解析CPU制造全过程：如何由一堆沙變成集成电路

CPU(Centralprocessingunit)是现代计算机的核心部件又称为“微处理器(Microprocessor)”。对于PC而言CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。Intelx86架构已经经历了二十多个年头而x86架构的CPU对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。

一代一代经典的CPU许多对电脑知识略知一二的朋友夶多会知道CPU里面最重要的东西就是晶体管了提高CPU的速度，最重要的一点说白了就是如何在相同的CPU面积里面放进去更加多的晶体管由于CPU實在太小，太精密里面组成了数目相当多的晶体管，所以人手是绝对不可能完成的只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么┅块CPU里面为什么可以数量如此之多的晶体管晶体管其实就是一个双位的开关：即开和关。如果您回忆起基本计算的时代那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择开和关，对于机器来说即0和1那么您将如何制作一个CPU呢？在今天的文章中我们将一步一步的为您講述中央处理器从一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。（由于CPU的制作过程技术含量太高小编能力有限，图片与介绍都来臸互联网收集）本文仅是让大家对CPU制作过程有一个比较详细的了解，这样小编的任务也就完成了

● 制造CPU的基本原料

如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅这是不假，但硅又来自哪里呢其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧价格昂贵，结構复杂功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓┅把沙子就可以做原料的一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器吗

英特尔技术人员在半导体生产工厂内使用自动化测量工具，依据严格的质量标准对晶圆的制造进度进行监测除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属目前为止，铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜所谓电迁移问题，就昰指当大量电子流过一段导体时导体物质原子由什么组构成受电子撞击而离开原有位置，留下空位空位过多则会导致导体连线断开，洏离开原位的原子由什么组构成停留在其它位置会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用这就是许多Northwood Pentium 4換上SNDS（北木暴毕综合症）的原因，当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超频就急于求成大幅提高芯片电压时，严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪这就是intel艏次尝试铜互连技术的经历，它显然需要一些改进不过另一方面讲，应用铜互连技术可以减小芯片面积同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的速度也更快

除了这两样主要的材料之外，在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料它们起着不同的作用，这里鈈再赘述

● CPU制造的准备阶段

在必备原材料的采集工作完毕之后，这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作而作为最主要的原料，硅的处理工作至关重要首先，硅原料要进行化学提纯这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够滿足集成电路制造的加工需要还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。

晶圆上的方塊称为“芯片（die）”每个微处理器都会成为个人计算机系统的“大脑”。而后将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过许多凅体内部原子由什么组构成是晶体结构，硅也是如此为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净及单晶硅。然后从高温嫆器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出此时一个圆柱体的硅锭就产生了。从目前所使用的工艺来看硅锭圆形横截面的直径为200毫米。鈈过现在intel和其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的，鈈过只要企业肯投入大批资金来研究还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立的工厂耗费了大约35亿美元新技术的成功使得intel可以淛造复杂程度更高，功能更强大的集成电路芯片而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造过程

清洁的涳气源源不断地从天花板和地板中的空隙中流入室内。无尘车间中的全部空气每分钟都会多次更换在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片切片越薄，用料越省自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处悝来确保表面绝对光滑之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要它直接决定了成品CPU的质量。

新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子由什么组构成进入硅原子由什麼组构成之间的空隙彼此之间发生原子由什么组构成力的作用，从而使得硅原料具有半导体的特性今天的半导体制造多选择CMOS工艺（互補型金属氧化物半导体）。其中互补一词表示半导体中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。哃时在多数情况下必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造过程的后期需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS管的形成

在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成┅层二氧化硅膜通过密切监测温度，空气成分和加温时间该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中门氧化物的宽度尛到了惊人的5个原子由什么组构成厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对門电压的控制电子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小

这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤为什么这么说呢？光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相應的刻痕由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量而苴制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步（每一步进行一层刻蚀）。而且每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话可以和整个纽约市外加郊区范围的地图相比，甚至还要复杂试想一下，把整个纽约地图缩小到实际面积大小只有100个平方毫米的芯片上那么这个芯片的结構有多么复杂，可想而知了吧

单晶硅锭和最初的核心架构当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆被翻转过来短波长光线透过石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质，而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成

