚀刻过程是通过光来完成的，因此用于蚀刻的光的波长是改进技术的关键。目前，2489埃和1930埃(1埃=0.1 nm)波长的氪/氟紫外主要用于CPU制造。1930埃波长用于芯片的关键点，主要用于0.18微米和0.13微米工艺。英特尔最新的90纳米工艺使用氩/氟紫外线，波长较短，为1930昂。

以上两点是CPU制造过程中的两个因素，也是基本的生产过程。这里有几点需要说明。英特尔是世界上制造技术最先进，工厂最多的公司(英特尔有10多家制造CPU的工厂)，它掌握了相当多的技术，后面会详细介绍。与英特尔相比，AMD是一家小公司，凭借其新的Fab36，它拥有大约三家CPU制造工厂。与此同时，AMD并没有能力自主开发很多新技术，主要是通过战略合作伙伴的方式获取。

AMD和英特尔在0.25微米制程的技术上处于同一水平，但在向0.18微米制程的转变上落后了。在感觉自己无法赶上英特尔之后，AMD和摩托罗拉形成了战略合作伙伴关系。摩托罗拉拥有许多先进的电子制造技术，如苹果PowerPC中使用的HiPerMOS7(HiP7)芯片；AMD同时获得了许多新技术，其中一些甚至比英特尔的0.13微米技术更好。现在AMD已经选择IBM共同开发65纳米和45纳米制造技术。这些都是它选择的非常有前途的合作伙伴，尤其是IBM，它一直是该行业的技术领导者。是第一个使用铜互连，第一个使用低k值介电材料，第一个使用SOI等技术的公司。AMD收购的大部分技术都很先进，而且对生产设备要求不高，生产成本控制很低，这是AMD的优势。

图为AMD新工厂Fab36采用的APM 3.0(自动化精密制造)技术，可以进一步实现制造的自动化和高效化。AMD还建立了自己的无尘实验室。

(3)金属互连层

在第5节“重复，分层”中，我们了解到不同的cpu有不同的内部互连层。这与厂商的设计有关，但也可以间接表明CPU制造过程的状态。这个设计没什么可说的，英特尔在这方面已经落后了，当他们在0.13微米的工艺上使用6层时，其他人已经使用7层了；当英特尔准备好7层时，IBM已经从8层开始；当英特尔在普雷斯科特推出七层低k绝缘铜连接时，AMD已经使用了九层技术。更多的互连层可以在生产具有数亿个晶体管的cpu时提供更大的灵活性，例如普雷斯科特。

我们知道，随着晶体管尺寸的减小，越来越多的晶体管被嵌入到处理器中，连接它们的金属线就变得越来越重要。特别是金属线的容量直接影响信息传输的速度。在90纳米工艺中，英特尔引入了一种新的含碳绝缘二氧化硅来取代氟化硅玻璃，据称这种玻璃可以将内部互连效率提高18%。