篇一：揭密CPU制造全过程
CPU就是沙子你信吗? 让我们来揭密CPU制造全过程吧！
沙中含有25%的硅，是地壳中第二多元素，在经过氧化之后就成为了二氧化硅，在沙，尤其是石英中二氧化硅的含量非常高，这就是制造半导体的基础。
在采购原材料沙子后，将其中的硅进行分离，多余的材料被废弃，再经过多个步骤进行提纯，以最终达到符合半导体制造的质量，这就是所谓的电子级硅。它的纯度是非常大的，每10亿个硅原子中只有一个是不符合要求的。经过净化过程，硅进入融化阶段。在此图片你可以看到一个大晶体硅的纯净融化时的状态，由此产生的单晶体被称为元宝。
一个被铸成锭后的电子级硅的单晶体，重量大约为100千克，硅的纯度达到了99.9999%。
铸好锭后，将进入切割阶段，将整个锭切成一片一片的圆盘，也就是我们俗称的晶圆，这样求切割出来的是非常薄的，一个锭大概高5英尺，锭的直径要根据对晶圆的需求来制定，今天的CPU需要300mm直径的晶圆。
一旦切断，晶圆就要进行抛光，直至完美，表面如镜面一样光滑，Intel并不生产自己的锭和硅片，而是由第三方公司购买可随时投入生产的晶圆。 Intel先进的45nm High-K/Metal Gate晶圆直径就为300mm，当Intel最早生产芯片时是在直径50mm的晶圆上印刷电路，而今天在300mm的晶圆上印刷，以减少成本。
在上图中，我们可以看到晶圆上有蓝色液体，这是类似胶片拍照时的光阻剂，晶圆不停旋转，以使其将液体均匀涂抹在晶圆上，并且涂层也是非常薄的。晶圆在此步骤进行旋转，以使涂层均匀分布。
在这一阶段，晶圆完成暴露于紫外线下，以此来使涂抹在上面的薄膜材料发生化学反应，就像照相时按下快门，影像就印在胶片上，这也是运用了相似的原理。
为了防止晶圆暴露在紫外线下变成可溶性的，因此使用了1个类似口罩的模具挡在前面，上面有设计好的各种电路，照射后这些电路就会想照片一样被印在晶圆上。制造一个CPU基本上要重复这一过程，直到多层堆叠到顶部为止。
在上图片中我们可以看到有代表性的单一晶体管，似乎我们能用肉眼看到它，晶体管作为开关控制一个计算机芯片内电流的流动。Intel的研究人员已经研究出如此之小晶体管，他们声称大约1个针脚可以放30万个晶体管。
在晶体管暴露在紫外线下后，光阻剂完全溶解，先试试吸附在晶体管上的面膜。
光阻层覆盖的地方被保护起来不能被雕刻，而暴露的部分是可以的，也就是说需要在暴露的地方进行雕刻，就像我们做手术时，盖在身上的单子，露出皮肤的地方也就是需要做手术的部位。
篇二：CPU的制作工艺发展
从CPU内核的制作工艺的中窥看各阶段CPU的发展及特点 CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能以及双核心和多核心等。CPU核心的进步对普通消费者而言，最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。
核心（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。不同的CPU都会有不同的核心类型，甚至同一种核心都会有不同版本的类型，核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误，并提升一定的性能，而这些变化普通消费者是很少去注意的。每一种核心类型都有其相应的制造工艺（例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等）、核心面积、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围。
众所周知，世界CPU制造商的两大巨头是Intel和AMD，自1971年Intel公司推出了4004开始，CPU的发展就突飞猛进，可以说是日新月异，性能更是成倍的往上涨。不过最开始的CPU制造商只有Intel一家，不过当时Intel是只是一家在IBM旗下的小公司，在IBM的逼迫下，Intel不得不把CPU的生产技术无偿的传授给其他公司，而当时Intel选择了AMD。这也就造就了今天的两大巨头。不过这也是CPU能够快速发展的一大原因。下面我们就来看看两大巨头的CPU核心，从核心上我们就能看出他们各自的CPU的发展特点。 Intel公司的CPU核心
Tualatin
这也就是大名鼎鼎的“图拉丁”核心，是Intel在Socket 370架构上的最后一种
[WIKI]CPU[/WIKI]核心，采用0.13um制造工艺，封装方式采用FC-PGA2和PPGA，核心电压也降低到了1.5V左右，主频范围从1GHz到1.4GHz，外频分别为100MHz（赛扬）和133MHz（Pentium III），二级缓存分别为512KB（Pentium III-S）和256KB（Pentium III和赛扬），这是最强的Socket 370核心，其性能甚至超过了早期低频的Pentium 4系列
[WIKI]CPU[/WIKI]。
Willamette
这是早期的Pentium 4和P4赛扬采用的核心，最初采用Socket 423接口，后来改用Socket 478接口（赛扬只有1.7GHz和1.8GHz两种，都是Socket 478接口），采用0.18um制造工艺，前端总线频率为400MHz， 主频范围从1.3GHz到2.0GHz（Socket 423）和1.6GHz到2.0GHz（Socket 478），二级缓存分别为256KB（Pentium 4）和128KB（赛扬），注意，另外还有些型号的Socket 423接口的Pentium 4居然没有二级缓存！核心电压1.75V左右，封装方式采用Socket 423的PPGA INT2，PPGA INT3，OOI 423-pin，PPGA FC-PGA2和Socket 478的PPGA FC-PGA2以及赛扬采用的PPGA等等。Willamette核心制造工艺落后，发热量大，
性能低下，已经被淘汰掉，而被Northwood核心所取代。
Northwood