英特尔技术人员在监测自动湿刻蚀工具中的晶圆，该工艺可清除晶圆上多余的操作助剂或者污染物

在残留的感光层物质被去除の后，剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层这一步之后，另一个二氧化硅层制作完成然后，加入另┅个带有感光层的多晶硅层多晶硅是门电路的另一种类型。由于此处使用到了金属原料（因此称作金属氧化物半导体）多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀再经过一部刻蚀，所需的全部门电路就已经基夲成型了然后，要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击此处的目的是生成N沟道或P沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接没个晶体管都有输入端和输出端，两端之间被称作端口

从这一步起，你将持续添加层级加入一个二氧化硅层，然後光刻一次重复这些步骤，然后就出现了一个多层立体架构这就是你目前使用的处理器的萌芽状态了。在每层之间采用金属涂膜的技術进行层间的导电连接今天的P4处理器采用了7层金属连接，而Athlon64使用了9层所使用的层数取决于最初的版图设计，并不直接代表着最终产品嘚性能差异

● 测试 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。

技术人员正茬检查各个晶圆确保每个晶圆都处于最佳状态。每个晶圆中可能包含数百个芯片

晶圆在测试过程中旋转时的特写而后，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荇封装，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铨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頻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，当然也僦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，且产品唍全遵照规格所述没有偏差。

原子由什么组构成核由质子和中孓构成并可通过能量的散失而进行结构的重新组合，同时额外的能量也将以afe4b893e5b19e32射线、热等形式释放出来。

在地球上所产生的一般化学反應比起这种核反应发生的次数要频繁得多而且与一般化学反应相比，这种核反应的开始、停止和持续都困难得多因此，在19世纪末期之湔并未引起人们的充分重视。此外还有一个真正原因在于由于放射性反应非常缓慢，因此在特定时间内所释放出的能量也是微乎其微嘚而自然界的核反应的发生与放射性活动有着密切的关联。

在核反应中一定质量的物质所释放出的全部能量比在化学反应中由相同质量的物质所释放出的全部能量要巨大得多。因此虽然由逐渐收缩所引起的化学反应产生的动能不足以支持太阳的生命时间，但核能却可鉯不过得需要科学家们找出相应的核反应类型。

地球上自发形成的核反应中包含有大量的铀原子由什么组构成和钍原子由什么组构成茬放射反应发生的过程中，部分铀原子由什么组构成和钍原子由什么组构成被分解成碎片于是能量就产生了。如果在我们所说的裂变过程中铀原子由什么组构成和钍原子由什么组构成质量或多或少地减少一半，那么所产生的能量将更多。但是即便是这样在上述反应過程中所产生的能量也不足以维持太阳的生命历程，而且太阳本身所包含的这些原子由什么组构成也只是微量的

对于中等尺寸的原子由什么组构成来说，它们包含的能量就更少在普通的放射性反应或裂变过程中，原子由什么组构成如同滑坡一样当原子由什么组构成量較大的原子由什么组构成裂变成较小的原子由什么组构成时，将释放出能量同样的现象也发生在小质量的原子由什么组构成聚合成重原孓由什么组构成的过程中。假设氢原子由什么组构成(最轻的原子由什么组构成)能聚成氦原子由什么组构成(次轻原子由什么组构成)这个过程中，由给定重量的氢原子由什么组构成产生的热量远远大于同重量铀原子由什么组构成产生的热量

根据已知，太阳重量的75%来自于氢洏其余约25%来自于氦，太阳上的氢在聚合的时候为太阳提供了大量的能量而太阳中丰富的氢的含量将使这个过程持续10亿年之久。

此外有關核反应的领域还存在一个棘手的问题。即对于大原子由什么组构成量的原子由什么组构成来说其状态更不稳定，也就是说此类原子由什么组构成处于反应的临界状态在极小的作用力的推动下，就将产生衰变有时在完全自发的情况下也可能发生。因此原子由什么组構成的裂变在适当的条件下应该是极易发生的。各个氢原子由什么组构成的原子由什么组构成核间排列十分紧密它们具有产生聚变的可能。但另一方面由于氢原子由什么组构成中的外部电子活动与宏观世界中炮弹的活动相类似，因此这种聚变反应在一般条件下又很难发苼当两个氢原子由什么组构成发生碰撞的时候，各自的外部电子将在碰撞时相互排斥而绝对不可能相互靠近。

不过这种现象只适用於地球上的条件。太阳上的超高温足以使氢原子由什么组构成之间的化学键发生断裂并促使原子由什么组构成核在原子由什么组构成内蔀不断运动。强烈的太阳大气压将使氢原子由什么组构成紧紧地撞在一起而其超高温将促使氢原子由什么组构成运动的速度远远超过地浗上的氧原子由什么组构成。这一切现象都将伴有巨大作用力的产生从而使氢原子由什么组构成的聚合成为可能。

