● 製造CPU的基本原料

如果問及CPU的原料是什麼，大家都會輕而易舉的給出答案—是矽。這是不假，但矽又來自哪裡呢？其實就是那些最不起眼的沙子。難以想象吧，價格昂貴，結構複雜，功能強大，充滿著神秘感的CPU竟然來自那根本一文不值的沙子。當然這中間必然要經歷一個複雜的製造過程才行。不過不是隨便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑細選，從中提取出最最純淨的矽原料才行。試想一下，如果用那最最廉價而又儲量充足的原料做成CPU，那麼成品的質量會怎樣，你還能用上像現在這樣高效能的處理器嗎？

英特爾技術人員在半導體生產工廠內使用自動化測量工具，依據嚴格的質量標準對晶圓的製造進度進行監測。

除去矽之外，製造CPU還需要一種重要的材料就是金屬。目前為止，鋁已經成為製作處理器內部配件的主要金屬材料，而銅則逐漸被淘汰，這是有一些原因的，在目前的CPU工作電壓下，鋁的電遷移特性要明顯好於銅。所謂電遷移問題，就是指當大量電子流過一段導體時，導體物質原子受電子撞擊而離開原有位置，留下空位，空位過多則會導致導體連線斷開，而離開原位的原子停留在其它位置，會造成其它地方的短路從而影響晶片的邏輯功能，進而導致晶片無法使用。這就是許多Northwood Pentium 4換上SNDS（北木暴畢綜合症）的原因，當發燒友們第一次給Northwood Pentium 4超頻就急於求成，大幅提高晶片電壓時，嚴重的電遷移問題導致了CPU的癱瘓。這就是intel首次嘗試銅互連技術的經歷，它顯然需要一些改進。不過另一方面講，應用銅互連技術可以減小芯片面積，同時由於銅導體的電阻更低，其上電流透過的速度也更快。

除了這兩樣主要的材料之外，在晶片的設計過程中還需要一些種類的化學原料，它們起著不同的作用，這裡不再贅述。

● CPU製造的準備階段

在必備原材料的採集工作完畢之後，這些原材料中的一部分需要進行一些預處理工作。而作為最主要的原料，矽的處理工作至關重要。首先，矽原料要進行化學提純，這一步驟使其達到可供半導體工業使用的原料級別。而為了使這些矽原料能夠滿足積體電路製造的加工需要，還必須將其整形，這一步是透過溶化矽原料，然後將液態矽注入大型高溫石英容器而完成的。

晶圓上的方塊稱為“晶片（die）”，每個微處理器都會成為個人計算機系統的“大腦”。

而後，將原料進行高溫溶化。中學化學課上我們學到過，許多固體內部原子是晶體結構，矽也是如此。為了達到高效能處理器的要求，整塊矽原料必須高度純淨，及單晶矽。然後從高溫容器中採用旋轉拉伸的方式將矽原料取出，此時一個圓柱體的矽錠就產生了。從目前所使用的工藝來看，矽錠圓形橫截面的直徑為200毫米。不過現在intel和其它一些公司已經開始使用300毫米直徑的矽錠了。在保留矽錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當的難度的，不過只要企業肯投入大批資金來研究，還是可以實現的。intel為研製和生產300毫米矽錠而建立的工廠耗費了大約35億美元，新技術的成功使得intel可以製造複雜程度更高，功能更強大的積體電路晶片。而200毫米矽錠的工廠也耗費了15億美元。下面就從矽錠的切片開始介紹CPU的製造過程。

清潔的空氣源源不斷地從天花板和地板中的空隙中流入室內。無塵車間中的全部空氣每分鐘都會多次更換。

在製成矽錠並確保其是一個絕對的圓柱體之後，下一個步驟就是將這個圓柱體矽錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產的處理器晶片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑，之後檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質量檢驗尤為重要，它直接決定了成品CPU的質量。

新的切片中要摻入一些物質而使之成為真正的半導體材料，而後在其上刻劃代表著各種邏輯功能的電晶體電路。摻入的物質原子進入矽原子之間的空隙，彼此之間發生原子力的作用，從而使得矽原料具有半導體的特性。今天的半導體制造多選擇CMOS工藝（互補型金氧半導體）。其中互補一詞表示半導體中N型MOS管和P型MOS管之間的互動作用。而N和P在電子工藝中分別代表負極和正極。多數情況下，切片被摻入化學物質而形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設計，這種型別的電晶體空間利用率更高也更加節能。同時在多數情況下，必須儘量限制pMOS型電晶體的出現，因為在製造過程的後期，需要將N型材料植入P型襯底當中，而這一過程會導致pMOS管的形成。