这是目前主流的Pentium 4和赛扬所采用的核心，其与Willamette核心最大的改进是采用了0.13um制造工艺，并都采用Socket 478接口，核心电压1.5V左右，二级缓存分别为128KB（赛扬）和512KB（Pentium 4），前端总线频率分别为400/533/800MHz（赛扬都只有400MHz），主频范围分别为2.0GHz到2.8GHz（赛扬），1.6GHz到2.6GHz（400MHz FSB Pentium 4），
2.26GHz到3.06GHz（533MHz FSB Pentium 4）和2.4GHz到3.4GHz（800MHz FSB Pentium 4），并且3.06GHz Pentium 4和所有的800MHz Pentium 4都支持超线程技术（Hyper-Threading Technology），封装方式采用PPGA FC-PGA2和PPGA。按照Intel的规划，Northwood核心会很快被Prescott核心所取代。
Prescott
这是目前高端的Pentium 4 EE、主流的Pentium 4和低端的Celeron D所采用的核心。Prescott核心与Northwood核心最大的区别是采用了90nm制造工艺，L1 数据缓存从8KB增加到16KB，流水线结构也从20级增加到了31级，并且开始支持SSE3指令集。Prescott核心[WIKI]CPU[/WIKI]初期采用Socket 478接口，现在基本上已经全部转到Socket 775接口，核心电压1.25-1.525V。前端总线频率方面，Celeron D全部都是533MHz FSB，而除了Celeron D之外的其它[WIKI]CPU[/WIKI]为533MHz(不支持超线程技术)和800MHz(支持超线程技术)以及最高的1066MHz(支持超线程技术)。二级缓存分别为256KB(Celeron D)、1MB(Socket 478接口的Pentium 4以及Socket 775接口的Pentium 4 5XX系列)和2MB(Pentium 4 6XX系列以及Pentium 4 EE)。封装方式采用PPGA(Socket 478)和PLGA(Socket 775)。Prescott核心自从推出以来也在不断的完善和发展，先后加入了硬件防病毒技术Execute Disable Bit(EDB)、节能省电技术Enhanced Intel SpeedStep Technology(EIST)、虚拟化技术Intel Virtualization Technology(Intel VT)以及64位技术EM64T等等，二级缓存也从最初的1MB增加到了2MB。按照Intel的规划，Prescott核心会被Cedar Mill核心取代。
Cedar Mill
这是Pentium 4 6X1系列和Celeron D 3X2/3X6系列采用的核心，从2005开始末出现。其与Prescott核心最大的区别是采用了65nm制造工艺，其它方面则变化不大，基本上可以认为是Prescott核心的65nm制程版本。Cedar Mill核心全部采用Socket 775接口，核心电压1.3V左右，封装方式采用PLGA。其中，Pentium 4全部都为800MHz FSB、2MB二级缓存，都支持超线程技术、硬件防病毒技术EDB、节能省电技术EIST以及64位技术EM64T；而Celeron D则是533MHz FSB、512KB二级缓存，支持硬件防病毒技术EDB和64位技术EM64T，不支持超线程技术以及节能省电技术EIST。Cedar Mill核心也是Intel处理器在NetBurst架构上的最后一款单核心处理器的核心类型，按照Intel的规划，Cedar Mill核心将逐渐被Core架构的Cooe核心所取代。
Yonah
目前采用Yonah核心[WIKI]CPU[/WIKI]的有双核心的Core Duo和单核心的Core Solo，另外Celeron M也采用此核心，Yonah是Intel于2006年初推出的。这是一种单/双核心处理器的核心类型，其在应用方面的特点是具有很大的灵活性，既可用于桌面平台，也可用于移动平台；既可用于双核心，也可用于单核心。Yonah核心来源于移动平台上大名鼎鼎的处理器Pentium M的优秀架构，具有流水线级数少、执行效率高、性能强大以及功耗低等等优点。Yonah核心采用65nm制造工艺，接口类型是改良了的新版Socket 478接口(与以前台式机的Socket 478并不兼容)。Yonah核心都支持硬件防病毒技术EDB以及节能省电技术EIST，但其最大的遗憾是不支持64位技术，仅仅只是32位的处理器。值得注意的是，Core Duo的Yonah核心则是采用了两个核心共享2MB的二级缓存。共享式的二级缓存配合Intel的“Smart cache”共享缓存技术，实现了真正意义上的缓存数据同步，大幅度降低了数据延迟，减少了对前端总线的占用。Yonah核心是共享缓存的紧密型耦合方案，其优点是性能理想，缺点是技术比较复杂。
AMD CPU核心
Palomino
这是最早的Athlon XP的核心，采用0.18um制造工艺，核心电压为1.75V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz。
Thoroughbred
这是第一种采用0.13um制造工艺的Athlon XP核心，又分为Thoroughbred-A和Thoroughbred-B两种版本，核心电压1.65V-1.75V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz和333MHz。
Sledgehammer
Sledgehammer是AMD服务器CPU的核心，是64位CPU，一般为940接口，0.13微米工艺。Sledgehammer功能强大，集成三条HyperTransprot总线，核心使用12级流水线，128K一级缓存、集成1M二级缓存，可以用于单路到8路CPU服务器。Sledgehammer集成内存控制器，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时，支持双通道DDR内存，由于是服务器CPU，当然支持ECC校验。
