PCEVA,PC绝对领域,探寻真正的电脑知识

标题: [Asuka讲堂之补充]CPU是如何制造的 [打印本页]

作者: heren3 时间: 2012-3-31 17:03
标题: [Asuka讲堂之补充]CPU是如何制造的
看到Asuka的CPU讲堂，新潮澎湃，也希望分享一下我这一段时间看的一些东西；我的东西太散乱了，好不容易能够拼凑成一篇胡诌的文字，通过bit-tech上的一篇关于CPU制造的文章，用我自己的理解，盗用bit-tech的图片，插入一些工艺的补充，整理出来，希望能帮助到PCEVA的各位，不仅对半导体的基础知识，而且对半导体的制造工艺及技术能够有一个初步的了解。

目前半导体工业所使用的原材料还是硅，是经过特别选择的非常纯净的沙子

其实这些沙子的初步加工都是沿海进行的，限于技术水平和设备，不得不使用非常污染环境的方法加工到99.9%纯度的硅；然后低价卖给国外企业，进行进一步提纯，其纯度提升了几个数量级，达到99.9999999%的纯度。所以技术决定一切啊...

然后，将得到的高纯硅缓慢注入一个模具里面，以一定的速度冷却，得到一整块单晶硅，如下，右图。

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单晶硅的结晶速度，纯度，杂质含量都是有关系的，晶圆(wafer)越大，单片晶圆所能切割出来的芯片也就越多，对单晶硅提供者和芯片制造厂商的技术要求也就越高。最近好像逐渐过渡到18inch wafer了。

这些单晶硅被切割成片状，用于下一步制造。

[attach]90781[/attach]

接下来是离子注入技术（ion implanter），离子注入技术是使用被剥夺了电子的金属离子在电场之内加速，轰击硅片表面，由于速度很快，能量很高，离子能够直接进入硅内部，从而改变局部导电性。

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我相信这里反复使用了lithography(掩膜光刻技术)，由于离子注入的深度只有数十个原子厚度，所以能够用光刻胶很好阻挡。

一般通过光刻机进行，光刻机数亿美元一台，里面最贵的基本就是大家都很喜欢的莱卡“镜头”；莱卡这些镜头厂商出品单反镜头只是给消费者福利而已，并不指望能赚多少钱，大多数的利润还是在光刻机里。德国工业凭借其严谨的态度，镜头品质非常赞！

光刻机使用镜头将掩膜所留下来的斑驳光影缩小数倍，投射在光刻胶上，改变其化学性质，让其容易被洗掉。下面是操作步骤：

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没有曝光的光刻胶等通过精密抛光除去。

掩膜光刻的优势在于，使用一个有数亿个窟窿的模板可以在几步操作内形成数亿个晶体管。

离子注入步骤之后，晶体管的source和drain等成型，借用Asuka的图：

[attach]90785[/attach]

接下来是大名鼎鼎的High-K金属绝缘层，High-K金属材质通过替代传统二氧化硅让Intel从65nm成功过渡到45nm，并应用在32nm工艺上。如下图，是整个晶圆上都覆盖了一层。我估计这里用的是CVD，化学气相沉积。

[attach]90789[/attach]

继续使用掩膜光刻技术，左图：通过旋转在表面均匀分布一层光刻胶，右图：掩膜光刻
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现在我们开始关注单个晶体管及其线缆连接如何制造：
左图：已经覆盖了光刻胶的单个晶体管表面；右图：曝光然后洗掉光刻胶，只留下闸级上面覆盖的光刻胶
[attach]90793[/attach]

左图：使用溶液溶解掉暴露的High-K金属；右图：晶体管基本成型，就剩下接线了；
[attach]90795[/attach]