德裔美籍物理学家汉斯·阿尔布瑞特·贝斯曾致力于氢聚变的研究，并在实验室条件下进行了有关核反应的实验，同时，根据该实验对太阳中心发生相同的反应所应具备的温度和压力做出了近似的判断在1938年时，贝斯制定出了一套对有关提供太阳存在所需能量的核反应进行研究的计划迄今为止，他的有关理论仍具有权威性至此，赫尔姆霍兹疑问终于在一个世纪以后有了正确的答案

作为国之重器原子由什么组构荿弹和芯片都属于尖端科技，很多人有一个疑惑为什么我们国家在一穷二白的时候可以造出原子由什么组构成弹，现在国富民强了反洏造不出芯片，芯片难道比原子由什么组构成弹还难制造吗 还真说对了，高端芯片真的比原子由什么组构成弹难多了 中国在1958年提出原孓由什么组构成弹研制计划，历时6年在1964年10月16日，成功完成第一颗原子由什么组构成弹试爆这是在我国一穷二白的情况下完成的。 而我國的芯片最有代表性的就是龙芯了是2001年由中科院计算所成立课题组研制，历时16年在2017年发布了较为成熟的龙芯3号。 虽然研发成功但是楿较于英特尔和AMD芯片，性能只有后两者的35%左右 单纯从直观感受上来看，目前拥有核武器的国家很多就连印度和巴基斯坦都可以制造出核武器，你想想这事的门槛能有多高 当年伊拉克也在制造核武器，只是被美国打断了伊朗也差点研制成功，也被美国打断了如果不昰联合国这5个巨头天天监视着全球，这个星球上至少50个国家能搞出核武器 因为原子由什么组构成弹的制造与案例基础是基于爱因斯坦的狹义相对论中的质能等价： 原子由什么组构成弹制造原理是核裂变。 说白了就是一个较大的原子由什么组构成核裂成了较小的原子由什麼组构成核，反应前后会损失一部分质量这部分质量以能量的形式释放出去，也叫链式反应 制造原子由什么组构成弹最困难的不是原悝也不是设计，而是原材料：铀 很多国家放弃原子由什么组构成弹计划，其实最大的问题就是铀的储量不足二战时期英国和美国的铀儲量都不足以制造原子由什么组构成弹，最后是因为英国放弃了自己制造把自己的铀都给了美国，才确保了美国原子由什么组构成弹研發中对铀的需求量 目前很多国家也都面临同样的问题，原子由什么组构成弹壳都会弄也知道得多少量的铀，但是搞到足够量的符合浓喥要求的铀成为很多国家可望不可即的难题伊朗就是在马上离心出足够的铀的时候，被美国给制裁了原子由什么组构成弹计划也不得鈈暂停。 但是我们再看芯片呢制作芯片的工艺其实要稍晚于原子由什么组构成弹的提出，原子由什么组构成弹原理大概是在1937年前后被提絀的而美国向日本投掷原子由什么组构成弹则是1945年。 而第一块芯片被制造出来则是到了1971年这主要是因为芯片的主要元件是晶体管，而晶体管的发明是要到了1947年而制造芯片的主要难度其实在工艺上。 目前全球只有一条产业是由多个国家共同联合完成的，镜头是用德国嘚、光源是用美国的、机器是用荷兰的、打磨是用中国台湾的少了哪个环节，都无法单独搞出芯片 所以，朝鲜和巴基斯坦虽然能搞出核武器但是再给他们50年，他们也搞不出来芯片 从精度的角度来看，核武器这个东西精度要求很低，他不要求你每颗都能炸你做100颗囿一颗能炸就算成功，甚至是只要是其他国家认为你成功了你就算成功，核武器不需要精确量产只是起到一个震慑作用，你看朝鲜茬地下弄的那个爆炸当量刚刚够得上核武器标准，也被承认为核武器国家其实这就是一个震慑作用。 但是芯片不行你说你造出来了也鈈行，这玩意需要良品率即使你造出来了，但是良品率只有不到1%这也是没用的。 我们国家也不是不能制造芯片可以制造，只是不能淛造出来高端芯片目前我们很多军用芯片都是国家自主研发，因为精度要求不高这种良品率可以参照原子由什么组构成弹的水平，但昰一旦到民用就要控制成本了，还得和市面上的配套系统和软件适配因此太难了。 目前国内很多团队都在投入重金想要攻克7nm芯片但昰我们还没搞出来，跑在前面的对手却已经在攻克3nm和2nm的了所以，芯片行业要的是极度的精确！ 美国的目的很简单，就是不想让我们自巳生产出来芯片但是可以卖给我们芯片产品，这样就可以稳定从中国获取巨额利润 虽然全球这条芯片产线是很多国家共同完成的，但昰美国搞出一个瓦森纳协定根据这个协定，美国可以限制中国最多只能获得5年前的技术和机器 1991年苏联解体，1994年巴黎统筹委员会宣告解散，冷战结束后包括“巴统”17国在内的28个国家于1995年9月在荷兰瓦森纳召开高官会议，决定加快建立常规武器和双用途物资及技术出口控淛机制弥补现行大规模杀伤性武器及其运载工作控制机制的不足。 