cpu芯片的制作工艺 - 芯片和CPU有什么不同?解析CPU制造全过程
cpu芯片的制作工艺
随着生产工艺的进步, CPU 应该是越做越小?可为什么现在 CPU 好像尺寸并没有减少多少,那么是什么原因呢?实际上 CPU 厂商很希望把 CPU 的集成度进一步提高,同样也需要把 CPU做得更小,但是因为现在的生产工艺还达不到这个要求。
生产工艺这 4 个字到底包含些什么内容呢,这其中有多少高精尖技术的汇聚, CPU 生产厂商是如何应对的呢?
晶圆尺寸
硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好,因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如,同样使用 0.13 微米的制程在 200mm 的晶圆上可以生产大约 179个处理器核心,而使用 300mm 的晶圆可以制造大约 427 个处理器核心, 300mm 直径的晶圆的面积是 200mm 直径晶圆的 2.25 倍,出产的处理器个数却是后者的 2.385 倍,并且 300mm 晶圆实际的成本并不会比 200mm 晶圆来得高多少,因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。
然而,硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸,那就是在晶圆生产过程中,离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展,坏点数呈上升趋势,这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。
总的来说,一套特定的硅晶圆生产设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定的,如果对原设备进行改造来生产新尺寸的硅晶圆的话,花费的资金是相当惊人的,这些费用几乎可以建造一个新的生产工厂。不过半导体生产商们也总是尽最大努力控制晶圆上坏点的数量,生产更大尺寸的晶圆,比如 8086 CPU 制造时最初所使用的晶圆尺寸是 50mm ,生产 Pentium 4 时使用 200mm 的硅晶圆,而 Intel 新一代 Pentium 4 Prescott 则使用 300mm 尺寸硅晶圆生产。 300mm 晶圆被主要使用在 90 纳米以及 65 纳米的芯片制造上。
蚀刻尺寸
蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸,是 CPU 核心制造的关键技术参数。在制造工艺相同时,晶体管越多处理器内核尺寸就越大,一块硅晶圆所能生产的芯片的数量就越少,每颗 CPU 的成本就要随之提高。反之,如果更先进的制造工艺,意味着所能蚀刻的尺寸越小,一块晶圆所能生产的芯片就越多,成本也就随之降低。比如 8086 的蚀刻尺寸为 3 μ m, Pentium 的蚀刻尺寸是 0.90 μ m ,而 Pentium 4 的蚀刻尺寸当前是 0.09 μ m ( 90 纳米)。 2006 年初 intel 酷睿发布,采用 65nm 蚀刻尺寸,到 2008 年酷睿 2 已经发展到 45nm 蚀刻尺寸, 2010 年 1 月英特尔发布第一代 Core i 系列处理器采用 32nm 的蚀刻尺寸, 2012 年 4 月,英特尔发布第三代 Core i 系列处理器采用 22nm 蚀刻尺寸, 2015 年初第五代 Core i 系列处理器采用 14nm 蚀刻尺寸,直到 2016 年第七代 Core i 系列 KabyLake 架构的处理器还在延续使用 14nm 蚀刻尺寸。
此外,每一款 CPU 在研发完毕时其内核架构就已经固定了,后期并不能对核心逻辑再作过大的修改。因此,随着频率的提升,它所产生的热量也随之提高,而更先进的蚀刻技术另一个重要优点就是可以减小晶体管间电阻,让 CPU 所需的电压降低,从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。所以我们看到每一款新 CPU 核心,其电压较前一代产品都有相应降低,又由于很多因素的抵消,这种下降趋势并不明显。
我们前面提到了蚀刻这个过程是由光完成的,所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键。目前在 CPU 制造中主要是采用 2489 埃和 1930 埃( 1 埃 =0.1 纳米)波长的氪 / 氟紫外线,1930 埃的波长用在芯片的关键点上,主要应用于 0.18 微米和 0.13 微米制程中,而目前 Intel 是最新的 90 纳米制程则采用了波长更短的 1930 埃的氩 / 氟紫外线。