铜互连：
继续使用掩膜光刻，形成入下左图的绝缘层形貌（注意在源级，栅极和漏级留下的坑）；
接下来使用电镀，使用金属铜填满那些坑；
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左图：不可避免得多了一层全覆盖的铜，为了保证所有的坑都被填满；
右图：仔细得抛光去掉上面那层全覆盖的铜，留下晶体管的三个接触点。
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接下来继续进行掩膜光刻、电化学沉积、精密抛光的反复步骤，最终形成这种四通八达的铜线互联道路，新一代CPU的这种道路可以达到20层甚至更多。在显微镜下，这是人类设计的最复杂，最庞大的多层交通路线。（下左图）
右图：此时，所有的CPU已经布线完成，通过特殊手段检测芯片质量，如果这个芯片只有一个QPI通道正常工作，那么它就只能到Core i7 980X的封装车间去，而不能当Xeon X5667使用了~
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一个18inch的晶圆上可以切割出数百颗芯片，但可以肯定不是用这种圆锯切割的。
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bit-tech发表这篇文章的时候还是胶水CPU和集成GPU的上一代i5 6xx系列吧~

接下来是封装，现在Intel和AMD都采用IHS了，在CPU上覆盖一个盖子，主要是出于保护CPU核心不被压碎的目的，使用铜盖是为了保证散热，然后Ivy Bridge悲剧到了，应该是IHS的悲剧，不过没有人去测定是否是IHS的问题吧？拿掉IHS后脆性的芯片直接被大型塔式散热器压碎了...
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继续由特定的仪器鉴定CPU体质，我相信这里才进行了2500, 2500K, 2600, 2600K的分化，然后通过一次性的写入MicroCode屏蔽相关功能。

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图片来源：http://www.bit-tech.net/hardware ... rom-sand-to-shelf/1

显卡的制造也是如此，如果有谬误或者没有解释清楚的地方请各位看官指出啊。
——一个从2003年（初二生）开始玩电脑的爱好者

作者: heren3 时间: 2012-3-31 17:08
[attach]90809[/attach]

最后希望大家看完这篇文章之后，对CPU Physical Info一栏内的Process Technology不要感到陌生，32nm， CMOS，Cu互联，High-K Metal Gate

封装尺寸37.5mm x 37.5mm，芯片尺寸216mm2

作者: royalk 时间: 2012-3-31 17:21

关键就是那个特定仪器检测CPU体质。。。

作者: heren3 时间: 2012-3-31 17:38

royalk 发表于 2012-3-31 17:21
关键就是那个特定仪器检测CPU体质。。。

我觉得还是好测的吧...给个电压看那些数据针脚返回的电平是否正常

不正常就蓝屏，如果标准电压下 10min内反馈都是正常的那么就把频率降几档出售？

作者: maoyanjiea 时间: 2012-3-31 17:45
本帖最后由 maoyanjiea 于 2012-3-31 17:47 编辑

作为一学物理表示这玩意太麻烦了..........一个离子注入就能把人搞个半死

作者: royalk 时间: 2012-3-31 17:45

heren3 发表于 2012-3-31 17:38
我觉得还是好测的吧...给个电压看那些数据针脚返回的电平是否正常

不正常就蓝屏，如果标准电压下 10min ...

其实我感觉现在的CPU超频体质漏网之鱼还是挺多的。。
不像以前，标低频的超频能力就是不如标高频的，P4 2.4C超3.6G的很少，但是3.2C超3.6G很容易

作者: heren3 时间: 2012-3-31 17:55
2.4C当年是第一代800MHz FSB（4x200）的吧，超3.6G得拉到300x4=1000MHz FSB对主板Layout压力不小？

现在的线宽太窄了，22nm，即使掩膜经过了修正，EUV的衍射还是造成了很多缺陷，没有以前的处理器可靠了

作者: whajcf 时间: 2012-3-31 18:13
灰常给力通读好几次才初步了解基础实在弱了..

作者: 石头 时间: 2012-3-31 19:22
离子注入是不是就相当于掺杂质形成PN结那个意思？

作者: heren3 时间: 2012-3-31 19:26

石头发表于 2012-3-31 19:22
离子注入是不是就相当于掺杂质形成PN结那个意思？

在掩模下可以大规模制造P，N区域

根据离子注入的原理和制造工艺难易我认为目前仍然在使用掩模下的离子注入

作者: Asuka 时间: 2012-3-31 20:59
英雄所见略同啊！我下一章就是想讲这个，正好，H3帮我讲了
这就方便多了，你这个根本不必称作补充，完成可以独立成章。
算是一个系列就成

作者: ggxuelei 时间: 2012-3-31 21:15
我之前只是了解CPU是光刻的，其他就不了解了。
写的不错

作者: maoyanjiea 时间: 2012-4-1 00:22

heren3 发表于 2012-3-31 19:26
在掩模下可以大规模制造P，N区域

根据离子注入的原理和制造工艺难易我认为目前仍然在使用掩模下的离子注 ...

