|
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。
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与设备商合作，共同研发450mm（18寸）晶圆生产技术，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。
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：
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； 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。下图为7层金属铜互连技术显微图片：
7层金属铜互连技术显微图片
为什么要强调这个金属互连层呢？
因为在芯片的加工过程，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，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。
直到此时，在这一轮的PK中，Intel总算找回来一些面子。
高端招聘：半导体行业销售总监职位
链接：半导体行业销售总监招聘
 更好的渠道为您供应全球各种等级原厂原装的系统芯片（FPGA etc,），Flash 芯片,欢迎咨询。联系手机（微信）: 15921500487
|
