处理器史话 | 处理器厂商的绝密武器之工艺之争

经过了前文的叙述和讲解，从第一款Intel 4004，到当下最新潮的Core i7，相信大家已经对不同阶段、不同品牌处理器及其的架构有所了解，或者有了新的认识。在他们当中虽然有着不尽如人意的地方，但每一代都是经典的。

所以，本文到了这里，有必要对这些处理器做个小结：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。

每块CPU将被进行完全测试，以检验其全部功能： 某些CPU能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率； 而有些CPU因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。

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，