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bookmark_border中央处理器

中央处理器 (CPU) 是定义计算设备的核心组件,但它不是唯一的组件,它只是大脑。该芯片位于设备内部主电路板(主板或主板)上的特殊座(插槽)中。它与临时存储信息的内存明显不同。它也与图形卡或图形芯片分离,后者可渲染屏幕上显示的所有视频和3D图形。

中央处理器 (英语:Central Processing Unit,缩写:CPU)是计算机的主要设备之一,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。计算机的可编程性主要是指对中央处理器的编程。1970年代以前,中央处理器由多个独立单元构成,后来发展出由集成电路制造的中央处理器,这些高度收缩的组件就是所谓的微处理器,其中分出的中央处理器最为复杂的电路可以做成单一微小功能强大的单元,也就是所谓的核心。

中央处理器广义上指一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器。这个空泛的定义很容易地将在“CPU”这个名称被普遍使用之前的早期计算机也包括在内。无论如何,至少从1960年代早期开始,这个名称及其缩写已开始在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相比,“中央处理器”在物理形态、设计制造和具体任务的执行上有了极大的发展,但是其基本的操作原理一直没有改变。

通过在单个计算机芯片上放置数十亿个微型晶体管来构建CPU。这些晶体管允许它进行计算,以运行存储在系统内存中的程序。它们实际上是打开或关闭的微小闸门,因此传达的是零或零,转化为您使用设备所做的一切,无论是观看视频还是写电子邮件。

最早是在1970年代初由Ted Hoff等人在英特尔的帮助下开发的第一个CPU.CPU技术最普遍的进步之一就是使这些晶体管越来越小。几十年来,这导致了CPU速度的提高,通常被称为摩尔定律.早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机而定制。但是,这种昂贵的为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代,随着集成电路的出现而加速。IC使得更为复杂的中央处理器可以在很小的空间中设计和制造(在微米的数量级)。中央处理器的标准化和小型化都使这一类电子零件在现代生活中的普及程度越来越高。现代处理器出现在包括从汽车、手机到儿童玩具在内的各种物品中。

在现代设备中,台式机或笔记本电脑具有专用的CPU,可为系统执行许多处理功能。相反,移动设备和某些平板电脑使用片上系统(SoC),该芯片包含其CPU和其他组件。英特尔和AMD都提供带有图形芯片和内存的CPU,这意味着它们不仅可以执行标准的CPU功能。

中央处理器发展历史

CPU出现于大规模集成电路时代,处理器架构设计的迭代更新以及集成电路工艺的不断提升促使其不断发展完善。从最初专用于数学计算到广泛应用于通用计算,从4位到8位、16位、32位处理器,最后到64位处理器,从各厂商互不兼容到不同指令集架构规范的出现,CPU 自诞生以来一直在飞速发展。 

CPU发展已经有40多年的历史了。我们通常将其分成六个阶段。 
(1)第一阶段(1971年-1973年)。这是4位和8位低档微处理器时代,代表产品是Intel 4004处理器。 
1971年,Intel生产的4004微处理器将运算器和控制器集成在一个芯片上,标志着CPU的诞生; 1978年,8086处理器的出现奠定了X86指令集架构, 随后8086系列处理器被广泛应用于个人计算机终端、高性能服务器以及云服务器中。 
(2)第二阶段(1974年-1977年)。这是8位中高档微处理器时代,代表产品是Intel 8080。此时指令系统已经比较完善了。 
(3)第三阶段(1978年-1984年)。这是16位微处理器的时代,代表产品是Intel 8086。相对而言已经比较成熟了。 
(4)第四阶段(1985年-1992年)。这是32位微处理器时代,代表产品是Intel 80386。已经可以胜任多任务、多用户的作业。 
1989 年发布的80486处理器实现了5级标量流水线,标志着CPU的初步成熟,也标志着传统处理器发展阶段的结束。 
(5)第五阶段(1993年-2005年)。这是奔腾系列微处理器的时代。 
1995 年11 月,Intel发布了Pentium处理器,该处理器首次采用超标量指令流水结构,引入了指令的乱序执行和分支预测技术,大大提高了处理器的性能, 因此,超标量指令流水线结构一直被后续出现的现代处理器,如AMD(Advanced Micro devices)的锐龙、Intel的酷睿系列等所采用。 
(6)第六阶段(2005年至2021年)。处理器逐渐向更多核心,更高并行度发展。典型的代表有英特尔的酷睿系列处理器和AMD的锐龙系列处理器。 
为了满足操作系统的上层工作需求,现代处理器进一步引入了诸如并行化、多核化、虚拟化以及远程管理系统等功能,不断推动着上层信息系统向前发展。

