CPU的架构和工艺.doc

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1、CPU的架构和工艺四十多年前，Intel的创始人戈登摩尔（GordonMoore）通过长期的对比，研究后发现：CPU中的部件（我们现在所说的晶体管）在不断增加，其价格也在不断下降。“随着单位成本的降低以及单个集成电路集成的晶体管数量的增加；到1975年，从经济学来分析，单个集成电路应该集成65000个晶体管。”Intel此后几年的发展都被摩尔提前算在了纸上，使人们大为惊奇，“摩尔定律”也名声大振。为了让人们更直观地了解摩尔定律，摩尔及其同事总结出一句极为精练的公式“集成电路所包含的晶体管每18个月就会翻一番”。    从摩尔定律之诞生后，芯片产业有

2、了前进的方向：为了不断提升性能，工程师要做的是不断向芯片中添加足够多的晶体管。但这个方向很快就受到了挑战，Intel在70年代末就发现摩尔定律的预测偏离了实际，并做出了少许修改。其实摩尔定律起初只是简单观察的结果，不过却由Intel不断扩充和执行下以及成为他们最喜欢的方式，同时也是这家技术水平高、生产潜力大的企业的最有利可图的模式。在2003年ISSCC大会上，摩尔本人就指出了摩尔定律中的另一个错误，即晶圆尺寸的发展并没有按照摩尔定律预测在2003年发展到53英寸，现在只发展到12英寸（300mm）。2003年摩尔本人提出对摩尔定律质疑的主要原因，

3、就是半导体生产工艺在0.18mm后漏电率快速上升，到0.13mm后更为严重。漏电率快速上升现象的出现，使得90nm、65nm及以后的半导体生产工艺、尤其是需要高速运行的CPU生产工艺面临严峻挑战。   摩尔定律在拉动着芯片产业飞奔的同时，在现实中的表现也常常让人们担心。国际半导体技术蓝图机构(ITRS)为IC组件的发展起草了一份雄心勃勃的发展规划，同时也提出警告，晶体管数目的增长速度显著快于设计能力的提高速度。不过，ITRS认为在设计技术之外，设计成本才是对半导体技术可持续发展的最大威胁，并导致设计和生产力之间产生鸿沟。在CPU生产厂商方面，按照摩

4、尔定律这个速度发展，到本世纪末，处理器生产线投资至少是数千亿乃至上万亿美元。谁投资得起？投资能回收吗？IT产业能在这个方向上健康发展下去吗？但另外一个现象引起又我们注意：摩尔认为，尽管摩尔定律并不总是正确的，却似乎总可以延续下去。按照专业人士的分析，CPU的发展在触及摩尔定律的极限之前，将朝着更高性能、更低功耗、更低成本的方向发展，在可预见的未来，CPU的处理能力将继续保持高速增长，小型化、集成化永远是发展趋势。   总之在过去的四十多年，半导体工业的发展突破了一个又一个看似不可能跨越的瓶颈，神奇地遵循着摩尔定律，如今的半导体科技已经达到了几乎不可

5、能为之的地步。而这一切都得益于生产技术的不断进步，可以预见伴随着处理器的发展，生产技术这种发展趋势仍将持续下去。   从实际情况来看，Intel最新发布的桌面级CPU——PentiumExtremeEdition955，使用更先进的65nm制程，集成了3亿7600万个晶体管。已走入不惑之年的摩尔定律面临不少问题，比如计算机整体架构落伍、漏电率和功耗、经济鸿沟，但其还继续着辉煌，这是为什么呢。下文将从生产工艺和芯片设计的角度阐述当今CPU的发展趋势，希望能解答大家对当今CPU发展的少许不解，以便让大家火眼金睛看清这场精彩纷呈的CPU斗争。  1、CP

6、U的生产过程   要了解CPU的生产工艺，我们需要先知道CPU是怎么被制造出来的。让我们分几个步骤学习CPU的生产过程。（1） 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，这是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。   在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，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。以往的硅锭的

7、直径大都是200毫米，而CPU厂商正在增加300毫米晶圆的生产。（2）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，称为晶圆。晶圆才被真正用于CPU的制造。所谓的“切割晶圆”也就是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)。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。（3）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

8、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