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。

光刻機需要使用短波長的紫外線（或極紫外線）和大曲率的透鏡——光刻機的制造更為復雜，是生產芯片的關鍵核心設備。然而，并不是說每一個蝕刻過程都是100%成功的，它也會受到晶圓切片上“污點”的影響，這個成功率的多與少，就是通常我們講的“良品率”了。

而且，蝕刻并不是一次就夠的，隨著芯片的發展其設計往往越發復雜，這就意味著需要更多的電路來實現設計的功能。所以需要反反復復在晶圓上一層一層的蝕刻，而且每一層蝕刻前都需要重復涂抹光阻劑、影印的過程（也就是形成一層一層的基板），現在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，你會驚訝的發現，在這個不到100平方毫米的方寸之間竟然可以容納下一個大型城市的詳盡地圖還多，注意哦，這還只是單層而已（整個CPU通常是數十億記的晶體管，都是這樣蝕刻而成）。

這還會產生一個問題，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題，還有漏電、電阻等諸多問題。這就引出了我們進來常能聽到的技術名詞，如FinFET等。通過這些先進的制程技術，可以讓電路之間的導通更為高效、更為緊湊，從而讓CPU發揮出它設計之時應有的電氣性能。

當這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓會翻到另一面，再使用短波長的光線透過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。之后通過化學方法除去暴露在外邊的光阻材料等輔助物質，而在鏤空位置的下方生成二氧化硅。

封裝、測試 成為產品前的最后兩步

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

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，更關鍵的問題在于，CPU本身的晶體管密度已經超乎尋常，然而主板的布線密度相形之下就要“稀疏”許多了，這個落差如何讓二者能完美結合就是個巨大的挑戰。封裝原本只不過是連接安裝之用，而今也承擔了這個重任——以最低成本將高密度與低密度線路結合在一起。

此時我們可以正式將其稱之為“CPU”了，接下來就是進入測試階段，這個測試階段可不是單純看看性能而已，每一顆生產出來的CPU都要經歷這一部。測試主要是考驗CPU的電氣性能，是否有差錯，以及差錯的溯源工作。甚至，CPU內每個核心都要經過單獨的測試。這其中，CPU的SRAM（靜態隨機存儲器）緩存是重點測試項目。

除了這些，就是基本的功能性、性能方面的測試，在這個步驟里，哪些頻率上會上不去，哪些緩存上有缺陷，哪些功能上有缺失（如核顯）。通過屏蔽、調整，CPU將開始分出“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，就是在這個測試環節被區分出來的。

最后將CPU的型號、編碼等刻到頂蓋，再經過包裝，一顆可以成為商品化的CPU就誕生了。這個過程描述起來也不過聊聊數千字，但是真正要實現完整一套制造流程（暫不包括設計），其技術門檻還是非常高的。