制造业
CPU制造
CPU整机制造


简介

中央处理器(Central Processing Unit,CPU)是电子计算机的主要设备之一,是电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令,后者是对指令译码并执行指令的核心部件。

中央处理器主要包括两个部分,即控制器、运算器,其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。中央处理器的功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。

在计算机体系结构中,CPU 是对计算机的所有硬件资源(如存储器、输入输出单元) 进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作,最终都将通过指令集映射为CPU的操作。

CPU 自产生以来,在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

注意,本章中所介绍“处理器”均为桌面及服务器级处理器,非手机处理器,请注意辨别

种类

定位

按照定位可以分为入门级、中端、中高端、高端处理器。 在服务器当中,以英特尔至强(Xeon)为例,可分为铜牌、银牌、金牌、铂金系列。

核心数

按照核心数可以分为单核和多核。多核的核心数从双核算起,上不封顶。截止2020年3月,核心数最多的台式机处理器为AMD® 锐龙™线程撕裂者 3990X ,核心最多的服务器处理器为AMD® EPYC 7742/7H12/7702(P)/7662。它们的核心数均为64核。

线程数

按照线程数可以分为单线程和多线程(即超线程)。

用途

按照用途分为台式机处理器、移动版处理器、服务器处理器。

架构

按照架构分为两大类:复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)。

以intel、AMD为首的是复杂指令集CPU,另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。

两个不同品牌的CPU,其产品的架构也不相同,例如,Intel、AMD的CPU是X86架构的,而IBM公司的CPU是PowerPC架构,ARM公司是ARM架构。

运算位数

按照运算位数可以分为4位、16位、32位、64位 、128位。

目前桌面级CPU以及主流手机SoC的CPU单元多为64位。

常见的C51单片机(MCU)为8位。进一步的ARM架构的单片机还有16位、32位、64位正在应用于身边的物联网设备。

Intel处理器系列

最新处理器截止至 2020 年 3 月

系列最新适用
酷睿(Core)Intel® Core™ i9-10980XE笔记本、台式机、一体机、平板电脑
奔腾(Pentium)Intel® Pentium™ G5620笔记本、台式机、一体机。相对酷睿较低端。
赛扬(Celeron)Intel® Celeron™ G4590笔记本、一体机、台式机。相对酷睿、奔腾较低端。
至强(Xeon)Intel® Xeon™铂金9282服务器系列
安腾(Itanium)Intel® Itanium™ 9700旧台式机、一体机、笔记本。IT-X64架构。2021年将停产。
凌动(Atom)Intel® Atom™ X7一体机、平板电脑、二合一电脑、低成本PC
Quark SoC 物联网设备(可穿戴设备)。已停产。

AMD处理器系列

最新处理器截止至 2020 年 3 月

系列最新适用
锐龙(Ryzen)AMD® Ryzen™ Threadripper 3990X Desktop
AMD FX FX 9590 Desktop
Accelerated Processing Unit(APU) Ryzen™ 3400G(With Vega™ 11 Graphics) Desktop
速龙(Athlon) Athlon™3000GE
闪龙(Sempron) N/A
炫龙(Turion) N/A
皓龙(Opteron) N/A
Geode N/A
羿龙(Phenom) N/A
钻龙(Duron) N/A
霄龙 (EPYC) EPYC 7H12 Server
AMD官网www.amd.com/zh-hans/;维基百科:AMD处理器列表zh.wikipedia.org/wiki/AMD處理器列表

评判标准

性能

  • 频率

CPU的频率是指其工作频率,分为主频、外频和倍频。

主频其实就是CPU内核工作时的时钟频率。CPU的主频所表示的是CPU内数字脉冲信号振荡的速度。所以并不能直接说明主频的速度是计算机CPU的运行速度的直接反映形式,我们并不能完全用主频来概括CPU的性能。

外频是系统总线的工作频率,即CPU的基准频率,是CPU与主板之间同步运行的速度。外频速度越高,CPU就可以同时接受更多来自外围设备的数据,从而使整个系统的速度进一步提高。

倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。

  • CPU的缓存容量与性能

计算的缓存容量越大,那么他的性能就越好。计算机在进行数据处理和运算时,会把读出来的数据先存储在一旁,然后累计到一定数量以后同时传递,这样就能够把不同设备之间处理速度的差别给解决了,这个就是缓存容量。在处理数据时,数据的临时存放点。按道理,只要缓存容量越大,计算机的数据处理速度将会越大,则计算机运行速度将会越快。

  • CPU工作电压

CPU的正常工作电压的范围比较宽,在计算机发展的初期,这时候CPU的核定电压为5伏左右,后来CPU工艺、技术发展,CPU正常工作所需电压相较以前而言越来越低,最低可达1.1V,如此低电压下的环境,CPU也能正常运行。有些发烧友通过加强工作电压,加强CPU的运转效率,达到超频的目的,极大的提升了CPU的运行效率,但这样是一种消耗CPU使用寿命的不可取的办法。

  • CPU的总线方式

一般来说,我们把CUP内部的总线结构分为三类:单线结构,由一条总线连接内部所有的部件,结构简单,性能低下。双总线结构,连接各部件的总线有两条,被叫做双总线结构。多总线结构,连接CPU内各部件的总线有3条及以上,则构成多总线结构。