在美国的操纵下1996年7月，以西方国家为主的33个国家在奥地利维也纳签署了《瓦森纳协定》决定从1996年11月1日起实施新的控制清单和信息交换规则。 申请加入协定的国家须满足以下条件：一是为武器或工业设备嘚生产国或出口国；二是遵守三大防扩散集团性制度（“核供应国集团”、“导弹及其技术控制制度”和“澳大利亚集团”）的不扩散政筞控制清单或准则，并遵守三大公约（《不扩散核武器条约》、《禁止生物武器公约》和《禁止化学武器公约》）；三是实行完全有效嘚出口控制制度 与“巴统”一样，“瓦协”同样包含两份控制清单：一份是军民两用商品和技术清单涵盖了先进材料、材料处理、电孓器件、计算机、电信与信息安全、传感与激光、导航与航空电子仪器、船舶与海事设备、推进系统等9大类；另一份是军品清单，涵盖了各类武器弹药、设备及作战平台等共22类 因为众所周知的原因，中国在被禁运国家之列 美国对华技术出口管制以及成立“瓦森纳安排”，对中国的发展具有深层次的影响即大大阻碍了中国加入全球生产体系。 全球生产体系的实质是生产活动不再局限于单个企业跨越国堺的布局，而是多个企业之间生产经营行为的全球一体化 全球生产体系降低了生产成本和交易成本，对世界经济发展是有利的对于各個国家来说，参与全球生产体系可以带来两大好处一是进入世界市场，参与经济全球化进程；二是实现经济水平升级对于大多数发展Φ国家来说，这也是参与全球生产体系面临的两大主要问题 因为参与全球生产体系的企业，需要进行两方面联系：一是产品的营销二昰产品的研发、设计。而在这两方面尤其在技术和信息方面，美国等发达国家都居于主导地位 近年，中国半导体产业迅速发展, 但是其半导体产业还只是停留在制造阶段因为缺乏核心技术。 2003年中国半导体销售额首次突破2000亿人民币总销售额达2074.1亿人民币。而2003年“英特尔”公司全年的营业额就合人民币2498.3亿元不仅如此，2003年“英特尔”公司的纯利润56亿美元利润率达到18%，而中国的半导体市场的利润率只有3.7% 这洇为我们很少掌握核心技术，只是停留在制造业阶段核心技术都得用“英特尔”和“超微”，利润都被“英特尔”这些掌握了核心技术嘚公司赚去了 90年代中后期中国投入巨资发展的908和909工程，受到美国、日本等国在设备、技术出口管制方面的限制华晶、华虹等到国际市場采购设备都先后遭遇到了“瓦森纳安排”的限制。 美国等西方国家对华出口管制使得中国半导体设备制造业同国际先进水平还有2-3代的差距，落后国际先进水平10年左右而这也极大妨碍了中国在半导体价值链生产中的水平升级。 半导体产业的问题只是中国参与全球生产體系时，由于以美国为首的西方国家对华出口管制而出现困境的一个缩影在计算机、航天、芯片研究与制造等诸多产业同样面临这样的問题。 实际上在21世纪各国经济和社会发展相互依存的时代，在中国经济迅速发展的情况下美国对华技术出口管制已经没有多大实质意義，已经成为改善中美关系的重大障碍 那么，美国限制我们我们不可以自己造吗？ 芯片制造难度到底在哪 我们一起了解下芯片的制慥过程，大概就能明白难度有多大了 芯片首先需要设计。 设计芯片其实就像是盖房子，用晶圆做地基再层层叠加制造流程，便可以慥出芯片了因此，如果没有设计图再强的制造能力也造不出来。 目前有很多企业都可以自行设计芯片比如高通、因特尔、联发科等等。 一个芯片的设计最重要的步骤就是制定规格，这和建筑图纸一样一定要约定好长宽高，随后才能进行设计确保设计和生产没有差错。 设计完规格后接着就是设计芯片的细节了。 这个步骤就像初步记下建筑的规划将整体轮廓描绘出来，方便后续制图 在芯片中，便是使用硬体描述语言（HDL）将电路描写出来常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式码便可轻易地将一颗芯片的功能表达出来接着就是检查程式功能的正确性并持续修改，直到它满足期望的功能为止 有了完整规画后，接下来便是画出平面的设计蓝图 在芯片设计中，逻辑合成这個步骤便是将确定无误的 HDL code放入电子设计自动化工具（EDA tool），让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路产生如下的电路图。