光刻设备主要是佳能尼康阿斯麦这三家厂商，还有像IBM这些搞研究的偶尔会出样机
这货还是挺复杂的
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作者: maoyanjiea 时间: 2012-4-1 00:28
没记错的话互连的Cu膜是物理气相沉积（PVD），其它的膜是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）做的，蚀刻也是完全的等离子体蚀刻，那个图还是有点误导的

作者: heren3 时间: 2012-4-1 01:10

maoyanjiea 发表于 2012-4-1 00:28
没记错的话互连的Cu膜是物理气相沉积（PVD），其它的膜是等离子体增强化学气相沉积（PECVD）做的，蚀刻也是 ...

那个覆铜的确是…
PECVD已经如此广泛使用了？那层光刻胶不能用吧？

我一直有个疑问为何多层晶体管立体互连还没影子…

作者: ly182549 时间: 2012-4-1 07:21
本帖最后由 ly182549 于 2012-4-1 07:27 编辑

看i5,i7芯片透视图记得好像结构是不一样的，比如说有多大的缓存区
也就是说切割--侧体质--然后还有一个对芯片的物理处理？

作者: 512694222 时间: 2012-4-1 11:49
虽然看得晕晕呼呼的。。。但还是了解到了很多不曾了解的知识。。。

作者: maoyanjiea 时间: 2012-4-1 11:58

heren3 发表于 2012-4-1 01:10
那个覆铜的确是…
PECVD已经如此广泛使用了？那层光刻胶不能用吧？

立体的........做这个压力很大......

作者: Anakinyang 时间: 2012-4-1 15:57
除了用掩膜做离子注入以外，CMOS工艺中更常见的是采用自对准离子注入。

作者: alanrichard 时间: 2012-4-1 16:41

heren3 发表于 2012-3-31 17:55
2.4C当年是第一代800MHz FSB（4x200）的吧，超3.6G得拉到300x4=1000MHz FSB对主板Layout压力不小？

现在的 ...

EUV还没投入生产吧 22nm还是用193的 EUV不知道什么时候能用...

作者: Anakinyang 时间: 2012-4-1 16:59
单晶硅主要是靠提拉法形成，直径越大的单晶硅，越难以保证点缺陷，位错，层错等的控制，难度越大。
离子注入之前一般会先通过CVD工艺形成一层外延层，另外离子注入一般也不是首个步骤，因为外延生长时会引入掺杂剂进行掺杂。

作者: turesnob 时间: 2012-4-1 21:59
Asuka是不是dfi主板的设计师？

作者: 石头 时间: 2012-4-1 22:51
我更想知道21楼的身份……

作者: maoyanjiea 时间: 2012-4-2 00:49

alanrichard 发表于 2012-4-1 16:41
EUV还没投入生产吧 22nm还是用193的 EUV不知道什么时候能用...

几乎没进展......OTL.....

作者: Tommy1992 时间: 2012-4-3 13:55
卖沙子能卖到那么高价，服不服？

作者: aican 时间: 2012-4-6 11:40
21L肯定是也是一行业人士啊

话说，听说中国的单晶硅产能过剩了吧，去年还是前年搞这个的太多了，当时好像那个什么浪莎都想搞。这个单晶硅用得多的好像是什么西门子提炼法吧？

作者: Purplelegant 时间: 2012-4-6 12:21
受教，我大ZJU威武啊，人才辈出！

作者: mygodpp 时间: 2012-4-6 23:38
太强了

作者: moden 时间: 2012-4-7 00:38
都看不懂,不是一般人能够想象滴

作者: jenkco 时间: 2012-4-9 17:41
初中生表示只能看懂磨砂部分

作者: jenkco 时间: 2012-4-9 17:41

jenkco 发表于 2012-4-9 17:41
初中生表示只能看懂磨砂部分

PS：不是等级，是真正的初中学生~

作者: abelchrisnic 时间: 2012-4-10 15:32
估计是做一个关键性功能测试，还有老化测试，甚至关键性功能测试和脚间电压测试能鉴定一个物料是否是正品。猜想啊，猜想

