處理器史話 | 處理器廠商的絕密武器之工藝之爭

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經(jīng)過了前文的敘述和講解，從第一款 Intel 4004，到當(dāng)下最新潮的 Core i7，相信大家已經(jīng)對不同階段、不同品牌處理器及其的架構(gòu)有所了解，或者有了新的認(rèn)識。在他們當(dāng)中雖然有著不盡如人意的地方，但每一代都是經(jīng)典的。

所以，本文到了這里，有必要對這些處理器做個小結(jié)：正是處理器架構(gòu)的發(fā)展推動著整個芯片產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。由此看來無論是 Intel 還是 AMD，又或者是其他芯片廠商，都是偉大的——正是有了他們的不屑努力，才讓電子行業(yè)飛速的發(fā)展著。

那么，除了架構(gòu)之外，是否還有其他的因素，在推動著處理器及整個芯片產(chǎn)品的進(jìn)步和發(fā)展呢？

答案是肯定的，還有其他三個要素：效率、功耗和工藝。

因此，各芯片廠商在努力推出新架構(gòu)的同時，也在上述三個方面做足了功夫。但是毫無疑問，在芯片性能的評價方面，架構(gòu)是首要考慮的因素。現(xiàn)在，不妨改變一下思路，換個角度，將各品牌處理器進(jìn)行橫向的對比，來探究各廠商在設(shè)計方面的“攻芯計”，同時欣賞一場精彩紛呈的 CPU 之爭。

3.1 工藝之爭
什么是工藝？工藝可以決定什么？

在解釋 CPU 的生產(chǎn)工藝之前，有必要知道一個問題：CPU 是怎么被制造出來的。

1. 芯片的制造流程
簡單來說，CPU 的生產(chǎn)過程分為如下的 7 個步驟，如下圖所示：
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CPU 的制作工藝流程

CPU 的制作，是個相當(dāng)復(fù)雜的流程，詳情可以查閱相關(guān)的資料，在這里對照上圖，對各環(huán)節(jié)的要點簡單進(jìn)行描述：

第 1 步：硅提純
生產(chǎn) CPU 等芯片的材料是半導(dǎo)體，現(xiàn)階段主要的材料是硅 Si，原材料為常見的沙子，硅將被熔化，并放進(jìn)一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種，以便硅晶體圍著這顆晶種生長，直到形成一個幾近完美的單晶硅。整體基本呈圓柱形，重約 100 千克，硅純度 99.9999％。

第 2 步：切割晶圓
硅錠造出來了，并被整型成一個完美的圓柱體，接下來將被切割成片狀：用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規(guī)格的硅晶片，并將其劃分成多個細(xì)小的區(qū)域，每個區(qū)域都將成為一個 CPU 的內(nèi)核(Die)。因為硅錠是圓的，所以切片也是圓形的，稱為晶圓。
晶圓才被真正用于 CPU 的制造，一般來說，晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的 CPU 成品就越多。

第 3 步：影?。≒hotolithography）
在經(jīng)過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻(Photoresist)物質(zhì)，紫外線通過印制著 CPU 復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)圖樣的模板照射硅基片，被紫外線照射的地方光阻物質(zhì)溶解。
而為了避免讓不需要被曝光的區(qū)域也受到光的干擾，必須制作遮罩來遮蔽這些區(qū)域。這是個相當(dāng)復(fù)雜的過程，每一個遮罩的復(fù)雜程度得用 10GB 數(shù)據(jù)來描述。

第 4 步：蝕刻(Etching)
這是 CPU 生產(chǎn)過程中重要操作，也是 CPU 工業(yè)中的重頭技術(shù)。蝕刻技術(shù)把對光的應(yīng)用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光并配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來停止光照并移除遮罩，使用特定的化學(xué)溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜，以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。

然后，曝光的硅將被原子轟擊，使得暴露的硅基片局部摻雜，從而改變這些區(qū)域的導(dǎo)電狀態(tài)，以制造出 N 井或 P 井，結(jié)合上面制造的基片，CPU 的門電路就完成了。

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第 5 步：重復(fù)、分層
為加工新的一層電路，再次生長硅氧化物，然后沉積一層多晶硅，涂敷光阻物質(zhì)，重復(fù)影印、蝕刻過程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結(jié)構(gòu)。重復(fù)多遍，形成一個 3D 的結(jié)構(gòu)，這才是最終的 CPU 的核心。