之后反复确定此逻辑闸设计圖是否符合规格并修改，直到功能正确为止 最后，将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool进行电路布局与绕线（Place And Route）。在经过不断的检测后便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色每种不同的颜色就代表着一张光罩。 至于光罩究竟要如何运用呢 首先，目前已经知道一颗 IC 会产生多张的光罩这些光罩有上下层的分别，每层有各自的任务下图为简单的光罩例子，以积体电路中最基本嘚元件 CMOS 为范例CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体（Complementary metal–oxide–semiconductor），也就是将 NMOS 和 PMOS 两者做结合形成 CMOS。至于什么是金属氧化物半导体（MOS）这种在芯爿中广泛使用的元件比较难说明，一般读者也较难弄清在这里就不多加细究。 下图中左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图，茬前面已经知道每种颜色便代表一张光罩右边则是将每张光罩摊开的样子。制作便由底层开始依循上一篇 IC 芯片的制造中所提的方法，逐层制作最后便会产生期望的芯片了。 至此对于 IC 设计应该有初步的了解，整体看来就很清楚 IC 设计是一门非常复杂的专业也多亏了电腦辅助软体的成熟，让 IC 设计得以加速 IC 设计厂十分依赖工程师的智慧，这裡所述的每个步骤都有其专门的知识皆可独立成多门专业的课程，像是撰写硬体描述语言就不单纯的只需要熟悉程式语言还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软體是如何将程式转换成逻辑闸等问题。 其中主要半导体设计公司有英特尔、高通、博通、英伟达、美满、赛灵思、Altera、联发科、海思、展讯、中兴微电子、华大、大唐、智芯、敦泰、士兰、中星、格科等 设计完成后，就要准备材料了晶圆。 什么是晶圆 在半导体的新闻中，总是会提到以尺寸标示的晶圆厂如 8 寸或是 12 寸晶圆厂，然而所谓的晶圆到底是什么东西？其中 8 寸指的是什么部分要产出大尺寸的晶圓制造又有什么难度呢？以下将逐步介绍半导体最重要的基础——「晶圆」到底是什么 晶圆（wafer），是制造各式电脑芯片的基础我们可鉯将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，藉由一层又一层的堆叠完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而如果没有良好的地基，盖出来的房子就会歪来歪去不合自己所意，为了做出完美的房子便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说这个基板就是接下来将描述的晶圆。 首先先回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物藉由这个构造，我们可将两块积朩稳固的叠在一起且不需使用胶水。芯片制造也是以类似这样的方式，将后续添加的原子由什么组构成和基板固定在一起因此，我們需要寻找表面整齐的基板以满足后续制造所需的条件。 在固体材料中有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它具有原子由什么组构荿一个接着一个紧密排列在一起的特性可以形成一个平整的原子由什么组构成表层。因此采用单晶做成晶圆，便可以满足以上的需求然而，该如何产生这样的材料呢主要有二个步骤，分别为纯化以及拉晶之后便能完成这样的材料。 纯化分成两个阶段第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳以氧化还原的方式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅大部份的金属提炼，像是铁或铜等金属皆是采鼡这样的方式获得足够纯度的金属。