CPU是怎样制造的？--解析intel Core i7生产全过程

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六级,第七级,第八级,*,CPU是怎样制造的？,解析intel Core i7生产全过程,1,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,2,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)。,3,单晶硅锭,：整体基本呈圆柱形，重约,100,千克，硅纯度,99.9999,。,4,制造第一阶段_提炼硅锭,(小结）,5,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？,6,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,7,制造第二阶段,_,切割晶圆,(小结）,8,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,9,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一,10,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,11,制造第三阶段,_,光刻过程,(小结）,12,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,13,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。,14,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。,15,制造第四阶段,_,光刻胶的使命,(小结）,16,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。,17,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。,18,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。,19,制造第五阶段,_,离子注入,(小结）,20,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。,21,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,),。,22,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。,23,制造第六阶段,_,电镀晶圆,(小结）,24,抛光,：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。,25,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。,26,制造第七阶段,_,抛光处理,(小结）,27,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。,28,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),。,29,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。,30,制造第八阶段,_,晶圆切片,(小结）,31,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。,32,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。,33,处理器,：至此就得到完整的处理器了,(,这里是一颗,Core i7),。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了其中的一些关键步骤。,34,制造第九阶段,_,封装,(小结）,35,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,。,36,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。,37,零售包装,：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。这里还是以,Core i7,为例。,38,制造第十阶段,_,成品出炉,(小结）,39,总结,1、,制造第一阶段_提炼硅锭,2、,制造第二阶段,_,切割晶圆,3、,制造第三阶段,_,光刻过程,4、,制造第四阶段,_,光刻胶的使命,5、,制造第五阶段,_,离子注入,6、,制造第六阶段_电镀晶圆,7、,制造第七阶段_抛光处理,8、,制造第八阶段_晶圆切片,9、,制造第九阶段_封装,(小结）,10、,制造第十阶段_成品出炉,(小结）,40,CPU,是如何生产出来的,（收转）,2010-03-26 16:00,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。,基本材料,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。,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。,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。,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。,41,准备工作,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。,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。,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。,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。,没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。,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。,42,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。,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。,完成门电路,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。,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。,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。,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。,43,重复,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。,测试、测试和测试,在经过几个星期的从最初的晶圆到一层层硅、金属和其它材料的,CPU,核心的制造过程之后，该是看看制造出来的这个怪物的时候了。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（不是切开）测试。,通过测试的晶圆将被切分成若干单独的,CPU,核心，上面的测试里找到的无效的核心将被放在一边。接下来核心将被封装，安装在基板上。 然后， 多数主流的,CPU,将在核心上安装一块集成散热反变形片（,Integrated Heat Spreader,，,IHS,）。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（缓存占,CPU,核心面积的一半以 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,，可能是,Sempron,，或者是其它的了。,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。,44,补充,在测试、测试和测试这个环节很重要,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,，,AMD,我比较熟，用,AMD,的例子比较好举，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,（这种情况很少， 比如,03,年的时候将速龙切割成为新毒龙）,再举一个例子：,汽油在加工之后是没有本质区别的，而每一批的质量不大一样，检测之后就被区分为,93,号油，,98,号油等等，而他们的价格也不一样，而不是他们在生产的时候就 有,93,号生产线，这类产品不同于其它产品，比如十字螺丝刀就不会在不合标准的情况下去掉两块，磨平后改成一字螺丝刀，前段时间貌似看到某人说自己的,6300,是,6400,的流水线，所以超频能力比较强，其实它们是一个流水线生产出来的。,INTEL,的检测标准都是国际的统一标准，还有，有人说,INTEL,比较稳定，其实,AMD,不稳定是因为在,462,时代核心没有保护盖，核心容易被破坏,另外有人说某某处理器超频后比别的处理器不超还稳定，根本就是无稽之谈，如果它在高频通过测试，厂商会把它变为底端的卖？那厂商不是有问题？,还有只要超频就不能通过测试，不然厂商就会按照高频来卖，还有，有人恢复了切割的缓存说很稳定，完全没有根据。,45,