每幾層中間都要填上金屬作為導(dǎo)體。Intel 的 Pentium 4 處理器有 7 層，而 AMD 的 Athlon 64 則達(dá)到了 9 層。層數(shù)決定于設(shè)計時 CPU 的布局，以及通過的電流大小。下圖為 IC 晶片電路的 3D 效果圖。

IC 晶片的 3D 剖面圖 (Source：Wikipedia)

第 6 步：封裝
這時的 CPU 是一塊塊晶圓，它還不能直接被用戶使用，必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中，這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結(jié)構(gòu)各有不同，但越高級的 CPU 封裝也越復(fù)雜，新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩(wěn)定性的提升，并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎(chǔ)。

第 7 步：測試
試是一個 CPU 制造的重要環(huán)節(jié)，也是一塊 CPU 出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什么差錯，以及這些差錯出現(xiàn)在哪個步驟（如果可能的話）。接下來，晶圓上的每個 CPU 核心都將被分開測試。

• ?每塊 CPU 將被進(jìn)行完全測試，以檢驗其全部功能：
• ?某些 CPU 能夠在較高的頻率下運行，所以被標(biāo)上了較高的頻率；
• ?而有些 CPU 因為種種原因運行頻率較低，所以被標(biāo)上了較低的頻率。

最后，個別 CPU 可能存在某些功能上的缺陷，如果問題出在緩存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存，這意味著這塊 CPU 依然能夠出售，只是它可能是 Celeron 等低端產(chǎn)品。
當(dāng) CPU 被放進(jìn)包裝盒之前，一般還要進(jìn)行最后一次測試，以確保之前的工作準(zhǔn)確無誤。根據(jù)前面確定的最高運行頻率和緩存的不同，它們被放進(jìn)不同的包裝，銷往世界各地。

在了解 CPU 的生產(chǎn)過程之后，問題也隨之而來：
隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，CPU 應(yīng)該是越做越小？可為什么現(xiàn)在 CPU 好像尺寸并沒有減少多少，那么是什么原因呢？

實際上 CPU 廠商很希望把 CPU 的集成度進(jìn)一步提高，同樣也需要把 CPU 做得更小，但是因為現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝還達(dá)不到這個要求。

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2. CPU 的生產(chǎn)工藝
生產(chǎn)工藝這 4 個字到底包含些什么內(nèi)容呢，這其中有多少高精尖技術(shù)的匯聚，CPU 生產(chǎn)廠商是如何應(yīng)對的呢？下面將根據(jù)上面 CPU 制造的 7 個步驟展開敘述，來一起了解當(dāng)今不斷進(jìn)步的 CPU 生產(chǎn)工藝。

1) 晶圓尺寸
硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因為這樣每塊晶圓能生產(chǎn)更多的芯片。請看下面的數(shù)據(jù)對比：

對比數(shù)據(jù) 1：同樣使用 0.13 微米的制程

但是在成本方面，300mm 晶圓實際的成本并不會比 200mm 晶圓來得高多少，這就意味著使用大尺寸的晶圓，會帶來更高的性價比，因此，芯片生廠商自然不會放棄這個商機。
既然大尺寸的晶圓這么受歡迎，那么是否可以把晶圓直徑做的盡量大些呢?

答案是：不可以。

這是由于硅晶圓具有的一個特性——在晶圓生產(chǎn)過程中，離晶圓中心越遠(yuǎn)就越容易出現(xiàn)壞點，壞點從硅晶圓中心向外擴展，數(shù)量呈上升趨勢。見下圖所示：

集成芯片的硅晶圓圖像

在硅晶圓圖示中，用黃點標(biāo)出的地方是表示這個地方存在一定缺陷，或是在硅晶圓被蝕刻入的晶體管起不了任何作用，這一切是由于制造技術(shù)限制而造成的，任何一個存在上面問題的芯片將因不能正常工作而被報廢。上圖中，一塊硅晶圓中蝕刻了 16 個晶體管，但其中 4 個晶體管存在缺陷，因此不得不把 16 個芯片中的 4 個報廢掉(即占這塊硅晶圓的 1/4 )。

如果這塊硅晶圓代表生產(chǎn)過程中生產(chǎn)的所有硅晶圓，這意味著廢品率就是 1/4，這種情況將導(dǎo)致制造成本的上升。

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正式由于這個特性限制了硅晶圓的尺寸，因此芯片生產(chǎn)廠商無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。