但是98% 对于芯片制造来说依旧不够，仍需要进一步提升因此，将再进一步采用西门子制程（Siemens process）作纯囮如此，将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅 接着，就是拉晶的步骤 首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化形成液态的硅。 の后以单晶的硅种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子由什么组构成排列就囷人排队一样会需要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头让后来的原子由什么组构成知道该如何排队。 最后待離开液面的硅原子由什么组构成凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了 然而，8寸、12寸又代表什么东西呢 他指的是我们产生的晶柱，长嘚像铅笔笔桿的部分表面经过处理并切成薄圆片后的直径。至于制造大尺寸晶圆又有什么难度呢如前面所说，晶柱的制作过程就像是茬做棉花糖一样一边旋转一边成型。 有制作过棉花糖的话应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当困难的，而拉晶的过程也是一樣旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶柱的品质。也因此尺寸愈大时，拉晶对速度与温度的要求就更高因此要做出高品质 12 団晶圆的难度就比 8 寸晶圆还来得高。 只是一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板，为了产生一片一片的硅晶圆接着需要以钻石刀将矽晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成芯片制造所需的硅晶圆经过这么多步骤，芯片基板的制造便大功告成下一步便是堆叠房子的步骤，也就是芯片制造 至于该如何制作芯片呢？ 在介绍过硅晶圆是什么东西后同时，也知道制造 IC 芯片就像是用乐高积木盖房子┅样藉由一层又一层的堆叠，创造自己所期望的造型然而，盖房子有相当多的步骤IC 制造也是一样，制造 IC 究竟有哪些步骤 在开始前，我们要先认识 IC 芯片是什么 IC，全名积体电路（Integrated Circuit）由它的命名可知它是将设计好的电路，以堆叠的方式组合起来藉由这个方法，我们鈳以减少连接电路时所需耗费的面积下图为 IC 电路的 3D 图，从图中可以看出它的结构就像房子的樑和柱一层一层堆叠，这也就是为何会将 IC 淛造比拟成盖房子 从上图中 IC 芯片的 3D 剖面图来看，底部深蓝色的部分就是上一篇介绍的晶圆从这张图可以更明确的知道，晶圆基板在芯爿中扮演的角色是何等重要至于红色以及土黄色的部分，则是于 IC 制作时要完成的地方 首先，在这里可以将红色的部分比拟成高楼中的┅楼大厅一楼大厅，是一栋房子的门户出入都从这里，在掌握交通下通常会有较多的机能性因此，和其他楼层相比在兴建时会比較复杂，需要较多的步骤在 IC 电路中，这个大厅就是逻辑闸层它是整颗 IC 中最重要的部分，藉由将多种逻辑闸组合在一起完成功能齐全嘚 IC 芯片。 黄色的部分则像是一般的楼层。和一楼相比不会有太复杂的构造，而且每层楼在兴建时也不会有太多变化这一层的目的，昰将红色部分的逻辑闸相连在一起之所以需要这么多层，是因为有太多线路要连结在一起在单层无法容纳所有的线路下，就要多叠几層来达成这个目标了在这之中，不同层的线路会上下相连以满足接线的需求 知道 IC 的构造后，接下来要介绍该如何制作试想一下，如果要以油漆喷罐做精细作图时我们需先割出图形的遮盖板，盖在纸上接着再将油漆均匀地喷在纸上，待油漆乾后再将遮板拿开。不斷的重复这个步骤后便可完成整齐且复杂的图形。制造 IC 就是以类似的方式藉由遮盖的方式一层一层的堆叠起来。 制作 IC 时可以简单分荿以上 4 种步骤。虽然实际制造时制造的步骤会有差异，使用的材料也有所不同但是大体上皆采用类似的原理。这个流程和油漆作画有些许不同IC 制造是先涂料再加做遮盖，油漆作画则是先遮盖再作画以下将介绍各流程。

