造個(gè)CPU有多難

超載

CPU是每臺(tái)電腦的中樞，相當(dāng)于電腦的“大腦”，不過(guò)想要生產(chǎn)這個(gè)“大腦”是需要極高門(mén)檻的。注意，我們說(shuō)的是制造，隨著“代工”行業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在能夠設(shè)計(jì)的CPU公司有一些，能制造CPU的公司又是另一部分企業(yè)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)CPU設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造的，那就更是鳳毛麟角了。

我們經(jīng)常能看到一句玩笑話“CPU就是沙子”，理論上這句話沒(méi)有錯(cuò)誤，但是要想實(shí)現(xiàn)從“沙子到CPU”的轉(zhuǎn)變，那真是無(wú)比困難。總體來(lái)說(shuō)，CPU的制造過(guò)程需要一個(gè)非常冗長(zhǎng)的制作階段，每一步都是集尖端技術(shù)之大成。

從沙提純開(kāi)始

目前CPU的制造，是基于一種名為硅（sili con）的化學(xué)元素。它是半導(dǎo)體，CPU的計(jì)算是通過(guò)半導(dǎo)體的不斷“開(kāi)/關(guān)（導(dǎo)通/斷開(kāi)）”來(lái)完成的，所以實(shí)際上CPU的最核心部件某種程度上可以被稱(chēng)作“硅做的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)總和”。

硅是外觀帶著灰藍(lán)色金屬光澤且堅(jiān)硬易碎的晶體，亦是一種四價(jià)的類(lèi)金屬半導(dǎo)體。它廣泛分布于我們的地殼中——因此我們通常就是從沙子中對(duì)硅進(jìn)行高度提純，也就是有些人說(shuō)的“沙子變CPU”。這個(gè)提純的過(guò)程并不是用篩子進(jìn)行篩選，它首先需要用焦炭去燒沙子，從而得到粗煉的硅，注意這時(shí)只是硅。接下來(lái)就是精煉提純，主要是使用化學(xué)沉積法實(shí)現(xiàn)，精煉提純步驟完成后，粗煉的硅純度就提升到了99.99%。這還不夠，要讓硅成為硅晶體，還需要通過(guò)石英熔爐進(jìn)行再次提純，并且“塑形”。提純的過(guò)程大致是在一個(gè)巨大的石英熔爐中放入一顆“晶種”，用于沙子中的硅晶體依附其上開(kāi)始“生長(zhǎng)”，并且通過(guò)提拉手段讓其形成柱體狀。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程不是如此簡(jiǎn)單，因?yàn)橹圃霤PU需要的硅晶體純度是驚人的99.999999999%。此時(shí)，便是我們說(shuō)的硅晶圓了。

說(shuō)了這么多，為什么半導(dǎo)體需要用硅來(lái)制作呢？除了容易獲得、成本低廉之外，硅具有非常好的熱穩(wěn)定性。舉例來(lái)說(shuō)，CPU超頻在使用液氮散熱時(shí)可以讓其工作在極低的溫度;而在日常使用中，幾十度的“炙烤”下CPU依然可以穩(wěn)定運(yùn)行，這就是硅的特質(zhì)——熱穩(wěn)定性帶來(lái)的好處。

從柱體切割晶圓

有了單晶硅，下一步的工作就是把它變成硅晶圓。在絕對(duì)無(wú)塵的環(huán)境下，通過(guò)“金剛線”切割變成硅晶圓。這個(gè)過(guò)程不是單純的“一切了事”，切的方法也是根據(jù)硅晶圓的尺寸而有所區(qū)別的。

在200mm直徑以下的晶圓上，準(zhǔn)確的說(shuō)它并不是純粹的圓柱體，而是有一個(gè)平切面，作用就是為了更好的定位（后續(xù)工藝使用）。到了200mm以上的晶圓上，為了盡量利用晶圓生產(chǎn)更多的芯片，減少不必要的浪費(fèi)，這個(gè)平切面就“變成”了一個(gè)小切口，這樣可以節(jié)省一部分晶圓面積，用來(lái)制造芯片。