中央处理器操作原理

CPU的主要运作原理,不论其外观,都是执行储存于被称为程序里的一系列指令。在此讨论的是遵循普遍的冯·诺伊曼结构(von Neumann architecture)设计的设备。程序以一系列数字储存在计算机存储器中。差不多所有的冯·诺伊曼CPU的运作原理可分为四个阶段:提取解码执行写回

第一阶段,提取,从程序内存中检索指令(为数值或一系列数值)。由程序计数器指定程序存储器的位置,程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。换言之,程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。提取指令之后,PC根据指令式长度增加存储器单元。指令的提取常常必须从相对较慢的存储器查找,导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的缓存和流水线架构。

CPU根据从存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段,指令被拆解为有意义的片段。根据CPU的指令集架构(ISA)定义将数值解译为指令[isa]。一部分的指令数值为运算码,其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的信息,诸如一个加法运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值(即立即值),或是一个空间的寻址值:寄存器或存储器地址,以寻址模式决定。在旧的设计中,CPU里的指令解码部分是无法改变的硬体设备。不过在众多抽象且复杂的CPU和ISA中,一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程序在已成品的CPU中往往可以重写,方便变更解码指令。

在提取和解码阶段之后,接着进入执行阶段。该阶段中,连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。例如,要求一个加法运算,算术逻辑单元将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值,而且在输出将含有总和结果。ALU内含电路系统,以于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算(比如加法和位操作)。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果,在标志寄存器里,溢出标志可能会被设置。

最终阶段,写回,以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的寄存器,以供随后指令快速访问。在其它案例中,运算结果可能写进速度较慢,如容量较大且较便宜的主存。某些类型的指令会操作程序计数器,而不直接产生结果资料。这些一般称作“跳转”并在程序中带来循环行为、条件性执行(透过条件跳转)和函数。许多指令也会改变标志寄存器的状态比特。这些标志可用来影响程序行为,缘由于它们时常显出各种运算结果。例如,以一个“比较”指令判断两个值的大小,根据比较结果在标志寄存器上设置一个数值。这个标志可借由随后的跳转指令来决定程序动向。

在执行指令并写回结果资料之后,程序计数器的值会递增,反复整个过程,下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指令,程序计数器将会修改成跳转到的指令地址,且程序继续正常执行。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码,并且同时执行。这个部分一般涉及“经典RISC流水线”,那些实际上是在众多使用简单CPU的电子设备中快速普及(常称为微控制器)

中央处理器性能及结构

性能衡量指标

对于CPU而言,影响其性能的指标主要有主频、 CPU的位数、CPU的缓存指令集、CPU核心数和IPC(每周期指令数)。所谓CPU的主频,指的就是时钟频率,它直接的决定了CPU的性能,可以通过超频来提高CPU主频来获得更高性能。而CPU的位数指的就是处理器能够一次性计算的浮点数的位数,通常情况下,CPU的位数越高,CPU 进行运算时候的速度就会变得越快。21世纪20年代后个人电脑使用的CPU一般均为64位,这是因为64位处理器可以处理范围更大的数据并原生支持更高的内存寻址容量,提高了人们的工作效率。而CPU的缓存指令集是存储在CPU内部的,主要指的是能够对CPU的运算进行指导以及优化的硬程序。一般来讲,CPU 的缓存可以分为一级缓存、二级缓存和三级缓存,缓存性能直接影响CPU处理性能。部分特殊职能的CPU可能会配备四级缓存。