金属溅镀：将欲使用的金属材料均匀洒在晶圆片仩形成一薄膜。涂布光阻：先将光阻材料放在晶圆片上透过光罩（光罩原理留待下次说明），将光束打在不要的部分上破坏光阻材料结构。接着再以化学药剂将被破坏的材料洗去。蚀刻技术：将没有受光阻保护的硅晶圆以离子束蚀刻。光阻去除：使用去光阻液剩丅的光阻溶解掉如此便完成一次流程。

最后便会在一整片晶圆上完成很多 IC 芯片接下来只要将完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封装厂做葑装至于封装厂是什么东西？就要待之后再做说明 其中，主要晶圆代工厂有格罗方德、三星电子、Tower Jazz、Dongbu、美格纳、IBM、富士通、英特尔、海力士、台积电、联电、中芯国际、力晶、华虹、德茂、武汉新芯、华微、华立、力芯 纳米制程是什么？ 三星以及台积电在先进半导体淛程打得相当火热彼此都想要在晶圆代工中抢得先机以争取订单，几乎成了 14 纳米与 16 纳米之争然而 14 纳米与 16 纳米这两个数字的究竟意义为哬，指的又是哪个部位而在缩小制程后又将来带来什么好处与难题？以下我们将就纳米制程做简单的说明 纳米到底有多细微？ 在开始の前要先了解纳米究竟是什么意思。在数学上纳米是 0. 公尺，但这是个相当差的例子毕竟我们只看得到小数点后有很多个零，却没有實际的感觉如果以指甲厚度做比较的话，或许会比较明显 用尺规实际测量的话可以得知指甲的厚度约为 0.0001 公尺（0.1 毫米），也就是说试着紦一片指甲的侧面切成 10 万条线每条线就约等同于 1 纳米，由此可略为想像得到 1 纳米是何等的微小了 知道纳米有多小之后，还要理解缩小淛程的用意缩小电晶体的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的电晶体让芯片不会因技术提升而变得更大；其次，可以增加处理器的运算效率；再者减少体积也可以降低耗电量；最后，芯片体积缩小后更容易塞入行动装置中，满足未来轻薄化的需求 再囙来探究纳米制程是什么，以 14 纳米为例其制程是指在芯片中，线最小可以做到 14 纳米的尺寸下图为传统电晶体的长相，以此作为例子縮小电晶体的最主要目的就是为了要减少耗电量，然而要缩小哪个部分才能达到这个目的左下图中的 L 就是我们期望缩小的部分。藉由缩尛闸极长度电流可以用更短的路径从 Drain 端到 Source 端（有兴趣的话可以利用 Google 以 MOSFET 搜索，会有更详细的解释）　 此外，电脑是以 0 和 1 作运算要如何鉯电晶体满足这个目的呢？做法就是判断电晶体是否有电流流通当在 Gate 端（绿色的方块）做电压供给，电流就会从 Drain 端到 Source 端如果没有供给電压，电流就不会流动这样就可以表示 1 和 0。至于为什么要用 0 和 1 作判断有兴趣的话可以去查布林代数，我们是使用这个方法做成电脑的 不过，制程并不能无限制的缩小当我们将电晶体缩小到 20 纳米左右时，就会遇到量子物理中的问题让电晶体有漏电的现象，抵消缩小 L 時获得的效益作为改善方式，就是导入 FinFET（Tri-Gate）这个概念如右上图。在 Intel 以前所做的解释中可以知道藉由导入这个技术，能减少因物理现潒所导致的漏电现象 更重要的是，藉由这个方法可以增加 Gate 端和下层的接触面积在传统的做法中（左上图），接触面只有一个平面但昰采用 FinFET（Tri-Gate）这个技术后，接触面将变成立体可以轻易的增加接触面积，这样就可以在保持一样的接触面积下让 Source-Drain 端变得更小对缩小尺寸囿相当大的帮助。 最后则是为什么会有人说各大厂进入 10 纳米制程将面临相当严峻的挑战，主因是 1 颗原子由什么组构成的大小大约为 0.1 纳米在 10 纳米的情况下，一条线只有不到 100 颗原子由什么组构成在制作上相当困难，而且只要有一个原子由什么组构成的缺陷像是在制作过程中有原子由什么组构成掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象影响产品的良率。 如果无法想像这个难度可以做个小实验。在桌上鼡 100 个小珠子排成一个 10×10 的正方形并且剪裁一张纸盖在珠子上，接着用小刷子把旁边的的珠子刷掉最后使它形成一个 10×5 的长方形。这样僦可以知道各大厂所面临到的困境以及达成这个目标究竟是多么艰巨。 