聽(tīng)起來(lái)很容易，不就是切割成片嗎？實(shí)際不然，在半導(dǎo)體晶圓切割過(guò)程中，由于機(jī)械力的作用，半導(dǎo)體晶圓邊沿容易出現(xiàn)微裂、崩邊和應(yīng)力集中點(diǎn)，半導(dǎo)體晶圓表面也存在應(yīng)力分布不均和損傷，這些缺陷是造成半導(dǎo)體晶圓制造中產(chǎn)生大量滑移線、外延層錯(cuò)、滑移位錯(cuò)、微缺陷等二次缺陷以及半導(dǎo)體晶圓、芯片易破裂的重要因素。所以，這就需要極高技術(shù)水平的切割工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而克服線鋸的晃動(dòng)、提高其穩(wěn)定性，減少對(duì)降低硅片表面損傷、特別是表面較粗糙的缺陷。

聽(tīng)起來(lái)是不是已經(jīng)非常困難了？實(shí)際在CPU制造過(guò)程中，這點(diǎn)技術(shù)難度還不算什么。更難的事情在后面?，F(xiàn)在這個(gè)切好的薄片并不能做什么，甚至現(xiàn)在它還都不是一個(gè)真正的“半導(dǎo)體”，接下來(lái)的步驟是給這個(gè)切片涂抹光阻劑，這個(gè)光阻劑的涂抹需要非常均勻而且非常薄，相當(dāng)于把這個(gè)晶圓切片成為一個(gè)膠片底板，方便后續(xù)的影印、蝕刻。

“拍照、印刷”制作基板

制造CPU的晶圓切片只能算個(gè)“準(zhǔn)備工作”，接下來(lái)我們就要用這些涂抹了光阻劑的切片進(jìn)行“拍照”。工廠將使用專(zhuān)業(yè)設(shè)備通過(guò)紫外線將印制了CPU復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)圖樣的“模板”照射到這些晶圓切片之上，圖樣的透光部分射出的紫外線，會(huì)讓照射到的部位光阻劑溶解，而模板上不透光的部分會(huì)使得相應(yīng)地點(diǎn)的光阻劑保留下來(lái)，也就是“該曝光的地方曝光、該隱藏的地方隱藏”。之后涂上金屬層，就形成了一個(gè)粗糙的線路或者說(shuō)芯片模塊的雛形，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于給后續(xù)CPU制造做一個(gè)“基板”。

筆者這個(gè)形容其實(shí)極為簡(jiǎn)化，這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜程度超出想象——每個(gè)遮罩、照射的復(fù)雜性，都是以10GB為單位的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，絕非是“拍照曝光”那么簡(jiǎn)單。

蝕刻 電路成“畫(huà)”的關(guān)鍵

蝕刻也稱(chēng)之為光刻（使用光來(lái)蝕刻 ），就是在已經(jīng)做好基板的晶圓切片上，將真正的電路刻畫(huà)出來(lái)，這是CPU制造的關(guān)鍵核心步驟，也是最為復(fù)雜的一個(gè)步驟。

蝕刻就是使用一定波長(zhǎng)的光在晶圓上（實(shí)際是已經(jīng)涂上的金屬層）畫(huà)出刻痕，由此改變?cè)撎帲毯郏┑幕瘜W(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)真正的電路工作機(jī)能。這一步驟對(duì)光線的波長(zhǎng)要求極為嚴(yán)格，更先進(jìn)的技術(shù)可以生產(chǎn)更小的電路間隙，也就是我們通常意義上看到的CPU制程工藝，如28nm、14nm、7nm乃至5nm。

光刻機(jī)需要使用短波長(zhǎng)的紫外線（或極紫外線）和大曲率的透鏡——光刻機(jī)的制造更為復(fù)雜，是生產(chǎn)芯片的關(guān)鍵核心設(shè)備。然而，并不是說(shuō)每一個(gè)蝕刻過(guò)程都是100%成功的，它也會(huì)受到晶圓切片上“污點(diǎn)”的影響，這個(gè)成功率的多與少，就是通常我們講的“良品率”了。

