计算机组成原理_CPU制造
2025-01-22 08:19:30    1.1k 字   
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为了深入学习、了解计算机相关基础知识,收集了一些CPU、芯片相关资料,了解一下CPU、芯片是如何制造的。


1. 概念

1.1. 半导体

半导体是导电性介于导体(金属)与绝缘体(陶瓷、石头)之间的物质。
利用半导体制作电子元件的目的在于:不像导体绝对导电、绝缘体完全不导电;通过加入杂质,可以精准的调整半导体的导电性。
由于硅拥有较大的能隙、可以有较大杂质掺杂范围,所以常被用来制作半导体元件。

能隙:在固体物理学中泛指半导体或绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距。 详阅: 能隙 - 维基百科


1.2. die(晶粒)

又称裸芯片、晶粒、裸片,是未经封装的一小块集成电路本体;

以Intel-i7-3960x-die来看,从晶圆上切割下来的die中,包含了多个core、L3-Cache、内存控制器等,每个core中又包含了L1-Cache、L2-Cache;


1.3. chip(晶片)

chip是对芯片的泛称,有时特指封装好的芯片,


2. CPU制造

以Intel、三星制造CPU为例,阅读自:

2.1. 硅

硅是地壳中第二丰富的元素,普通沙子中的硅比例很高。
硅是一种半导体,它是计算机芯片的起始材料,这意味着通过引入少量的杂质,它可以很容易地变成优秀的电导体或绝缘体。

沙子-硅(图片来源:Intel-Making of a Chip)

2.2. 锭(Ingot)

为了用于计算机芯片,硅必须进行超高纯度的提纯工序(每十亿原子中不超过一个外来原子);

将硅原料融化,制造高纯度的硅溶液并使其凝固形成一种固体;一个单一、连续、未破碎的硅柱,称为锭(Ingot)、硅锭。

锭-融化的硅(图片来源:Intel-Making of a Chip)


2.3. 晶圆(wafer)

将硅锭切割成单独的硅盘,称为晶圆(wafer)

圆盘的直径决定了晶圆的尺寸,例如有:150mm(6英寸)、200mm(8 英寸)、300mm (12 英寸)等;晶圆越薄,制造成本越低,一次可生产的半导体芯片数量就越多。

切割后的晶圆表面粗糙且可能有瑕疵,会影响电路的精密度,需要对其进行研磨抛光,以使其像镜子一样光滑。

加工前的晶圆可以称为:裸晶圆(Bare wafer)

晶圆(图片来源:Intel-Making of a Chip)


2.4. 光刻(Photolithography)

光刻技术类似于洗印黑白照片,将特定图案印在晶圆上的过程。

使用特定波长的光,透过光罩(类似印炒里面的母版),照射在涂有光刻胶的晶圆上,光罩上芯片的设计图像,就复制到晶圆上了,这就是光刻,这一步是由光刻机完成的。

光刻(图片来源:三星半导体官网)

2.5. 晶圆上的分割线

经过光刻等一系列后续处理后,看上去各个**die(晶粒)**像是 粘在一起,但实际上晶粒和晶粒之间具有一定的间隙。

该间距称为分割线;在晶粒和晶粒之间设置分割线的是为了在晶圆加工完成后将这些晶粒一个个割断。

半导体晶圆名称(图片来源:三星半导体官网)

2.6. 晶圆测试、切单

在晶圆光刻之后,测试、切单之前,还有一些步骤,如:离子注入、蚀刻等,这些步骤本篇不关注因此跳过。
如想继续深入,详阅:Intel - Making of a Chip

通过测试器,对完成上述流程的晶圆中的**晶粒(die)**进行功能测试,然后挑选测试合格的进行切单。

晶圆测试、切单(图片来源:Intel-Making of a Chip)

以Intel-i7-3960x-die来看,从晶圆上切割下来的die中,包含了多个core、L3-Cache、内存控制器等;每个core中又包含了L1-Cache、L2-Cache。

如下,intel-i7-3960x-die的图示:

intel-i7-3960x-die(图片来源:www.gamersnexus.net)


2.7. 封装

将封装基板、die(晶粒、裸片)、散热器放在一起,封装一个完整的处理器。

不同厂商、不同CPU有不同的封装技术。

封装完成之后,就是生活中买到的CPU的样子。

封装(图片来源:Intel-Making of a Chip)


3. 详细流程

推荐生产工序 | Ferrotec全球 (ferrotec-global.com) 这个网站中的介绍,里面有芯片制造的详细生产工序,十分生动。

沙子变芯片的过程(图片来源:https://plantegg.github.io/)


4. Reference