  • CPU制造工艺

CPU制造工艺又叫做CPU制程,它的先进与否决定了CPU的性能优劣。CPU的制程越先进(越小),性能越强,功耗也越小。目前最先进的是5nm。详见“工艺”。

  • 超标量

超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。这在486或者以前的CPU上是很难想象的,只有Pentium级以上CPU才具有这种超标量结构;486以下的CPU属于低标量结构,即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。

性能参考:CPU天梯图

流程

CPU是一种半导体器件, 其生产材料是半导体,现阶段主要为硅(Si)。

这是一种非金属元素,从化学的角度来看,由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处,所以具有半导体的性质,经掺杂后具有正向导通反向截止的特点,适合于制造各种微小的晶体管。它也是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

提纯硅

硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含 25% 的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,这也是半导体制造产业的基础。

通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅,学名电子级硅(EGS),平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。

在硅提纯的过程中,原材料硅将被熔化,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,而最后得到的就是硅锭(Ingot)。以往的硅锭的直径大都是 200 毫米,而 CPU 厂商正在增加 300 毫米晶圆的生产。

切割晶圆

硅锭造出来了,并被整型成一个完美的圆柱体,接下来将硅锭横向切割成圆形的单个硅片,称为晶圆。晶圆才被真正用于 CPU 的制造。

所谓的“切割晶圆”也就是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)。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。

影印(Photolithography)

切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕,表面甚至可以当镜子。

再在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷光刻胶(Photoresist),光刻胶层随后透过掩模被曝光在紫外线之下变得可溶,掩模上印着预先设计好的CPU电路图案,紫外线透过它照在光刻胶层上,就会形成微处理器的每一层电路图案。

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几十 GB 数据来描述。

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刻胶膜上,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刻胶膜,以及未被光刻胶覆盖且已被曝光腐蚀的硅电路图案。

然后,曝光的硅电路将被原子轰击,使得暴露的硅电路基片局部掺杂,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。

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,涂敷光刻胶,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。

多次测试

测试是一个 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。

整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元。检测晶圆的电学特性,看是否有逻辑错误,如果有,是在哪一层出现的等等。在最初测试中,那些检测不合格的单元将被遗弃。而后,晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要。

封装

这时的 CPU 仍是一块块晶圆,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。

这些被切割下来的芯片单元将被采用某种方式进行封装,这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了。

并且大多数的处理器都会被覆盖一个散热层,以加强散热性。

再次测试

封装后的每块 CPU 将被进行完全测试,以检验其全部功能。

这一部会产生不同等级的产品,一些芯片的运行频率相对较高,于是打上高频率产品的名称和编号,而那些运行频率相对较低的芯片则加以改造,打上其它的低频率型号。

这就是不同市场定位的处理器。

而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处。比如它在缓存功能上有缺陷,这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪。

那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量,降低了性能,但这意味着这块 CPU 依然能够出售。

只是它可能是 Celeron 和 Pentium 等低端产品。

工艺

CPU制造工艺又叫做CPU制程,它的先进与否决定了CPU的性能优劣。

CPU是在一整块硅上“镂空”制造出来的,通过替换法形成一定数量的二极管 形成运算效果。

一般来说,CPU的制程越先进(越小),性能也更强,功耗也会进一步的减少。目前最先进的是 5nm,已经接近冯诺依曼架构计算机制程的极限。

原辅材料的选用和处理

主要是硅提纯和切割晶圆 在制造流程中我提到过的

生产线分工

准确的说cpu不存在生产线。整个cpu的生产过程被分成很多阶段:

(1)硅提纯

(2)切割晶圆

目前主流的切割工艺分为游离磨粒线锯和金刚石线锯。游离磨粒线锯通过高速移动的钢线把富含磨粒的浆液带入切割区域,从而磨粒在晶柱表面造成压印,刮擦等方式进行破坏以达到切割目的;金刚石线锯则是通过带动附有金刚石粉末的钢线高速运动,使得金刚石粉末对晶柱表面进行刮擦的方式进行切割。

(3)影印(Photolithography) 蚀刻(Etching)

(4)重复、分层

(5)封装

(6)多次测试

几乎每个环节都由不同的工厂完成。

资产与负债

资产

固定资产

非固定资产

负债

库存

设计和规划

位置与环境

投资与评估

规模与功能

风格与形式

组织结构

成本

税费

金融成本

原材料成本

房租成本

能耗成本

人工成本

设备折旧

收益管理

客流曲线

时间分布

空间分布

目标群体

容量控制

风险控制

市场

国内市场

清华紫光、兆芯(X86)、龙芯、展讯、全志、申威等

国际市场

Intel(英特尔)、AMD、ARM等

上市公司

AMD、Intel(英特尔)

标准

各种计算机CPU参数及标准

文档

编辑成员
12 人

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评论(3)

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huangran 2020-03-07 16:55:31
最开始的定位不应该直接写xoen至强,xoen只是intel的一个子系列,同样定位服务器的还有很多,只写xoen就有失偏颇了。
Ken418 2020-02-28 16:28:54
我觉得应该是恶意修改。我已经把这段删了。
2052983866 2020-02-03 00:22:55
特尔集团所属 AMD yes!
是什么意思?
2052983866 2020-02-03 00:22:55
特尔集团所属 AMD yes!
是什么意思?
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