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製造工藝指製造CPU或GPU的製程,或指晶體管門電路的尺寸,目前單位為納米(nm)。目前主流的CPU製程已經達到了45納米,更高的甚至已經有了32納米。

1 製造工藝 -製造工藝分類

CPU製造工藝

  CPU「製作工藝」指得是在生產CPU過程中,要進行加工各種電路和電子元件,製造導線連接各個元器件。通常其生產的精度以納米(以前用微米)來表示,精度越高,生產工藝越先進。在同樣的材料中可以製造更多的電子元件,連接線也越細,提高CPU的集成度。
  製造工藝的微米是指IC內電路與電路之間的距離。製造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發展,密度愈高的IC電路設計,意味著在同樣大小面積的IC中,可以擁有密度更高、功能更複雜的電路設計。微電子技術的發展與進步,主要是靠工藝技術的不斷改進。晶元製造工藝在1995年以後,從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90納米、80納米、65納米,45納米,32納米,一直發展到目前最新的22納米,而15納米將是下一代CPU的發展目標。GPU製造工藝

  顯卡的製造工藝實際上就是指顯示核心的製程,它指的是晶體管門電路的尺寸,現階段主要以納米(nm)為單位。顯示晶元的製造工藝與CPU一樣,也是用微米來衡量其加工精度的。製造工藝的提高,意味著顯示晶元的體積將更小、集成度更高,可以容納更多的晶體管。
  和中央處理器一樣,顯示卡的核心晶元,也是在硅晶片上製成的。微電子技術的發展與進步,主要是靠工藝技術的不斷改進,顯示晶元製造工藝在1995年以後,從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.11微米、90納米、80納米、65納米、55納米、40納米一直發展到目前的28納米製程。

2 製造工藝 -製造工藝詳解

(1) 硅提純

  生產CPU與GPU等晶元的材料是半導體,現階段主要的材料是硅Si,這是一種非金屬元素,從化學的角度來看,由於它處於元素周期表中金屬元素區與非金屬元素區的交界處,所以具有半導體的性質,適合於製造各種微小的晶體管,是目前最適宜於製造現代大規模集成電路的材料之一。
  在硅提純的過程中,原材料硅將被熔化,並放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種,以便硅晶體圍著這顆晶種生長,直到形成一個幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是200毫米,而CPU或GPU廠商正在增加300毫米晶圓的生產。(2)切割晶圓

  硅錠造出來了,並被整型成一個完美的圓柱體,接下來將被切割成片狀,稱為晶圓。晶圓才被真正用於CPU與GPU的製造。所謂的「切割晶圓」也就是用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規格的硅晶片,並將其劃分成多個細小的區域,每個區域都將成為一個處理器的內核(Die)。一般來說,晶圓切得越薄,相同量的硅材料能夠製造的處理器成品就越多。(3)影印(Photolithography)

  在經過熱處理得到的硅氧化物層上面塗敷一種光阻(Photoresist)物質,紫外線通過印製著處理器複雜電路結構圖樣的模板照射硅基片,被紫外線照射的地方光阻物質溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區域也受到光的干擾,必須製作遮罩來遮蔽這些區域。這是個相當複雜的過程,每一個遮罩的複雜程度得用10GB數據來描述。(4)蝕刻(Etching)

  這是CPU與GPU生產過程中重要操作,也是處理器工業中的重頭技術。蝕刻技術把對光的應用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光並配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上,使之曝光。接下來停止光照並移除遮罩,使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜,以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。
  然後,曝光的硅將被原子轟擊,使得暴露的硅基片局部摻雜,從而改變這些區域的導電狀態,以製造出N井或P井,結合上面製造的基片,處理器的門電路就完成了。(5)重複、分層

  為加工新的一層電路,再次生長硅氧化物,然後沉積一層多晶硅,塗敷光阻物質,重複影印、蝕刻過程,得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結構。重複多遍,形成一個3D的結構,這才是最終的CPU與GPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。(6)封裝

  這時的CPU或GPU是一塊塊晶圓,它還不能直接被用戶使用,必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中,這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結構各有不同,但越高級的處理器封裝也越複雜,新的封裝往往能帶來晶元電氣性能和穩定性的提升,並能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎。(7)多次測試

  測試是一個處理器製造的重要環節,也是一塊處理器出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能,以檢查是否出了什麼差錯,以及這些差錯出現在哪個步驟(如果可能的話)。
  當CPU或GPU被放進包裝盒之前,一般還要進行最後一次測試,以確保之前的工作準確無誤。根據前面測試而確定的處理器的體質不同,它們被放進不同的包裝,銷往世界各地。

3 製造工藝 -製造工藝進步的意義

  更先進的製造工藝會在CPU與GPU內部集成更多的晶體管,使處理器實現更多的功能和更高的性能;更先進的製造工藝會使處理器的核心面積進一步減小,也就是說在相同面積的晶圓上可以製造出更多的CPU與GPU產品,直接降低了CPU與GPU的產品成本,從而最終會降低CPU與GPU的銷售價格使廣大消費者得利;更先進的製造工藝還會減少處理器的功耗,從而減少其發熱量,解決處理器性能提升的障礙.....處理器自身的發展歷史也充分的說明了這一點,先進的製造工藝使CPU的性能和功能一直增強,成本得到有效控制。

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