CPU结构

通常来讲,CPU的结构可以大致分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。所谓运算逻辑部件,主要能够进行相关的逻辑运算,如:可以执行移位操作以及逻辑操作,除此之外还可以执行定点或浮点算术运算操作以及地址运算和转换等命令,是一种多功能的运算单元。而寄存器部件则是用来暂存指令、数据和地址的。控制部件则是主要用来对指令进行分析并且能够发出相应的控制信号。而计算机的内存又可以分为随机存取存储器(RAM)和只读储存器(ROM)。两者的区别在于,随机存取存储器能够与CPU直接的进行数据的交换,也可以将其称为主存。
对于RAM可以随时的进行读写,而且这个过程的速度很快,因此由于主存所具有的这个优点也往往将其作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介;而只读存储器ROM是一种只能读出事先所存数据的存储器,使用者对于其内部存储的资料没有改变的权限也无法对其进行删除,并且在电源关闭以后资料并不会消失。这种内存也得到了广泛的应用,在那些资料不需要经常变更的电子或电脑系统中得到了很好地应用。 
对于中央处理器来说,可将其看作一个规模较大的集成电路,其主要任务是加工和处理各种数据。传统计算机的储存容量相对较小,其对大规模数据的处理过程中具有一定难度,且处理效果相对较低。随着我国信息技术水平的迅速发展,随之出现了高配置的处理器计算机,将高配置处理器作为控制中心,对提高计算机CPU的结构功能发挥重要作用。中央处理器中的核心部分就是控制器、运算器,其对提高计算机的整体功能起着重要作用,能够实现寄存控制、逻辑运算、信号收发等多项功能的扩散,为提升计算机的性能奠定良好基础。 
集成电路在计算机内起到了调控信号的作用,根据用户操作指令执行不同的指令任务。中央处理器是一块超大规模的集成电路。它由运算器、控制器、寄存器等组成,如下图,关键操作在于对各类数据的加工和处理。 
中央处理器结构
中央处理器结构
传统计算机存储容量较小,面对大规模数据集的操作效率偏低。新一代计算机采用高配置处理器作为控制中心,CPU在结构功能方面有了很大的提升空间。中央处理器以运算器、控制器为主要装置,逐渐扩散为逻辑运算、寄存控制、程序编码、信号收发等多项功能。这些都加快了CPU调控性能的优化升级。
  • 运算器:算术、逻辑(部件:算术逻辑单元、累加器、寄存器组、路径转换器、数据总线)
  • 控制器:复位、使能(部件:计数器、指令寄存器、指令解码器、状态寄存器、时钟发生器、微操作信号发生器)

CPU总线

CPU总线是在计算机系统中最快的总线,同时也是芯片组与主板的核心。人们通常把和CPU直接相连的局部总线叫做CPU总线或者称之为内部总线,将那些和各种通用的扩展槽相接的局部总线叫做系统总线或者是外部总线。在内部结构比较单一的CPU中,往往只设置一组数据传送的总线即CPU内部总线,用来将CPU内部的寄存器和算数逻辑运算部件等连接起来,因此也可以将这一类的总线称之为ALU总线。而部件内的总线,通过使用一组总线将各个芯片连接到一起,因此可以将其称为部件内总线,一般会包含地址线以及数据线这两组线路。系统总线指的是将系统内部的各个组成部分连接在一起的线路,是将系统的整体连接到一起的基础;而系统外的总线,是将计算机和其他的设备连接到一起的基础线路。