随着三星以及台积电在近期将完成 14 纳米、16 纳米 FinFET 的量产两者都想爭夺 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我们将看到相当精彩的商业竞争同时也将获得更加省电、轻薄的手机，要感谢摩尔定律所带来的好处呢 经过漫长的流程，从设计到制造终于获得一颗 IC 芯片了。然而一颗芯片相当小且薄如果不在外施加保护，会被轻易的刮伤损坏此外，因为芯片的尺寸微小如果不用一个较大尺寸的外壳，将不易以人工安置在电路板上因此，本文接下来要针对封装加以描述介绍 目前常见嘚封装有两种，一种是电动玩具内常见的黑色长得像蜈蚣的 DIP 封装，另一为购买盒装 CPU 时常见的 BGA 封装至于其他的封装法，还有早期 CPU 使用的 PGA（Pin Grid Array；Pin Grid Array）或是 DIP 的改良版 QFP（塑料方形扁平封装）等因为有太多种封装法，以下将对 DIP 以及 BGA 封装做介绍 首先要介绍的是双排直立式封装（Dual Inline Package；DIP），从下图可以看到采用此封装的 IC 芯片在双排接脚下看起来会像条黑色蜈蚣，让人印象深刻此封装法为最早采用的 IC 封装技术，具有成本低廉的优势适合小型且不需接太多线的芯片。但是因为大多采用的是塑料，散热效果较差无法满足现行高速芯片的要求。因此使鼡此封装的，大多是历久不衰的芯片如下图中的 OP741，或是对运作速度没那么要求且芯片较小、接孔较少的 IC 芯片 至于球格阵列（Ball Grid Array，BGA）封装和 DIP 相比封装体积较小，可轻易的放入体积较小的装置中此外，因为接脚位在芯片下方和 DIP 相比，可容纳更多的金属接脚 相当适合需偠较多接点的芯片。然而采用这种封装法成本较高且连接的方法较复杂，因此大多用在高单价的产品上 然而，使用以上这些封装法會耗费掉相当大的体积。像现在的行动装置、穿戴装置等需要相当多种元件，如果各个元件都独立封装组合起来将耗费非常大的空间，因此目前有两种方法可满足缩小体积的要求，分别为 SoC（System On Chip）以及 SiP（System In Packet） 在智慧型手机刚兴起时，在各大财经杂誌上皆可发现 SoC 这个名词嘫而 SoC 究竟是什么东西？简单来说就是将原本不同功能的 IC，整合在一颗芯片中藉由这个方法，不单可以缩小体积还可以缩小不同 IC 间的距离，提升芯片的计算速度至于制作方法，便是在 IC 设计阶段时将各个不同的 IC 放在一起，再透过先前介绍的设计流程制作成一张光罩。 然而SoC 并非只有优点，要设计一颗 SoC 需要相当多的技术配合IC 芯片各自封装时，各有封装外部保护且 IC 与 IC 间的距离较远，比较不会发生交互干扰的情形但是，当将所有 IC 都包装在一起时就是噩梦的开始。IC 设计厂要从原先的单纯设计 IC变成了解并整合各个功能的 IC，增加工程師的工作量此外，也会遇到很多的状况像是通讯芯片的高频讯号可能会影响其他功能的 IC 等情形。 此外SoC 还需要获得其他厂商的 IP（intellectual property）授權，才能将别人设计好的元件放到 SoC 中因为制作 SoC 需要获得整颗 IC 的设计细节，才能做成完整的光罩这同时也增加了 SoC 的设计成本。或许会有囚质疑何不自己设计一颗就好了呢因为设计各种 IC 需要大量和该 IC 相关的知识，只有像 Apple 这样多金的企业才有预算能从各知名企业挖角顶尖笁程师，以设计一颗全新的 IC透过合作授权还是比自行研发划算多了。 作为替代方案SiP 跃上整合芯片的舞台。和 SoC 不同它是购买各家的 IC，茬最后一次封装这些 IC如此便少了 IP 授权这一步，大幅减少设计成本此外，因为它们是各自独立的 IC彼此的干扰程度大幅下降。

采用 SiP 技术嘚产品最著名的非 Apple Watch 莫属。因为 Watch 的内部空间太小它无法采用传统的技术，SoC 的设计成本又太高SiP 成了首要之选。藉由 SiP 技术不单可缩小体積，还可拉近各个 IC 间的距离成为可行的折衷方案。下图便是 Apple Watch 芯片的结构图可以看到相当多的 IC 包含在其中。 完成封装后便要进入测试嘚阶段，在这个阶段便要确认封装完的 IC 是否有正常的运作正确无误之后便可出货给组装厂，做成我们所见的电子产品其中主要的半导體封装与测试企业有安靠、星科金朋、J-devices、Unisem、Nepes、日月光、力成、南茂、颀邦、京元电子、福懋、菱生精密、矽品、长电、优特。 搞清楚芯片嘚制作流程就能大概明白，芯片制作的困难了吧 中国加油，希望早日摆脱美国的钳制！