Clawhammer
采用0.13um制造工艺，核心电压1.5V左右，二级缓存为1MB，封装方式采用mPGA，采用Hyper Transport总线，内置1个128bit的内存控制器。采用Socket 754、Socket 940和Socket 939接口。
Newcastle
其与Clawhammer的最主要区别就是二级缓存降为512KB（这也是AMD为了市场需要和加快推广64位CPU而采取的相对低价政策的结果），其它性能基本相同。
Wincheste
Wincheste是比较新的AMD Athlon 64CPU核心，是64位CPU，一般为939接口，0.09微米制造工艺。这种核心使用200MHz外频，支持1GHyperTransprot总线，512K二级缓存，性价比较好。Wincheste集成双通道内存控制器，支持双通道DDR内存，由于使用新的工艺，Wincheste的发热量比旧的Athlon小，性能也有所提升。
Troy
Troy是AMD第一个使用90nm制造工艺的Opteron核心。Troy核心是在Sledgehammer基础上增添了多项新技术而来的，通常为940针脚，拥有128K一级缓存和1MB (1,024 KB)二级缓存。同样使用200MHz外频，支持1GHyperTransprot总线，集成了内存控制器，支持双通道DDR400内存，并且可以支持ECC 内存。此外，Troy核心还提供了对SSE-3的支持，和Intel的Xeon相同，总的来说，Troy是一款不错的CPU核心。
Venice
Venice核心是在Wincheste核心的基础上演变而来，其技术参数和Wincheste基本相同：一样基于X86-64架构、整合双通道内存控制器、512KB L2缓存、90nm制造工艺、200MHz外频，支持1GHyperTransprot总线。Venice的变化主要有三方面：一是使用了Dual Stress Liner (简称DSL)技术，可以将半导体晶体管的响应速度提高24%，这样是CPU有更大的频率空间，更容易超频；二是提供了对SSE-3的支持，和Intel的CPU相同；三是进一步改良了内存控制器，一定程度上增加处理器的性能，更主要的是增加内存控制器对不同DIMM模块和不同配置的兼容性。此外Venice核心还使用了动态电压，不同的CPU可能会有不同的电压。
SanDiego
SanDiego核心与Venice一样是在Wincheste核心的基础上演变而来，其技术参数和Venice非常接近，Venice拥有的新技术、新功能，SanDiego核心一样拥有。不过AMD公司将SanDiego核心定位到顶级Athlon 64处理器之上，甚至用于服务器CPU。可以将SanDiego看作是Venice核心的高级版本，只不过缓存容量由512KB提升到了1MB。当然由于L2缓存增加，SanDiego核心的内核尺寸也有所增加，从Venice核心的84平方毫米增加到115平方毫米，当然价格也更高昂。
Paris
Paris核心是Barton核心的继任者，主要用于AMD的闪龙，早期的754接口闪龙部分使用Paris核心。Paris采用90nm制造工艺，支持iSSE2指令集，一般为256K二级缓存，200MHz外频。Paris核心是32位CPU，来源于K8核心，因此也具备了内存控制单元。CPU内建内存控制器的主要优点在于内存控制器可以以CPU频率运行，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时。使用Paris核心的闪龙与Socket A接口闪龙CPU相比，性能得到明显提升。
Palermo
Palermo核心目前主要用于AMD的闪龙CPU，使用Socket 754接口、90nm制造工艺，1.4V左右电压，200MHz外频，128K或者256K二级缓存。Palermo核心源于K8的Wincheste核心，新的E6步进版本已经支持64位。除了拥有与AMD高端处理器相同的内部架构，还具备了EVP、Cool‘n’Quiet；和HyperTransport等AMD独有的技术，为广大用户带来更“冷静”、更高计算能力的优秀处理器。由于脱胎与ATHLON64处理器，所以Palermo同样具备了内存控制单元。CPU内建内存控制器的主要优点在于内存控制器可以以CPU频率运行，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时。
随着个人PC的迅速发展，CPU的发展也势在必行，这也使得人们越来越关注CPU。而Intel公司也日益壮大，逐渐的摆脱了IBM公司的约束。这使得Intel公司和AMD公司的生产技术不再互通有无，逐渐的形成了对抗，你追我赶，这也就促使了CPU的不断创新，不同的CPU生产技术，不同的高性能的CPU核心的不断出现，这就成就了一部CPU的发展史。
篇三：CPU是怎样工作的
◆ CPU的原始工作模式在了解CPU工作原理之前，我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态：ON（开）和OFF（关）。这一开一关就相等于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！这样，计算机就具备了处理信息的能力。但你不要以为，只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来，科技人员把两个晶体放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。