總的來說，一套特定的硅晶圓生產(chǎn)設(shè)備所能生產(chǎn)的硅晶圓尺寸是固定的，如果對原設(shè)備進(jìn)行改造來生產(chǎn)新尺寸的硅晶圓的話，花費的資金是相當(dāng)驚人的，這些費用幾乎可以建造一個新的生產(chǎn)工廠。不過，半導(dǎo)體生產(chǎn)商們也總是盡最大努力控制晶圓上壞點的數(shù)量，生產(chǎn)更大尺寸的晶圓。

以 Intel 的產(chǎn)品為例，各產(chǎn)品使用晶圓尺寸的信息表如下：

Intel、三星、臺積電已經(jīng)于 2012 年投產(chǎn) 450mm（18 寸）晶圓，450mm 晶圓無論是硅片面積還是切割芯片數(shù)都是 300mm 的兩倍多，因此每顆芯片的單位成本都會大大降低。另外，大尺寸晶圓還會提高能源、水等資源的利用效率，減少對環(huán)境污染、溫室效應(yīng)全球變暖、水資源短缺的影響。在歷史上，轉(zhuǎn)移至更大的晶圓直徑帶來了每單位尺寸 20%以上的成本降低幅度。不過龐大的財務(wù)與技術(shù)障礙，仍持續(xù)阻礙半導(dǎo)體制造往 450mm 晶圓的發(fā)展與轉(zhuǎn)移；因此產(chǎn)業(yè)界往更大尺寸晶圓發(fā)展的腳步顯著趨緩，各家半導(dǎo)體業(yè)者也積極將 12 寸(300mm)與 8 寸(200mm)晶圓的利用效益最大化。

4 種尺寸晶圓的比較 (Source：Wikipedia)

2) 蝕刻尺寸
蝕刻尺寸是制造設(shè)備在一個硅晶圓上所能蝕刻的一個最小尺寸，這個尺寸是在最小的晶體管的尺寸，因此是 CPU 核心制造的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

在制造工藝相同時，晶體管越多處理器內(nèi)核尺寸就越大，一塊硅晶圓所能生產(chǎn)的芯片的數(shù)量就越少，每顆 CPU 的成本就要隨之提高。反之，如果更先進(jìn)的制造工藝，意味著所能蝕刻的尺寸越小，一塊晶圓所能生產(chǎn)的芯片就越多，成本也就隨之降低。

繼續(xù)以 Intel 的產(chǎn)品為例，各產(chǎn)品使用蝕刻尺寸的信息表如下：

現(xiàn)在回顧一下前面的內(nèi)容，Intel 從第五代智能 Core 處理器的 Broadwell 開始，便使用了 14nm 工藝，至于這個尺寸可以持續(xù)多久，何時被突破，請大家拭目以待。

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此外，每一款 CPU 在研發(fā)完畢時其內(nèi)核架構(gòu)就已經(jīng)固定了，后期并不能對核心邏輯再作過大的修改。因此，隨著頻率的提升，它所產(chǎn)生的熱量也隨之提高，而更先進(jìn)的蝕刻技術(shù)另一個重要優(yōu)點就是可以減小晶體管間電阻，讓 CPU 所需的電壓降低，從而使驅(qū)動它們所需要的功率也大幅度減小。所以看到每一款新 CPU 核心，其電壓較前一代產(chǎn)品都有相應(yīng)降低，又由于很多因素的抵消，這種下降趨勢并不明顯。

通過前文，大家已經(jīng)獲悉：蝕刻這個過程是由光完成的，所以用于蝕刻的光的波長就是該技術(shù)提升的關(guān)鍵，下表為各光線的波長及對應(yīng)的制程。

90nm 的晶體管到底有多小呢，請看下圖：

90nm 的晶體管大小(左)與流行感冒病毒的大小(右)比較

3. Intel 與其他芯片廠商在生產(chǎn)工藝上的 PK
以上兩點就是 CPU 制造工藝中的兩個因素決定，也是基礎(chǔ)的生產(chǎn)工藝，這里以兩個 CPU 巨頭的 PK 來進(jìn)一步解釋 CPU 的工藝之爭。

1) Intel 與 AMD 在 0.25 微米制程上的 PK
Intel 是全球制造技術(shù)最先進(jìn)且擁有工廠最多的公司，Intel 有 10 家以上的工廠做 CPU，它掌握的技術(shù)也相當(dāng)多。

AMD 和 Intel 相比則是一家小公司，加上新工廠 Fab36，它有 3 家左右的 CPU 制造工廠。同時 AMD 沒有能力自己研發(fā)很多新技術(shù)，它主要是通過戰(zhàn)略合作關(guān)系獲取技術(shù)。