以上两点就是 CPU 制造工艺中的两个因素决定,也是基础的生产工艺。这里有些问题要说明一下。 Intel 是全球制造技术最先进且拥有工厂最多的公司( Intel 有 10 家以上的工厂做 CPU),它掌握的技术也相当多,后面有详细叙述。 AMD 和 Intel 相比则是一家小公司,加上新工厂 Fab36 ,它有 3 家左右的 CPU 制造工厂。同时 AMD 没有能力自己研发很多新技术,它主要是通过战略合作关系获取技术。
在 0.25 微米制程上, AMD 和 Intel 在技术上处于同一水平,不过在向 0.18 微米转移时落在了后面。在感觉无法独自赶上 Intel 之后, AMD 和摩托罗拉建立了战略合作伙伴关系。摩托罗拉拥有很多先进的电子制造技术,用于 Apple 电脑 PowerPC 的芯片 HiPerMOS7(HiP7) 就是他们完成的; AMD 在获得授权后一下子就拥有了很多新技术,其中部分技术甚至比 Intel 的 0.13 微米技术还要好。现在 AMD 选择了 IBM 来共同开发 65 纳米和 45 纳米制造技术。它选择的这些都是相当有前景的合作伙伴,特别是 IBM ,一直作为业界的技术领袖,它是第一个使用铜互连、第一个使用低 K 值介电物质、第一个使用 SOI 等技术的公司。 AMD 获得的大多数技术很先进,而且对生产设备的要求不高,生产成本控制的很低,这也是 AMD 的优势。
图为 AMD 的新工厂 Fab36 中采用的 APM 3.0 (Automated Precision Manufacturing) 技术,可进一步实现制造的自动化,效率化。同时 AMD 还建造了自己的无尘实验室。
金属互连层
在前面的第 5 节“重复、分层”中,我们知道了不同 CPU 的内部互连层数是不同的。这和厂商的设计是有关的,但它也可以间接说明 CPU 制造工艺的水平。这种设计没有什么好说的了, Intel 在这方面已经落后了,当他们在 0.13 微米制程上使用 6 层技术时,其他厂商已经使用 7 层技术了;而当 Intel 准备好使用 7 层时, IBM 已经开始了 8 层技术;当 Intel 在 Prescott 中引人 7层带有 Low k 绝缘层的铜连接时, AMD 已经用上 9 层技术了。更多的互连层可以在生产上亿个晶体管的 CPU( 比如 Prescott) 时提供更高的灵活性。
我们知道当晶体管的尺寸不断减小而处理器上集成的晶体管又越来越多的时候,连接这些晶体管的金属线路就更加重要了。特别是金属线路的容量直接影响信息传送的速度。在 90 纳米制程上, Intel 推出了新的绝缘含碳的二氧化硅来取代氟化硅酸盐玻璃,并同时表示这可以增加 18% 的内部互连效率。
封装测试过程
接下来的几个星期就需要对晶圆进行一关接一关的测试,包括检测晶圆的电学特性,看是否有逻辑错误,如果有,是在哪一层出现的等等。而后,晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要。
而后,整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元。在最初测试中,那些检测不合格的单元将被遗弃。这些被切割下来的芯片单元将被采用某种方式进行封装,这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了。大多数intel和AMD的处理器都会被覆盖一个散热层。在处理器成品完成之后,还要进行全方位的芯片功能检测。这一部会产生不同等级的产品,一些芯片的运行频率相对较高,于是打上高频率产品的名称和编号,而那些运行频率相对较低的芯片则加以改造,打上其它的低频率型号。这就是不同市场定位的处理器。而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处。比如它在缓存功能上有缺陷(这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪),那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量,降低了性能,当然也就降低了产品的售价,这就是Celeron和Sempron的由来。
在CPU的包装过程完成之后,许多产品还要再进行一次测试来确保先前的制作过程无一疏漏,且产品完全遵照规格所述,没有偏差。
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- 第 2 页:CPU 是怎么被制造出来的
- 第 3 页:cpu芯片的制作工艺
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( 发表人:李倩 )