处理器史话 | 处理器厂商的绝密武器之工艺之争

经过了前文的叙述和讲解，从第一款 Intel 4004，到当下最新潮的 Core i7，相信大家已经对不同阶段、不同品牌处理器及其的架构有所了解，或者有了新的认识。在他们当中虽然有着不尽如人意的地方，但每一代都是经典的。

所以，本文到了这里，有必要对这些处理器做个小结：正是处理器架构的发展推动着整个芯片产业的进步。由此看来无论是 Intel 还是 AMD，又或者是其他芯片厂商，都是伟大的——正是有了他们的不屑努力，才让电子行业飞速的发展着。

那么，除了架构之外，是否还有其他的因素，在推动着处理器及整个芯片产品的进步和发展呢？

答案是肯定的，还有其他三个要素：效率、功耗和工艺。

因此，各芯片厂商在努力推出新架构的同时，也在上述三个方面做足了功夫。但是毫无疑问，在芯片性能的评价方面，架构是首要考虑的因素。现在，不妨改变一下思路，换个角度，将各品牌处理器进行横向的对比，来探究各厂商在设计方面的“攻芯计”，同时欣赏一场精彩纷呈的 CPU 之争。

3.1 工艺之争
什么是工艺？工艺可以决定什么？

在解释 CPU 的生产工艺之前，有必要知道一个问题：CPU 是怎么被制造出来的。

1. 芯片的制造流程
简单来说，CPU 的生产过程分为如下的 7 个步骤，如下图所示：

CPU 的制作工艺流程

CPU 的制作，是个相当复杂的流程，详情可以查阅相关的资料，在这里对照上图，对各环节的要点简单进行描述：

第 1 步：硅提纯
生产 CPU 等芯片的材料是半导体，现阶段主要的材料是硅 Si，原材料为常见的沙子，硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。整体基本呈圆柱形，重约 100 千克，硅纯度 99.9999％。

第 2 步：切割晶圆
硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状：用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个 CPU 的内核(Die)。因为硅锭是圆的，所以切片也是圆形的，称为晶圆。
晶圆才被真正用于 CPU 的制造，一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的 CPU 成品就越多。

第 3 步：影印（Photolithography）
在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质，紫外线通过印制着 CPU 复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。
而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用 10GB 数据来描述。

第 4 步：蚀刻(Etching)
这是 CPU 生产过程中重要操作，也是 CPU 工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

然后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出 N 井或 P 井，结合上面制造的基片，CPU 的门电路就完成了。

第 5 步：重复、分层
为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍，形成一个 3D 的结构，这才是最终的 CPU 的核心。

每几层中间都要填上金属作为导体。Intel 的 Pentium 4 处理器有 7 层，而 AMD 的 Athlon 64 则达到了 9 层。层数决定于设计时 CPU 的布局，以及通过的电流大小。下图为 IC 晶片电路的 3D 效果图。

IC 晶片的 3D 剖面图 (Source：Wikipedia)

第 6 步：封装
这时的 CPU 是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同，但越高级的 CPU 封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

第 7 步：测试
试是一个 CPU 制造的重要环节，也是一块 CPU 出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤（如果可能的话）。接下来，晶圆上的每个 CPU 核心都将被分开测试。

每块 CPU 将被进行完全测试，以检验其全部功能：
某些 CPU 能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率；
而有些 CPU 因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。

最后，个别 CPU 可能存在某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存，这意味着这块 CPU 依然能够出售，只是它可能是 Celeron 等低端产品。
当 CPU 被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率和缓存的不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。

在了解 CPU 的生产过程之后，问题也随之而来：
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。

2. CPU 的生产工艺
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？下面将根据上面 CPU 制造的 7 个步骤展开叙述，来一起了解当今不断进步的 CPU 生产工艺。

1) 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。请看下面的数据对比：

对比数据 1：同样使用 0.13 微米的制程

晶圆直径(mm)	处理器数量（个）	面积比值	数量比值
200（8 寸）	约 179
300（12 寸）	约 427	2.25 倍	2.385 倍

但是在成本方面，300mm 晶圆实际的成本并不会比 200mm 晶圆来得高多少，这就意味着使用大尺寸的晶圆，会带来更高的性价比，因此，芯片生厂商自然不会放弃这个商机。
既然大尺寸的晶圆这么受欢迎，那么是否可以把晶圆直径做的尽量大些呢?