在摻入化學物質的工作完成之後，標準的切片就完成了。然後將每一個切片放入高溫爐中加熱，透過控制加溫時間而使得切片表面生成一層二氧化矽膜。透過密切監測溫度，空氣成分和加溫時間，該二氧化矽層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中，門氧化物的寬度小到了驚人的5個原子厚度。這一層閘電路也是電晶體閘電路的一部分，電晶體閘電路的作用是控制其間電子的流動，透過對門電壓的控制，電子的流動被嚴格控制，而不論輸入輸出埠電壓的大小。

準備工作的最後一道工序是在二氧化矽層上覆蓋一個感光層。這一層物質用於同一層中的其它控制應用。這層物質在乾燥時具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過程結束之後，能夠透過化學方法將其溶解併除去。

● 光刻蝕

這是目前的CPU製造過程當中工藝非常複雜的一個步驟，為什麼這麼說呢？光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕， 由此改變該處材料的化學特性。這項技術對於所用光的波長要求極為嚴格，需要使用短波長的紫外線和大麴率的透鏡。刻蝕過程還會受到晶圓上的汙點的影響。每一步刻蝕都是一個複雜而精細的過程。設計每一步過程的所需要的資料量都可以用10GB的單位來計量，而且製造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步（每一步進行一層刻蝕）。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個紐約市外加郊區範圍的地圖相比，甚至還要複雜，試想一下，把整個紐約地圖縮小到實際面積大小隻有100個平方毫米的晶片上，那麼這個晶片的結構有多麼複雜，可想而知了吧。

單晶矽錠

最初的核心架構

當這些刻蝕工作全部完成之後，晶圓被翻轉過來。短波長光線透過石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然後撤掉光線和模板。透過化學方法除去暴露在外邊的感光層物質，而二氧化矽馬上在陋空位置的下方生成。

英特爾技術人員在監測自動溼刻蝕工具中的晶圓，該工藝可清除晶圓上多餘的操作助劑或者汙染物。

● 摻雜

在殘留的感光層物質被去除之後，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化矽層以及暴露出來的在該層下方的矽層。這一步之後，另一個二氧化矽層製作完成。然後，加入另一個帶有感光層的多晶矽層。多晶矽是閘電路的另一種型別。由於此處使用到了金屬原料（因此稱作金氧半導體），多晶矽允許在電晶體佇列埠電壓起作用之前建立閘電路。感光層同時還要被短波長光線透過掩模刻蝕。再經過一部刻蝕，所需的全部閘電路就已經基本成型了。然後，要對暴露在外的矽層透過化學方式進行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程建立了全部的電晶體及彼此間的電路連線，沒個電晶體都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作埠。

● 重複這一過程

從這一步起，你將持續新增層級，加入一個二氧化矽層，然後光刻一次。重複這些步驟，然後就出現了一個多層立體架構，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態了。在每層之間採用金屬塗膜的技術進行層間的導電連線。今天的P4處理器採用了7層金屬連線，而Athlon64使用了9層，所使用的層數取決於最初的版圖設計，並不直接代表著最終產品的效能差異。

● 封裝測試過程

接下來的幾個星期就需要對晶圓進行一關接一關的測試，包括檢測晶圓的電學特性，看是否有邏輯錯誤，如果有，是在哪一層出現的等等。而後，晶圓上每一個出現問題的晶片單元將被單獨測試來確定該晶片有否特殊加工需要。

技術人員正在檢查各個晶圓，確保每個晶圓都處於最佳狀態。每個晶圓中可能包含數百個晶片。

晶圓在測試過程中旋轉時的特寫

而後，整片的晶圓被切割成一個個獨立的處理器晶片單元。在最初測試中，那些檢測不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來的晶片單元將被採用某種方式進行封裝，這樣它就可以順利的插入某種介面規格的主機板了。大多數intel和AMD的處理器都會被覆蓋一個散熱層。在處理器成品完成之後，還要進行全方位的晶片功能檢測。這一部會產生不同等級的產品，一些晶片的執行頻率相對較高，於是打上高頻率產品的名稱和編號，而那些執行頻率相對較低的晶片則加以改造，打上其它的低頻率型號。這就是不同市場定位的處理器。而還有一些處理器可能在晶片功能上有一些不足之處。比如它在快取功能上有缺陷（這種缺陷足以導致絕大多數的CPU癱瘓），那麼它們就會被遮蔽掉一些快取容量，降低了效能，當然也就降低了產品的售價，這就是Celeron和Sempron的由來。