中央处理器核心部分

运算器
运算器是指计算机中进行各种算术和逻辑运算操作的部件, 其中算术逻辑单元是中央处理核心的部分。
(1)算术逻辑单元(ALU)。算术逻辑单元是指能实现多组 算术运算与逻辑运算的组合逻辑电路,其是中央处理中的重要组成部分。算术逻辑单元的运算主要是进行二位元算术运算,如加法、减法、乘法。在运算过程中,算术逻辑单元主要是以计算机指令集中执行算术与逻辑操作,通常来说,ALU能够发挥直接读入读出的作用,具体体现在处理器控制器、内存及输入输出设备等方面,输入输出是建立在总线的基础上实施。输入指令包含一 个指令字,其中包括操作码、格式码等。
(2)中间寄存器(IR)。其长度为 128 位,其通过操作数来决定实际长度。IR 在“进栈并取数”指令中发挥重要作用,在执行该指令过程中,将ACC的内容发送于IR,之后将操作数取到ACC,后将IR内容进栈。
(3)运算累加器(ACC)。当前的寄存器一般都是单累加器,其长度为128位。对于ACC来说,可以将它看成可变长的累加器。在叙述指令过程中,ACC长度的表示一般都是将ACS的值作为依据,而ACS长度与 ACC 长度有着直接联系,ACS长度的加倍或减半也可以看作ACC长度加倍或减半。
(4)描述字寄存器(DR)。其主要应用于存放与修改描述字中。DR的长度为64位,为了简化数据结构处理,使用描述字发挥重要作用。
(5)B寄存器。其在指令的修改中发挥重要作用,B 寄存器长度为32位,在修改地址过程中能保存地址修改量,主存地址只能用描述字进行修改。指向数组中的第一个元素就是描述字, 因此,访问数组中的其它元素应当需要用修改量。对于数组成来说,其是由大小一样的数据或者大小相同的元素组成的,且连续存储,常见的访问方式为向量描述字,因为向量描述字中的地址为字节地址,所以,在进行换算过程中,首先应当进行基本地址 的相加。对于换算工作来说,主要是由硬件自动实现,在这个过程中尤其要注意对齐,以免越出数组界限。

控制器

控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和 改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动与反向的主令装置。控制器由程序状态寄存器PSR,系统状态寄存器SSR, 程序计数器PC,指令均存器等组成,其作为“决策机构”,主要任务就是发布命令,发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。 控制的分类主要包括两种,分别为组合逻辑控制器、微程序控制器,两个部分都有各自的优点与不足。其中组合逻辑控制器结构相对较复杂,但优点是速度较快;微程序控制器设计的结构简单,但在修改一条机器指令功能中,需对微程序的全部重编。

中央处理器CPU分类

指令集的方式

CPU的分类还可以按照指令集的方式将其分为精简指令集计算机(RISC)和复杂指令集计算机(CISC)。RISC指令长度和执行时间恒定,CISC指令长度和执行时间不一定。 RISC 指令的并行的执行程度更好,并且编译器的效率也较高。CISC指令则对不同的任务有着更好的优化,代价是电路复杂且较难提高并行度。典型的CISC指令集有x86微架构,典型的RISC指令集有ARM微架构。但在现代处理器架构中RISC和CISC指令均会在译码环节进行转换,拆分成CPU内部的类RISC指令

嵌入式系统CPU

传统的嵌入式领域所指范畴非常广泛,是处理器除了服务器和PC领域之外的主要应用领域。所谓“嵌入式”是指在很多芯片中,其所包含的处理器就像嵌入在里面不为人知一样。
近年来随着各种新技术新领域的进一步发展,嵌入式领域本身也被发展成了几个不同的子领域而产生了分化。
首先是随着智能手机(Mobile Smart Phone)和手持设备(Mobile Device)的发展,移动(Mobile)领域逐渐发展成了规模匹敌甚至超过PC领域的一个独立领域。由于Mobile领域的处理器需要加载Linux操作系统,同时涉及复杂的软件生态,因此,其具有和PC领域一样对软件生态的严重依赖。
其次是实时(Real Time)嵌入式领域。该领域相对而言没有那么严重的软件依赖性,因此没有形成绝对的垄断,但是由于ARM处理器IP商业推广的成功,目前仍然以ARM的处理器架构占大多数市场份额,其他处理器架构譬如Synopsys ARC等也有不错的市场成绩。
最后是深嵌入式领域。该领域更像前面所指的传统嵌入式领域。该领域的需求量非常之大,但往往注重低功耗、低成本和高能效比,无须加载像Linux这样的大型应用操作系统,软件大多是需要定制的裸机程序或者简单的实时操作系统,因此对软件生态的依赖性相对比较低。