作者: funking 时间: 2012-4-15 22:01
看头昏昏睡意的，但是大致的理解了，cpu是这样练成的！

作者: dsldavid 时间: 2012-4-16 18:30
太强大了，稍微明白点了，支持这样的佳作

作者: 索命书生 时间: 2012-4-17 13:24
太高科技了，压力巨大……

作者: aujoniy 时间: 2012-4-18 09:27

Tommy1992 发表于 2012-4-3 13:55
卖沙子能卖到那么高价，服不服？

这么高价格是以牺牲环境换来的，不值得的，而且大头还是让外企给赚了，中国就是在吃老本，吃环境的本，悲哀

作者: aujoniy 时间: 2012-4-18 09:29

石头发表于 2012-4-1 22:51
我更想知道21楼的身份……

这个我知道，不是业内人士就是学过无机材料的，灰常肯定

作者: kennccb 时间: 2012-4-18 19:03
原来是用沙子做的。

作者: kx945` 时间: 2012-4-19 09:47

royalk 发表于 2012-3-31 17:45
其实我感觉现在的CPU超频体质漏网之鱼还是挺多的。。
不像以前，标低频的超频能力就是不如标高频的，P4 2 ...

假如市场啥东西好销比方说市场好销的是3.0G的CPU 那么能上3.6G的CPU（因这CPU销路不好）肯定也会当3.0G的卖

毕竟CPU的寿命太短暂了

作者: royalk 时间: 2012-4-19 10:11

kx945` 发表于 2012-4-19 09:47
假如市场啥东西好销比方说市场好销的是3.0G的CPU 那么能上3.6G的CPU（因这CPU销路不好）肯定也会当3. ...

对，也有这个可能，毕竟回收成本是第一位的

作者: q69251414 时间: 2012-4-19 14:54
看着好复杂

作者: 保护蝌蚪 时间: 2012-4-20 13:44
德国的确很NB

日本光学也很NB 但是貌似民用多点

作者: 大粒 时间: 2012-4-25 16:34
学习了，楼上各位的回答都灰常专业，我只能浅薄的佩服楼主

作者: nckang 时间: 2012-4-27 23:32
这是人类文明的最高技术成就之一呀！

作者: Kiddy 时间: 2012-4-28 16:49
本帖最后由 Kiddy 于 2012-4-28 17:07 编辑

今天室友问我为什么CPU不把芯片做大一点以集成更多的晶体管，我解释说是面积增大使电路由集中式变为了分布式（大二模电讲的），再一个是散热问题，不知道我说的对不对。

P.S.: 貌似按照现在的CPU的内部总线频率是几GHz数量级，算下来波长是几十cm，应该算是远大于核心长度吧。

P.S.的P.S.:LZ四川的？ UESTC？

P.S.的P.S.的P.S.:貌似我已经认出寝室桌子了

作者: Asuka 时间: 2012-4-28 23:38
LZ和我一样ZJU的核心大小应该是在功耗制造难易度（同时也就与良率相关）成本相关的tradeoff
同时还有一点是芯片这个东西并非是奢侈品之类价格基本上停留在过往的产品相同的level 很难拉开距离
所以核心面积也就被外部条件给限制住了

作者: Asuka 时间: 2012-4-28 23:40

Kiddy 发表于 2012-4-28 16:49
今天室友问我为什么CPU不把芯片做大一点以集成更多的晶体管，我解释说是面积增大使电路由集中式变为了分布 ...

的确是四川人这点没错。高富帅哦！

作者: heren3 时间: 2012-4-29 00:36

Kiddy 发表于 2012-4-28 16:49
今天室友问我为什么CPU不把芯片做大一点以集成更多的晶体管，我解释说是面积增大使电路由集中式变为了分布 ...

