当前位置：首页 > news >正文

【硬件基础篇】：CPU如何被制造出来

news 2025/10/27 7:20:35

文章目录

1. 从设计到实物
2. CPU的完整生产流程

1. 从设计到实物

从设计到实物：数字电路描述的是晶体管之间的连接关系，是设计层面；芯片是可以安装到电子设备中的实际元器件，是物理实体；CPU的生产过程就是从数字电路到芯片的物理实现过程。

半导体行业的产业分工：

设计：电子工程师使用计算机和EDA这些生产工具进行设计工作，没有生产线和工人，这样的公司称为“无晶圆厂IC设计公司”（Fabless）。
生产：芯片制造外包给专业的晶圆代工厂，工作内容包括生产晶圆、流片。
封测：封装和测试环节会外包给专业的封装测试厂商（如长电科技、通富微电）。

IC 设计公司的核心流程：

需求与规格定义：结合下游设备（如手机、服务器）需求，确定芯片的功能、性能、功耗等核心指标，输出芯片规格。
逻辑设计与验证：用硬件描述语言（如 Verilog）绘制数字电路逻辑，再通过 EDA 工具进行仿真验证，确保电路连接和功能符合设计要求。
物理设计与 tapeout：将逻辑设计转化为芯片的物理版图（即晶体管在晶圆上的布局），完成后向晶圆代工厂交付版图文件（tapeout），启动制造环节。
协助测试与迭代：收到晶圆代工厂的成品后，协助进行功能测试，根据问题反馈优化设计，为下一轮生产提供改进方案。

什么是CPU的纳米工艺？：

纳米技术（Nanotechnology）是利用单个原子、分子来生产制造物质的技术，纳米级别通常是指0.1nm~100nm，是目前微加工技术的极限。
CPU的纳米工艺是指栅极沟道的最小宽度。一个晶体管有3个引脚，晶体管导通的时候，电流从源极（Source）流入漏极（Drain），中间的栅极（Gate）相当于一个水龙头的闸门，它负责控制源极和漏极之间电流的通断。
栅极的宽度对芯片的功耗和响应速度都有影响。电流通过栅极时会损耗，栅极越窄则芯片的功耗越小。栅极越窄也可以使晶体管的导通时间变短，有利于提升芯片的工作频率。

2. CPU的完整生产流程

为什么把硅作为生产芯片的首选材料：

地壳中含量最高的元素是氧，占48.60%；其次是硅，占26.30%。所以硅是非常充足的资源，不会像石油、稀土一样成为稀有资源。
纯净的硅是良好的绝缘体，而如果向硅中掺一些杂质（例如某一种金属离子），就能够改变其导电性能，还可能根据掺进的杂质浓度来调节导电性能的高低。这样就可以方便地在一整块硅材料中做出绝缘的部分和导电的部分。

CPU的完整生产流程：

沙子：沙子的主要成分是二氧化硅(SiO2)，主要来源是地壳中的岩石，岩石在外力作用下形成碎片，又在多年风化作用之下形成。
熔炼：对二氧化硅进行脱氧处理与多步净化，最终得到适用于半导体制造的高纯度硅 —— 其学名是电子级硅（Electronic Grade Silicon，简称 EGS）。这种硅的纯度极高，平均每百万个硅原子中，杂质原子数量不超过一个。通过硅净化熔炼得到的圆柱形大晶体称为硅锭（Ingot），质量约100kg，硅纯度为99.9999％。
硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，每一片称为晶圆（Wafer）。
光刻：首先在晶圆表面均匀涂抹一层光刻胶（Photo Resist）。随后在光刻胶上方覆盖一块预先制作好电路版图的玻璃 —— 即掩膜版（Mask），其特殊之处在于：对应电路的区域呈透光状态，无电路的区域则为不透光状态。当紫外光照射掩膜版时，光线会透过其透光区域，照射到下方的光刻胶上，使被照射的光刻胶发生化学性质的改变。最后，用特定溶液对晶圆进行清洗，此时与电路区域对应的光刻胶（即被光线照射过的部分）会被溶解去除，从而在光刻胶层上留下与掩膜版一致的电路图案轮廓。
离子注入：向晶圆表面发射高速金属离子束，离子会精准轰击未被光刻胶覆盖的晶圆区域，并注入硅片内部。当金属离子的掺入浓度达到阈值时，这部分硅的电学性质会发生改变，从而具备导电能力。
蚀刻：蚀刻的核心作用是在晶圆表面有选择性地去除部分硅层，例如为铺设金属导线铺设预留凹槽，其流程与光刻技术相配合。首先，通过光刻工艺在晶圆表面做好保护 —— 让不需要去除的区域被光刻胶完整覆盖，仅露出需要蚀刻的部分。随后，用特定酸液对晶圆进行清洗，此时未被光刻胶保护的硅层表面会被酸液溶解，逐渐形成向内凹陷的凹槽。这些凹槽恰好为后续金属导线的铺设提供了空间，便于精准完成电路连接。
生成多层电线：复杂的芯片往往是由多层硅组成的，在每一层硅加工完成后，需要将绝缘材料铺设在已经完成加工的硅层表面，然后再加工下一层硅。
晶圆测试：测试设备通过探针与晶圆上的芯片（Die）引脚接触，对每个芯片的功能、性能、功耗等指标进行检测，筛选出存在缺陷的芯片，确保后续流程仅针对合格芯片进行，提升最终产品良率。
晶圆切割：用锋利的切割工具把晶圆分成CPU晶片，每一个小片包含一个CPU的完整电路，每一个CPU晶片就是一个处理器的内核（Die）。
封装：CPU晶片被放到一个绝缘的底座上，这个底座称为衬底（也称为基片）。底座下面是用于连接到主板的焊点。晶片上面还要覆盖一个金属壳，称为散热片。衬底和散热片共同保护晶片不受外力损坏，合起来形成最终的芯片产品。
测试：芯片生产出来要进行各种检验，有瑕疵的芯片会被淘汰掉，合格的芯片装箱发货给计算机制造商。