大型机CPU

大型机,或者称大型主机。大型机使用专用的处理器指令集、操作系统和应用软件。大型机一词,最初是指装在非常大的带框铁盒子里的大型计算机系统,以用来同小一些的小型机和微型机有所区别。
减少大型机CPU消耗是个重要工作。节约每个CPU周期,不仅可以延缓硬件升级,还可以降低基于使用规模的软件授权费。
大型机体系结构主要包括以下两点:高度虚拟化,系统资源全部共享。大型机可以整合大量的负载于一体,并实现资源利用率的最大化;异步I/O操作。即当执行I/O操作时CPU将I/O指令交给I/O子系统来完成,CPU自己被释放执行其它指令。因此主机在执行繁重的I/O任务的同时,还可以同时执行其它工作。

CPU控制技术的主要形式

中央处理器强大的数据处理功有效提升了计算机的工作效率,在数据加工操作时,并不仅仅只是一项简单的操作,中央处理器的操作是建立在计算机使用人员下达的指令任务基础上,在执行指令任务过程中,实现用户输入的控制指令与CPU的相对应。随着我国信息技术的快速发展,计算机在人们生活、工作 以及企业办公自动化中得到广泛应用,其作为一种主控设备,为促进电子商务网络的发展起着促进作用,使 CPU 控制性能的升级进程得到很大提高。指令控制、实际控制、操作控制等就是计算机 CPU 技术应用作用表现。
(1)选择控制。集中处理模式的操作,是建立在具体程序指令的基础上实施,以此满足计算机使用者的需求,CPU 在操作过程中可以根据实际情况进行选择,满足用户的数据流程需求。 指令控制技术发挥的重要作用。根据用户的需求来拟定运算方式,使数据指令动作的有序制定得到良好维持。CPU在执行当中,程序各指令的实施是按照顺利完成,只有使其遵循一定顺序,才能保证计算机使用效果。CPU 主要是展开数据集自动化处理,其 是实现集中控制的关键,其核心就是指令控制操作。
(2)插入控制。CPU 对于操作控制信号的产生,主要是通过指令的功能来实现的,通过将指令发给相应部件,达到控制这些部件的目的。实现一条指令功能,主要是通过计算机中的部件执行一序列的操作来完成。较多的小控制元件是构建集中处理模式的关键,目的是为了更好的完成CPU数据处理操作。
(3)时间控制。将时间定时应用于各种操作中,就是所谓的时间控制。在执行某一指令时,应当在规定的时间内完成,CPU的指令是从高速缓冲存储器或存储器中取出,之后再进行指令译码操作,主要是在指令寄存器中实施,在这个过程中,需要注意严格控制程序时间。

CPU和GPU的比较

GPU
GPU即图像处理器,CPU和GPU的工作流程和物理结构大致是类似的,相比于CPU而言,GPU的工作更为单一。在大多数的个人计算机中,GPU仅仅是用来绘制图像的。如果CPU想画一个二维图形,只需要发个指令给GPU,GPU就可以迅速计算出该图形的所有像素,并且在显示器上指定位置画出相应的图形。由于GPU会产生大量的热量,所以通常显卡上都会有独立的散热装置。

设计结构

CPU有强大的算术运算单 元,可以在很少的时钟周期内完成算术计算。同时,有很大的缓存可以保存很多数据在里面。此外,还有复杂的逻辑控制单元,当程序有多个分支的时候, 通过提供分支预测的能力来降低延时。GPU是基于大的吞吐量设计,有很多的算术运算单元和很少的缓存。同时GPU支持大量的线程同时运行,如果他们需要访问同一个数据,缓存会合并这些访问,自然会带来延时的问题。尽管有延时,但是因为其算术运算单元的数量庞大,因此能够达到一个非常大的吞吐量的效果。

