造个CPU有多难

超载

CPU是每臺电脑的中枢，相当于电脑的“大脑”，不过想要生产这个“大脑”是需要极高门槛的。注意，我们说的是制造，随着“代工”行业的蓬勃发展，现在能够设计的CPU公司有一些，能制造CPU的公司又是另一部分企业，能够同时实现CPU设计、生产制造的，那就更是凤毛麟角了。

我们经常能看到一句玩笑话“CPU就是沙子”，理论上这句话没有错误，但是要想实现从“沙子到CPU”的转变，那真是无比困难。总体来说，CPU的制造过程需要一个非常冗长的制作阶段，每一步都是集尖端技术之大成。

从沙提纯开始

目前CPU的制造，是基于一种名为硅（sili con）的化学元素。它是半导体，CPU的计算是通过半导体的不断“开/关（导通/断开）”来完成的，所以实际上CPU的最核心部件某种程度上可以被称作“硅做的半导体开关总和”。

硅是外观带着灰蓝色金属光泽且坚硬易碎的晶体，亦是一种四价的类金属半导体。它广泛分布于我们的地壳中——因此我们通常就是从沙子中对硅进行高度提纯，也就是有些人说的“沙子变CPU”。这个提纯的过程并不是用筛子进行筛选，它首先需要用焦炭去烧沙子，从而得到粗炼的硅，注意这时只是硅。接下来就是精炼提纯，主要是使用化学沉积法实现，精炼提纯步骤完成后，粗炼的硅纯度就提升到了99.99%。这还不够，要让硅成为硅晶体，还需要通过石英熔炉进行再次提纯，并且“塑形”。提纯的过程大致是在一个巨大的石英熔炉中放入一颗“晶种”，用于沙子中的硅晶体依附其上开始“生长”，并且通过提拉手段让其形成柱体状。当然，这个过程不是如此简单，因为制造CPU需要的硅晶体纯度是惊人的99.999999999%。此时，便是我们说的硅晶圆了。

说了这么多，为什么半导体需要用硅来制作呢？除了容易获得、成本低廉之外，硅具有非常好的热稳定性。举例来说，CPU超频在使用液氮散热时可以让其工作在极低的温度;而在日常使用中，几十度的“炙烤”下CPU依然可以稳定运行，这就是硅的特质——热稳定性带来的好处。

从柱体切割晶圆

有了单晶硅，下一步的工作就是把它变成硅晶圆。在绝对无尘的环境下，通过“金刚线”切割变成硅晶圆。这个过程不是单纯的“一切了事”，切的方法也是根据硅晶圆的尺寸而有所区别的。

在200mm直径以下的晶圆上，准确的说它并不是纯粹的圆柱体，而是有一个平切面，作用就是为了更好的定位（后续工艺使用）。到了200mm以上的晶圆上，为了尽量利用晶圆生产更多的芯片，减少不必要的浪费，这个平切面就“变成”了一个小切口，这样可以节省一部分晶圆面积，用来制造芯片。

听起来很容易，不就是切割成片吗？实际不然，在半导体晶圆切割过程中，由于机械力的作用，半导体晶圆边沿容易出现微裂、崩边和应力集中点，半导体晶圆表面也存在应力分布不均和损伤，这些缺陷是造成半导体晶圆制造中产生大量滑移线、外延层错、滑移位错、微缺陷等二次缺陷以及半导体晶圆、芯片易破裂的重要因素。所以，这就需要极高技术水平的切割工艺来实现，从而克服线锯的晃动、提高其稳定性，减少对降低硅片表面损伤、特别是表面较粗糙的缺陷。

听起来是不是已经非常困难了？实际在CPU制造过程中，这点技术难度还不算什么。更难的事情在后面。现在这个切好的薄片并不能做什么，甚至现在它还都不是一个真正的“半导体”，接下来的步骤是给这个切片涂抹光阻剂，这个光阻剂的涂抹需要非常均匀而且非常薄，相当于把这个晶圆切片成为一个胶片底板，方便后续的影印、蚀刻。

“拍照、印刷”制作基板

制造CPU的晶圆切片只能算个“准备工作”，接下来我们就要用这些涂抹了光阻剂的切片进行“拍照”。工厂将使用专业设备通过紫外线将印制了CPU复杂电路结构图样的“模板”照射到这些晶圆切片之上，图样的透光部分射出的紫外线，会让照射到的部位光阻剂溶解，而模板上不透光的部分会使得相应地点的光阻剂保留下来，也就是“该曝光的地方曝光、该隐藏的地方隐藏”。之后涂上金属层，就形成了一个粗糙的线路或者说芯片模块的雏形，这个过程相当于给后续CPU制造做一个“基板”。