我有十多个在UESTC的高中同学

作者: heren3 时间: 2012-4-29 00:49

Kiddy 发表于 2012-4-28 16:49
今天室友问我为什么CPU不把芯片做大一点以集成更多的晶体管，我解释说是面积增大使电路由集中式变为了分布 ...

铜线内电场传播速度是光速的1/10~1/20，于是在GHz下，一个时钟周期即1ns的时间内，数据大概能够前进3cm，波长其实是1~3cm这种数量级

Core i5 2500K在5.0G下，L1延时0.8ns，L2延时2.4ns，L3延时4.9ns；这不仅跟数据传输的优先级有关，这也跟缓存到处理器的距离有关

内存40ns的延时，除了跟各种CL-RCD-RP-RAS有关系之外，还有一份CPU IMC到内存15cm 5ns或者更多的数据传输时间...

作者: Kiddy 时间: 2012-4-29 01:00

heren3 发表于 2012-4-29 00:49
铜线内电场传播速度是光速的1/10~1/20，于是在GHz下，一个时钟周期即1ns的时间内，数据大概能够前进3cm， ...

也就是说，CPU本身就是按照分布式电路来设计的，核心不做的太大有一方面是考虑了各个部件之间的延迟，除此之外还有功耗、硅片良品率、制造成本等问题。

你们桌子的构造和表面纹理和我们的真的很像 = =

作者: heren3 时间: 2012-4-29 12:51
主要还是良品率问题

其次是核心线路过长导致高频率下延时严重，比如5GHz下电场在铜互连导线以1/10光速行进，每个时钟周期只能前进6mm，加上晶体管开关所耗费的时间，上一个时钟周期所计算得到的Output作为下一步计算的Input，存在着不可忽视的时间差
虽然CPU很小，可是里面的线长可不短的...
P4的超长流水线估计也就是吃了这个的亏吧，10cm的流水线在3GHz下需要20个时钟周期才能走完，还没有将晶体管开关所耗时计算进去

作者: heren3 时间: 2012-4-29 12:52
neeyuese大大以前有个签名档很经典的

Bandwitch is money, Latency forever.

作者: junweb 时间: 2012-4-29 20:57
呵呵，比老早前看过的沙子的世界介绍得更清晰，不错，真不错的栏目。

作者: guoxmcx 时间: 2012-4-29 22:11
高手啊。学习了~!