AMD 和 Intel 在技術(shù)上處于同一水平，不過在向 0.18 微米轉(zhuǎn)移時落在了后面。在感覺無法獨自趕上 Intel 之后，AMD 和摩托羅拉建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。摩托羅拉擁有很多先進(jìn)的電子制造技術(shù)，用于 Apple 電腦 PowerPC 的芯片 HiPerMOS7(HiP7)就是他們完成的；AMD 在獲得授權(quán)后一下子就擁有了很多新技術(shù)，其中部分技術(shù)甚至比 Intel 的 0.13 微米技術(shù)還要好。

現(xiàn)在 AMD 選擇了 IBM 來共同開發(fā) 65 納米和 45 納米制造技術(shù)。它選擇的這些都是相當(dāng)有前景的合作伙伴，特別是 IBM，一直作為業(yè)界的技術(shù)領(lǐng)袖，它是第一個使用銅互連、第一個使用低 K 值介電物質(zhì)、第一個使用 SOI 等技術(shù)的公司。AMD 獲得的大多數(shù)技術(shù)很先進(jìn)，而且對生產(chǎn)設(shè)備的要求不高，生產(chǎn)成本控制的很低，這也是 AMD 的優(yōu)勢。

AMD 的新工廠 Fab36 中采用的 APM 3.0 (Automated Precision Manufacturing)技術(shù)，可進(jìn)一步實現(xiàn)制造的自動化，效率化。同時 AMD 還建造了自己的無塵實驗室。
至于 PK 的結(jié)果，不言自明。

2) 在金屬互連層上 PK
回顧在芯片的制作流程中的“重復(fù)、分層”，知道了不同 CPU 的內(nèi)部互連層數(shù)是不同的。這和廠商的設(shè)計是有關(guān)的，但它也可以間接說明 CPU 制造工藝的水平。

在這項設(shè)計方面，Intel 在這方面已經(jīng)落后了：

• 當(dāng)他們在 0.13 微米制程上使用 6 層技術(shù)時，其他廠商已經(jīng)使用 7 層技術(shù)了；
• 當(dāng) Intel 準(zhǔn)備好使用 7 層時，IBM 已經(jīng)開始了 8 層技術(shù)；
• 當(dāng) Intel 在 Prescott 中引人 7 層帶有 Low k 絕緣層的銅連接時，AMD 已經(jīng)用上 9 層技術(shù)了。
• 更多的互連層可以在生產(chǎn)上億個晶體管的 CPU(比如 Prescott)時提供更高的靈活性。下圖為 7 層金屬銅互連技術(shù)顯微圖片：

7 層金屬銅互連技術(shù)顯微圖片

為什么要強調(diào)這個金屬互連層呢？

因為在芯片的加工過程，當(dāng)晶體管的尺寸不斷減小而處理器上集成的晶體管又越來越多，連接這些晶體管的金屬線路就更加重要了。特別是金屬線路的容量直接影響信息傳送的速度。

在 90 納米制程上，Intel 推出了新的絕緣含碳的二氧化硅來取代氟化硅酸鹽玻璃，并同時表示這可以增加 18%的內(nèi)部互連效率。

直到此時，在這一輪的 PK 中，Intel 總算找回來一些面子。
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與非網(wǎng)原創(chuàng)，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（下）

之四：處理器的三國時代：蘋果攪動 MCU 江湖

之五：處理器的三國時代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉(zhuǎn)身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計：英特爾如何稱霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱霸 PC 處理器市場的“曇花一現(xiàn)”

之八：CPU 兩大陣營對擂，X86 構(gòu)架讓英特爾如日中天

之九：你知道 X86 構(gòu)架，你知道 SH 構(gòu)架嗎？

之十：SuperH 系列處理器：昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”

之十一：MIPS 構(gòu)架：曾經(jīng)是英特爾的“眼中釘”

之十二：MIPS 構(gòu)架之：我和龍芯有個約會

之十三：ARM 架構(gòu)：有處理器之處，皆有 ARM

之十四：ARM 和英特爾還有一場“硬仗”要打！

之十五：PowerPC 架構(gòu)：IBM 的一座金礦

之十六：PowerPC 和它的“前輩們”：曾經(jīng)那么風(fēng)華絕代

之十七：PowerPC 和它的“前輩們”：一代更比一代強

之十八：當(dāng) Power 架構(gòu)的發(fā)展之路遭遇“滑鐵盧”

之十九：開啟多核時代的 Yonah：它是英特爾酷睿 core 的開發(fā)代號

之二十：除了 Core iX 系列，你未曾注意的架構(gòu)還有這些！