看到这里，你一定想知道，晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢？其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全由开关来控制，如果你将开关设置微OFF，电子将停止流动，如果你再将其设置为ON，电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制，我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样，晶体管的ON状态用“1”来表示，而OFF状态则用“0”来表示，就可以组成最简单的二进制数。
众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子，十进制位中的1在二进制模式时也是“1”，2在二进制位模式时是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此类推，这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制，晶体管组成就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。
◆ CPU的内部结构现在我们已经大概知道CPU是负责些什么事情，但是具体由哪些部件负责处理数据和执行程序呢？ 1.算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit） ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的，这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。 2.寄存器组RS（Register Set或Registers） RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。
3.控制单元（Control Unit）正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心；由指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）和操作控制器OC（Operation Controller）三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从寄存器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码（分析）确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑
4.总线（Bus）就像工厂中各部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括：数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）、控制总线CB（Control Bus）。其中，数据总线用来传输数据信息；地址总线用于传送CPU发出的地址信息；控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。
◆ CPU的工作流程由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心，其英文全称是：Central Processing Unit，即中央处理器。首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元（包括内部总线及缓冲器）三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程：进入工厂的原料（程序指令），经过物资分
配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出成品（处理后的数据）后，再存储在仓库（存储单元）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。 ◆ 数据与指令在CPU中的运行刚才已经为大家介绍了CPU的部件及基本原理情况，现在，我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道，数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针（Instruction Pointer）会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号（称为地址），可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元（ALU）什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。基本上，CPU就是
这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生您在显示器上所看到的结果。我们很容易想到，在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。
◆ 如何提高CPU工作效率既然CPU的主要工作是执行指令和处理数据，那么工作效率将成为CPU的最主要内容，因此，各CPU厂商也尽力使用CPU处理数据的速度更快。根据CPU的内部运算结构，一些制造厂商在CPU内增加了另一个算术逻辑单元（ALU），或者是另外再设置一个处理非常大和非常小的数据浮点运算单元（Floating Point Unit，FPU），这样就大大加快了数据运算的速度。而在执行效率方面，一些厂商通过流水线方式或以几乎并行工作的方式执行指令的方法来提高指令的执行速度。刚才我们提到，指令的执行需要许多独立的操作，诸如取指令和译码等。最初CPU在执行下一条指令之前必须全部执行完上一条指令，而现在则由分布式的电路各自执行操作。也就是说，当这部分的电路完成了一件工作后，第二
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