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CPU(Centralprocessingunit)是现代计算机的核心部件,又称为“微处理器”。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。

本文引用地址: http://embed.21ic.com/hardware/processor/201802/50606.html

CPU 它是计算机的核心部件,计算机进行信息处理可分为两个步骤:

将数据和程序(即指令序列)输入到计算机的存储器中。从第一条指令的地址起开始执行该程序,得到所需结果,结束运行。CPU的作用是协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列,使其有条不紊地进行。因此它必须具有以下基本功能:

a)取指令:当程序已在存储器中时,首先根据程序入口地址取出一条程序,为此要发出指令地址及控制信号。

b)分析指令:即指令译码。是对当前取得的指令进行分析,指出它要求什么操作,并产生相应的操作控制命令。

c)执行指令:根据分析指令时产生的“操作命令”形成相应的操作控制信号序列,通过运算器,存储器及输入/输出设备的执行,实现每条指令的功能,其中包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。

将其功能进一步细化,可概括如下:

能对指令进行译码并执行规定的动作;

可以进行算术和逻辑运算;

能与存储器,外设交换数据;

提供整个系统所需要的控制;

 

尽管各种CPU的性能指标和结构细节各不相同,但它们所能完成的基本功能相同。由功能分析,可知任何一种CPU内部结构至少应包含下面这些部件:算术逻辑运算部件(ALU)、累加器、程序计数器、指令寄存器、译码器、时序和控制部件。

许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道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实在太小,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。

这就是为什么一块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讲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。

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,结构复杂,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。不过不是随便抓一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,就是指当大量电子流过一段导体时,导体物质原子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,而离开原位的原子停留在其它位置,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换上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首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,这里不再赘述。

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满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。

晶圆上的方块称为“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,许多固体内部原子是晶体结构,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。然后从高温容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。不过现在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,不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可以制造复杂程度更高,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。

清洁的空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理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。

换一批

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