作者: qingxigreat 时间: 2012-4-30 22:40
不错的介绍，U的逻辑结构学过点，物理上的还没涉及过

作者: c592997 时间: 2012-5-2 18:00
真是詳細的解說

作者: 鲁鲁 时间: 2012-5-3 13:52
太吊了。真TMD给力。。

作者: tucksky 时间: 2012-5-3 14:24

还是没看懂。。

作者: 曾经最美 时间: 2012-5-4 13:46
膜拜中，学习了，好帖，顶起

作者: 夜带西瓜刀 时间: 2012-5-4 17:13
CPU本身制造成本并没有那么高，只是技术不公开，所以才能坐地起价

作者: rougher 时间: 2012-5-9 15:37
是洗去没曝光的光刻胶还是洗去曝光了的光刻胶啊……没看明白

作者: edison35 时间: 2012-5-10 13:48
又学习了！！

作者: badaa 时间: 2012-5-11 15:09
原来这里还有这样的文章。。。

国内也有紫外光刻机，什么水平不知道。。
现在这些半导体制程真是越来越复杂，以前翻过几本书，一个cmp工艺就把我吓跑了

作者: stormwarrior 时间: 2012-5-11 19:30
完全看不懂，没有无机化学和电子学的基础啊

作者: alex_2188 时间: 2012-5-23 10:36
看得晕晕呼呼的。。。但还是了解到了很多不曾了解的知识。。。

作者: zjhawk80 时间: 2012-5-29 17:29
太高深了，对于一个非理科的我来说真的很难理解，不过还是基本看懂了

作者: alexwl39 时间: 2012-5-31 11:02
早年听老师讲过不过那个要靠自己想象这个形象多了长姿势了！

作者: zmshuo3 时间: 2012-6-1 10:14
这个坛子高手实在是太多了，
要学习的东西太多了

作者: 蒋pj 时间: 2012-6-7 14:54

夜带西瓜刀发表于 2012-5-4 17:13
CPU本身制造成本并没有那么高，只是技术不公开，所以才能坐地起价

CPU的制造成本是不高，就是技术成本太高了，INTEL研制一代CPU都是上亿美元的花费

作者: 大菠萝电子 时间: 2012-6-12 20:27
不错不错值得学习

作者: zhrui_620 时间: 2012-6-12 23:27
有点长,有点复杂,有的初步的认识啦

作者: PRC 时间: 2012-6-13 11:17

看不懂哦

作者: kontonummer 时间: 2012-6-18 06:09
好文章支持。

作者: peng 时间: 2012-6-21 19:12
有点复杂

作者: zhoudao 时间: 2012-6-23 17:59
人家这才是真正的高科技！用实力和技术赚取全球的银子！杯具的天朝就靠卖地卖房卖资源盘剥子民们！据说连个好点的电容都造不出来！哎这个意义上说真的落后啊！！！

作者: ppkiyou 时间: 2012-6-24 09:58
我是学微电子的，哈哈。

作者: jenkco 时间: 2012-6-28 12:28
啊，太强了。我今年才初三

作者: xajhxh 时间: 2012-6-30 14:50
PCEVA牛人多啊··

作者: GrooBiG 时间: 2012-7-6 20:33
天书啊。。。。

作者: HiTom 时间: 2012-7-7 16:10
太高端了只看到砂子==》￥

作者: ladiesman2011 时间: 2012-7-7 17:42
制造这些的好商业化，型号越低用料越差，居然还加了MicroCode屏蔽相关功能

作者: zhxg208 时间: 2012-7-9 09:26
这技术，太神奇了。

作者: zzy51 时间: 2012-7-9 14:34
好贴，一定要顶

作者: pennatra 时间: 2012-7-9 21:59
知识讲座，收藏学习了

作者: wdcool 时间: 2012-7-18 15:29
顶学习了

作者: lyen2022 时间: 2012-7-31 15:39

作者: 菜鸟的菜 时间: 2012-7-31 17:20
路过= =菜鸟学习

作者: YDestinyD98 时间: 2012-8-2 22:04
给力...懂了...

作者: lxsir 时间: 2012-8-3 02:53
高端~,瞻仰~闪人~

作者: 内心的魔鬼 时间: 2012-8-7 11:17
不敢想象100-200美元的产品是通过如此复杂的工序生产出来的

作者: 飞天小袋鼠 时间: 2012-8-7 16:48
学到了谢啦~

作者: jeff1985 时间: 2012-9-7 22:19
这区帖子少，挖坟关系不大吧，新手第一帖，佩服！

作者: 逍遥昱昕 时间: 2012-10-12 09:34
太复杂了，看得头晕眼花脑振荡。

作者: 暗黑破坏神三 时间: 2012-10-12 15:56
标题: RE:
我也爱好这个，可惜不做这个，不知道可否转行入门

作者: everysun 时间: 2012-10-15 14:37
知识贴，很给力！

作者: wpo1121 时间: 2012-10-15 20:04
发现新的论坛了~不错又能学习新的技术了！

作者: littletyyd 时间: 2012-10-16 17:46
我看到就是很多面粉混呀混的，然后挪成一个大饼，然后表面加上一层一层的调料酱，最后切成一个个豆腐块，翠花，上桌----

作者: haha0bo0 时间: 2012-10-25 13:34
长见识了，写的很好，不过不懂，铜线互联道路有什么用？就为了连接所有的晶体管？？

作者: dsy4848 时间: 2012-10-28 23:10
这个真的是技术贴啊，厉害

作者: hjkissyou 时间: 2012-10-30 03:30
还是来这里好呀，GZ那边现在除了交易区外，其它不是各枪、五毛，就是吵架贴，都没有意思了。

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