而且，蝕刻并不是一次就夠的，隨著芯片的發(fā)展其設(shè)計(jì)往往越發(fā)復(fù)雜，這就意味著需要更多的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。所以需要反反復(fù)復(fù)在晶圓上一層一層的蝕刻，而且每一層蝕刻前都需要重復(fù)涂抹光阻劑、影印的過(guò)程（也就是形成一層一層的基板），現(xiàn)在CPU蝕刻的步驟通常都需要20步（每一步就是蝕刻一層）以上。

如果使用放大鏡去看每一層蝕刻的電路圖，你會(huì)驚訝的發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)不到100平方毫米的方寸之間竟然可以容納下一個(gè)大型城市的詳盡地圖還多，注意哦，這還只是單層而已（整個(gè)CPU通常是數(shù)十億記的晶體管，都是這樣蝕刻而成）。

這還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，每一層之間如何互相連通？在多層之間連通需要考慮的不僅僅是尺寸問(wèn)題，還有漏電、電阻等諸多問(wèn)題。這就引出了我們進(jìn)來(lái)常能聽(tīng)到的技術(shù)名詞，如FinFET等。通過(guò)這些先進(jìn)的制程技術(shù)，可以讓電路之間的導(dǎo)通更為高效、更為緊湊，從而讓CPU發(fā)揮出它設(shè)計(jì)之時(shí)應(yīng)有的電氣性能。

當(dāng)這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓會(huì)翻到另一面，再使用短波長(zhǎng)的光線透過(guò)石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然后撤掉光線和模板。之后通過(guò)化學(xué)方法除去暴露在外邊的光阻材料等輔助物質(zhì)，而在鏤空位置的下方生成二氧化硅。

封裝、測(cè)試 成為產(chǎn)品前的最后兩步

經(jīng)過(guò)CPU的核心制造步驟，這個(gè)時(shí)候CPU還只是并排“躺在晶圓切片”上，通過(guò)切割晶圓下來(lái)的每一個(gè)“小方塊”，就是一個(gè)CPU的核心部分，通俗上我們管這個(gè)叫做DIE面。接著要做的就是封裝了。每一個(gè)被切割下來(lái)的小方塊，將被安裝在基板上，用以引出引腳電路，這個(gè)基板的材質(zhì)目前多為塑料，以往還有部分采用陶瓷材質(zhì)。

封裝的意義并不僅僅是把這顆小芯片能有辦法“插”到主板上，更關(guān)鍵的問(wèn)題在于，CPU本身的晶體管密度已經(jīng)超乎尋常，然而主板的布線密度相形之下就要“稀疏”許多了，這個(gè)落差如何讓二者能完美結(jié)合就是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。封裝原本只不過(guò)是連接安裝之用，而今也承擔(dān)了這個(gè)重任——以最低成本將高密度與低密度線路結(jié)合在一起。

此時(shí)我們可以正式將其稱(chēng)之為“CPU”了，接下來(lái)就是進(jìn)入測(cè)試階段，這個(gè)測(cè)試階段可不是單純看看性能而已，每一顆生產(chǎn)出來(lái)的CPU都要經(jīng)歷這一部。測(cè)試主要是考驗(yàn)CPU的電氣性能，是否有差錯(cuò)，以及差錯(cuò)的溯源工作。甚至，CPU內(nèi)每個(gè)核心都要經(jīng)過(guò)單獨(dú)的測(cè)試。這其中，CPU的SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）緩存是重點(diǎn)測(cè)試項(xiàng)目。

除了這些，就是基本的功能性、性能方面的測(cè)試，在這個(gè)步驟里，哪些頻率上會(huì)上不去，哪些緩存上有缺陷，哪些功能上有缺失（如核顯）。通過(guò)屏蔽、調(diào)整，CPU將開(kāi)始分出“三六九等”，英特爾酷睿i3、英特爾酷睿i5、英特爾酷睿i7還是i9，AMD銳龍3、銳龍5還是銳龍7，就是在這個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)被區(qū)分出來(lái)的。

最后將CPU的型號(hào)、編碼等刻到頂蓋，再經(jīng)過(guò)包裝，一顆可以成為商品化的CPU就誕生了。這個(gè)過(guò)程描述起來(lái)也不過(guò)聊聊數(shù)千字，但是真正要實(shí)現(xiàn)完整一套制造流程（暫不包括設(shè)計(jì)），其技術(shù)門(mén)檻還是非常高的。