答案是：不可以。

这是由于硅晶圆具有的一个特性——在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点，坏点从硅晶圆中心向外扩展，数量呈上升趋势。见下图所示：

集成芯片的硅晶圆图像

在硅晶圆图示中，用黄点标出的地方是表示这个地方存在一定缺陷，或是在硅晶圆被蚀刻入的晶体管起不了任何作用，这一切是由于制造技术限制而造成的，任何一个存在上面问题的芯片将因不能正常工作而被报废。上图中，一块硅晶圆中蚀刻了 16 个晶体管，但其中 4 个晶体管存在缺陷，因此不得不把 16 个芯片中的 4 个报废掉(即占这块硅晶圆的 1/4 )。

如果这块硅晶圆代表生产过程中生产的所有硅晶圆，这意味着废品率就是 1/4，这种情况将导致制造成本的上升。

正式由于这个特性限制了硅晶圆的尺寸，因此芯片生产厂商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。

以 Intel 的产品为例，各产品使用晶圆尺寸的信息表如下：

CPU 型号	晶圆尺寸(mm)
8086	50
Pentium 4	200
Pentium 4 Prescott	300

Intel、三星、台积电已经于 2012 年投产 450mm（18 寸）晶圆，450mm 晶圆无论是硅片面积还是切割芯片数都是 300mm 的两倍多，因此每颗芯片的单位成本都会大大降低。另外，大尺寸晶圆还会提高能源、水等资源的利用效率，减少对环境污染、温室效应全球变暖、水资源短缺的影响。在历史上，转移至更大的晶圆直径带来了每单位尺寸 20%以上的成本降低幅度。不过庞大的财务与技术障碍，仍持续阻碍半导体制造往 450mm 晶圆的发展与转移；因此产业界往更大尺寸晶圆发展的脚步显着趋缓，各家半导体业者也积极将 12 寸(300mm)与 8 寸(200mm)晶圆的利用效益最大化。

4 种尺寸晶圆的比较 (Source：Wikipedia)

2) 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，这个尺寸是在最小的晶体管的尺寸，因此是 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。

继续以 Intel 的产品为例，各产品使用蚀刻尺寸的信息表如下：

CPU 型号	蚀刻尺寸(μm)
8086	3
Pentium	0.80
Pentium 4	0.09

现在回顾一下前面的内容，Intel 从第五代智能 Core 处理器的 Broadwell 开始，便使用了 14nm 工艺，至于这个尺寸可以持续多久，何时被突破，请大家拭目以待。

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。

通过前文，大家已经获悉：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，下表为各光线的波长及对应的制程。

光的名称	波长(nm)	制程
氪 / 氟紫外线	248.9	0.18um 和 0.13um
氩 / 氟紫外线	193.0	90nm
超短紫外光	13.5	10nm

90nm 的晶体管到底有多小呢，请看下图：

90nm 的晶体管大小(左)与流行感冒病毒的大小(右)比较

3. Intel 与其他芯片厂商在生产工艺上的 PK
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，这里以两个 CPU 巨头的 PK 来进一步解释 CPU 的工艺之争。

1) Intel 与 AMD 在 0.25 微米制程上的 PK
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。

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。

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。

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。
至于 PK 的结果，不言自明。

2) 在金属互连层上 PK
回顾在芯片的制作流程中的“重复、分层”，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。

在这项设计方面，Intel 在这方面已经落后了：