笔者这个形容其实极为简化，这个过程的复杂程度超出想象——每个遮罩、照射的复杂性，都是以10GB为单位的数据来实现的，绝非是“拍照曝光”那么简单。

蚀刻 电路成“画”的关键

蚀刻也称之为光刻（使用光来蚀刻 ），就是在已经做好基板的晶圆切片上，将真正的电路刻画出来，这是CPU制造的关键核心步骤，也是最为复杂的一个步骤。

蚀刻就是使用一定波长的光在晶圆上（实际是已经涂上的金属层）画出刻痕，由此改变该处（刻痕）的化学特性，从而实现真正的电路工作机能。这一步骤对光线的波长要求极为严格，更先进的技术可以生产更小的电路间隙，也就是我们通常意义上看到的CPU制程工艺，如28nm、14nm、7nm乃至5nm。

光刻機需要使用短波长的紫外线（或极紫外线）和大曲率的透镜——光刻机的制造更为复杂，是生产芯片的关键核心设备。然而，并不是说每一个蚀刻过程都是100%成功的，它也会受到晶圆切片上“污点”的影响，这个成功率的多与少，就是通常我们讲的“良品率”了。

而且，蚀刻并不是一次就够的，随着芯片的发展其设计往往越发复杂，这就意味着需要更多的电路来实现设计的功能。所以需要反反复复在晶圆上一层一层的蚀刻，而且每一层蚀刻前都需要重复涂抹光阻剂、影印的过程（也就是形成一层一层的基板），现在CPU蚀刻的步骤通常都需要20步（每一步就是蚀刻一层）以上。

如果使用放大镜去看每一层蚀刻的电路图，你会惊讶的发现，在这个不到100平方毫米的方寸之间竟然可以容纳下一个大型城市的详尽地图还多，注意哦，这还只是单层而已（整个CPU通常是数十亿记的晶体管，都是这样蚀刻而成）。

这还会产生一个问题，每一层之间如何互相连通？在多层之间连通需要考虑的不仅仅是尺寸问题，还有漏电、电阻等诸多问题。这就引出了我们进来常能听到的技术名词，如FinFET等。通过这些先进的制程技术，可以让电路之间的导通更为高效、更为紧凑，从而让CPU发挥出它设计之时应有的电气性能。

当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆会翻到另一面，再使用短波长的光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板。之后通过化学方法除去暴露在外边的光阻材料等辅助物质，而在镂空位置的下方生成二氧化硅。

封装、测试 成为产品前的最后两步

经过CPU的核心制造步骤，这个时候CPU还只是并排“躺在晶圆切片”上，通过切割晶圆下来的每一个“小方块”，就是一个CPU的核心部分，通俗上我们管这个叫做DIE面。接着要做的就是封装了。每一个被切割下来的小方块，将被安装在基板上，用以引出引脚电路，这个基板的材质目前多为塑料，以往还有部分采用陶瓷材质。

封装的意义并不仅仅是把这颗小芯片能有办法“插”到主板上，更关键的问题在于，CPU本身的晶体管密度已经超乎寻常，然而主板的布线密度相形之下就要“稀疏”许多了，这个落差如何让二者能完美结合就是个巨大的挑战。封装原本只不过是连接安装之用，而今也承担了这个重任——以最低成本将高密度与低密度线路结合在一起。

此时我们可以正式将其称之为“CPU”了，接下来就是进入测试阶段，这个测试阶段可不是单纯看看性能而已，每一颗生产出来的CPU都要经历这一部。测试主要是考验CPU的电气性能，是否有差错，以及差错的溯源工作。甚至，CPU内每个核心都要经过单独的测试。这其中，CPU的SRAM（静态随机存储器）缓存是重点测试项目。

除了这些，就是基本的功能性、性能方面的测试，在这个步骤里，哪些频率上会上不去，哪些缓存上有缺陷，哪些功能上有缺失（如核显）。通过屏蔽、调整，CPU将开始分出“三六九等”，英特尔酷睿i3、英特尔酷睿i5、英特尔酷睿i7还是i9，AMD锐龙3、锐龙5还是锐龙7，就是在这个测试环节被区分出来的。

最后将CPU的型号、编码等刻到顶盖，再经过包装，一颗可以成为商品化的CPU就诞生了。这个过程描述起来也不过聊聊数千字，但是真正要实现完整一套制造流程（暂不包括设计），其技术门槛还是非常高的。