造個CPU有多難

超載

CPU是每臺電腦的中樞，相當于電腦的“大腦”，不過想要生產這個“大腦”是需要極高門檻的。注意，我們說的是制造，隨著“代工”行業的蓬勃發展，現在能夠設計的CPU公司有一些，能制造CPU的公司又是另一部分企業，能夠同時實現CPU設計、生產制造的，那就更是鳳毛麟角了。

我們經常能看到一句玩笑話“CPU就是沙子”，理論上這句話沒有錯誤，但是要想實現從“沙子到CPU”的轉變，那真是無比困難。總體來說，CPU的制造過程需要一個非常冗長的制作階段，每一步都是集尖端技術之大成。

從沙提純開始

目前CPU的制造，是基于一種名為硅（sili con）的化學元素。它是半導體，CPU的計算是通過半導體的不斷“開/關（導通/斷開）”來完成的，所以實際上CPU的最核心部件某種程度上可以被稱作“硅做的半導體開關總和”。

硅是外觀帶著灰藍色金屬光澤且堅硬易碎的晶體，亦是一種四價的類金屬半導體。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硅進行高度提純，也就是有些人說的“沙子變CPU”。這個提純的過程并不是用篩子進行篩選，它首先需要用焦炭去燒沙子，從而得到粗煉的硅，注意這時只是硅。接下來就是精煉提純，主要是使用化學沉積法實現，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，還需要通過石英熔爐進行再次提純，并且“塑形”。提純的過程大致是在一個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始“生長”，并且通過提拉手段讓其形成柱體狀。當然，這個過程不是如此簡單，因為制造CPU需要的硅晶體純度是驚人的99.999999999%。此時，便是我們說的硅晶圓了。

說了這么多，為什么半導體需要用硅來制作呢？除了容易獲得、成本低廉之外，硅具有非常好的熱穩定性。舉例來說，CPU超頻在使用液氮散熱時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依然可以穩定運行，這就是硅的特質——熱穩定性帶來的好處。

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。在絕對無塵的環境下，通過“金剛線”切割變成硅晶圓。這個過程不是單純的“一切了事”，切的方法也是根據硅晶圓的尺寸而有所區別的。

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

聽起來很容易，不就是切割成片嗎？實際不然，在半導體晶圓切割過程中，由于機械力的作用，半導體晶圓邊沿容易出現微裂、崩邊和應力集中點，半導體晶圓表面也存在應力分布不均和損傷，這些缺陷是造成半導體晶圓制造中產生大量滑移線、外延層錯、滑移位錯、微缺陷等二次缺陷以及半導體晶圓、芯片易破裂的重要因素。所以，這就需要極高技術水平的切割工藝來實現，從而克服線鋸的晃動、提高其穩定性，減少對降低硅片表面損傷、特別是表面較粗糙的缺陷。

聽起來是不是已經非常困難了？實際在CPU制造過程中，這點技術難度還不算什么。更難的事情在后面。現在這個切好的薄片并不能做什么，甚至現在它還都不是一個真正的“半導體”，接下來的步驟是給這個切片涂抹光阻劑，這個光阻劑的涂抹需要非常均勻而且非常薄，相當于把這個晶圓切片成為一個膠片底板，方便后續的影印、蝕刻。

“拍照、印刷”制作基板

制造CPU的晶圓切片只能算個“準備工作”，接下來我們就要用這些涂抹了光阻劑的切片進行“拍照”。工廠將使用專業設備通過紫外線將印制了CPU復雜電路結構圖樣的“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，會讓照射到的部位光阻劑溶解，而模板上不透光的部分會使得相應地點的光阻劑保留下來，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，就形成了一個粗糙的線路或者說芯片模塊的雛形，這個過程相當于給后續CPU制造做一個“基板”。

筆者這個形容其實極為簡化，這個過程的復雜程度超出想象——每個遮罩、照射的復雜性，都是以10GB為單位的數據來實現的，絕非是“拍照曝光”那么簡單。

蝕刻 電路成“畫”的關鍵

蝕刻也稱之為光刻（使用光來蝕刻 ），就是在已經做好基板的晶圓切片上，將真正的電路刻畫出來，這是CPU制造的關鍵核心步驟，也是最為復雜的一個步驟。

蝕刻就是使用一定波長的光在晶圓上（實際是已經涂上的金屬層）畫出刻痕，由此改變該處（刻痕）的化學特性，從而實現真正的電路工作機能。這一步驟對光線的波長要求極為嚴格，更先進的技術可以生產更小的電路間隙，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。