在CPU的包裝過程完成之後，許多產品還要再進行一次測試來確保先前的製作過程無一疏漏，且產品完全遵照規格所述，沒有偏差。

電腦CPU目前主要品牌基本上是intel一家獨大，AMD佔比不高

要研發CPU需要什麼這個問題我拆開看CPU是怎麼研發出來的

1.很強的資本，晶片很燒錢

2.IC設計技術團隊

3.配套的製造和封測

看似簡單但是真的壁壘很高，國內目前能做CPU的晶片玩家有龍芯，海光等距離國際巨頭還是很大的，

不請自來，您的問題提的太棒了！

在全自主研發的情況下，研製通用電腦CPU比研製普通的嵌入式晶片、手機CPU晶片要難上無數倍！為什麼難？就是因為必備的條件太多了，總結一下就是：錢，工具，核心技術，工業體系四個大的方面。

錢

根據IC Insights的資料，半導體行業在2017年研發投入共340億美元，而英特爾的研發投入則超過130億美元，比排在後面的五個競爭對手高通、博通、三星、東芝和臺積電加起來還要多。

所以沒有錢，是萬萬不可能研究成功的。中國最牛的龍芯公司從2001年開始研究全中國產化CPU龍芯，他到了2015年才開始盈虧平衡，在這十幾年的時間裡花掉了天量的研發經費。

設計工具

現代CPU的複雜性極，70年代的處理器可能只有有幾千個電晶體，而現代的CPU有數十億個電晶體，這麼多的電晶體要部署在小小指甲片大小的CPU上，沒有超強的設計能力是沒有可能的。晶片設計需要依賴電子設計自動化工具（EDA），這一工具使設計者能用計算機進行邏輯編譯、化簡、分割、綜合、最佳化、佈局、佈線和模擬等工作，最終完成晶片設計，這些軟體是由美國公司把控的。我們想要自研CPU，就必須現有同樣優秀的設計工具！

核心技術

在CPU的設計過程中，有兩個最為核心的內容：指令集與微架構。

指令集是CPU中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合，指令集的先進與否，也關係到CPU的效能發揮，他是提高CPU效率的最有效的途徑之一。即使是中國最強大的龍芯，也是在國外開源的MIPS指令集的基礎上進行的研發。龍芯先是購買了MIPS指令集永久授權，而後切換到了自主研發的LoongISA指令系統，並同時相容MIPS指令。

由此可以想象指令集的研發有多難，需要多少智慧。

微架構

微架構，對應的是底層硬體如何執行指令集的，用什麼方式執行指令速度更快，耗能更低？它涉及到多核、超標量、指令分支預測、亂序執行、多層次儲存等各項指標引數，CPU核心就是微架構和指令集設計的結合。

工業體系

設計工作完成之後，接下來就是生產了，生產一塊CPU的流程大約涉及50多個行業、2000-5000道工序。

簡單說，需要先將“砂子”提純成矽，再切成晶元，然後加工晶元。晶元加工廠包含前後兩道工藝，前道工藝分幾大模組——光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入；後道工藝主要是封裝——互聯、打線、密封。其中許多工藝都在獨立的工廠進行，而使用的裝置也需要專門的裝置廠製造；使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材，都需要專門的化工工業。另外，積體電路的生產都是在超淨間進行的，因此還需要排風和空氣淨化等系統。

這裡涉及到了材料、裝置、工藝、環境等等多個行業和專業的大的集合，目前中國在這些部分領域具有世界先進水平，但在裝置製造等核心領域還沒有辦法和國外競爭。最明顯的例子就是光刻機，荷蘭AMSL價值一億美元的光刻機就是不賣給中國。

這也是為什麼龍芯的cpu製程還停留在28奈米，而國際最先進的製程已經到了7奈米。小小的一塊cpu，想要生產出來卻需要各領域的技術進化，如果沒有配套的工業體系，想要做到世界領先，幾乎沒有可能。

電路、模電、數電、低頻電子、高頻電子等學科知識是基礎，還需要學習其他許多更高深的技術，才能理解和開發通用cpu技術。通用cpu技術很複雜，目前全世界能造電腦cpu的公司曲指可數，例如英特爾公司，amd公司，這些研發cpu的公司都有幾萬的技術研發人員，足見其技術難度多高，建議志在研發通用cpu技術者深造