使用场景

显然,因为CPU有大量的缓存和复杂的逻辑控制单元,因此它非常擅长逻辑控制、串行的运算。相比较而言,GPU因为有大量的算术运算单元,因此可以同时执行大量的计算工作,它所擅长的是大规模的并发计算, 计算量大但是没有什么技术含量,而且要重复很多次。这样一说,我们利用GPU来提高程序运算速度的方法就显而易见了。使用CPU来做复杂的逻辑控制,用GPU来做简单但是量大的算术运算,就能够大大地提高程序的运行速度。
中央处理器大规模应用在个人电脑上,现今电脑可进入家庭。全因集成电路的发展,令PC在大小、性能以及价位等多个方面均有长足的进步。现今中央处理器价钱平宜,用户可自行组装个人电脑。主板等主要电脑组件,均配合中央处理器设计。不同类型的中央处理器安装到主板上不同类型的CPU插槽中(如英特尔的LGA 1151、AMD的Socket AM4),令中央处理器变得更省电,温度更低。大多数IBM PC兼容机(Pentium以后被称为“标准PC”(Standard PC))使用x86架构的处理器,他们主要由英特尔和超微两家公司生产,此外威盛电子也有参与中央处理器的生产。但与IBM PC兼容机不同,在2006年之前苹果电脑所使用的处理器一直是IBM PowerPC RISC,之后的苹果电脑转而采用英特尔的处理器,以及EFI固件。可见中央处理器在现代电脑的重要地位。

中央处理器生产公司

以下公司曾经或正在生产中央处理器;包含已经倒闭、退出市场或被并购的公司。

  • AMD(超微)
  • Andes (晶心科技)
  • ARM(安谋)
  • Apple(苹果)
  • Broadcom Limited(博通)
  • Cirrus Logic(凌云逻辑)
  • Cyrix(赛瑞克斯)
  • 龙芯(中国科学院)
  • DEC(迪吉多)
  • Fairchild(仙童)
  • Fujitsu(富士通)
  • Harris(哈瑞斯)
  • Hewlett Packard(惠普)
  • Hitachi(日立),见Renesas(瑞萨)
  • HUAWEI (华为)
  • IBM(国际商业机器)
  • IDT
  • Intel(英特尔
  • Intersil
  • Maxwell(麦克斯韦)
  • MHS
  • Microsystems International
  • MIPS Technologies(美普思科技)
  • Mitsubishi(三菱),见Renesas(瑞萨)
  • MOS Technology
  • Motorola (摩托罗拉)
  • MTK(联发科)
  • NS(国家半导体)
  • NEC(日本电气),见Renesas(瑞萨)
  • NexGen
  • OKI(冲电气)
  • OPTi
  • Philips(飞利浦)
  • Qualcomm(高通)
  • RCA(美国无线电)
  • Renesas(瑞萨)
  • Rise
  • Rockwell(洛克威尔)
  • Samsung (三星)
  • SGS,见ST(意法半导体)
  • Sharp
  • ST(意法半导体)
  • Siemens(西门子)
  • Synertek
  • Sun(昇阳)
  • Thompson(托马森)
  • Thomson(汤姆逊半导体),见ST(意法半导体)
  • TSMC(台积电)
  • TI(德克萨斯仪器)
  • Toshiba(东芝)
  • Transmeta(全美达)
  • UMC(联电)
  • VIA(威盛)
  • Western Design Center(西部设计中心)
  • Western Electric(西部电气)
  • ZiLOG

bookmark_border芯片

芯片一般是指集成电路的载体,也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果,通常是一个可以立即使用的独立的整体,芯片,又称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成电路(英语:integrated circuit, IC,是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。

芯片
芯片

芯片(chip)就是半导体元件产品的统称,是集成电路(IC, integrated circuit)的载体,由晶圆分割而成。在电子学中是一种将电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)集中制造在半导体晶圆表面上的小型化方式。

IC就是集成电路,泛指所有的电子元器件,是在硅板上集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块。它是电子设备中最重要的部分,承担着运算和存储的功能。集成电路ic的应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备。

“芯片”和“集成电路”这两个词经常混着使用,集成电路实体往往要以芯片的形式存在,因为狭义的集成电路,是强调电路本身,集成电路ic更着重电路的设计和布局布线,芯片更强调电路的集成、生产和封装,而广义的集成电路,当涉及到行业时,也可以包含芯片相关的各种含义。

芯片,英文为Chip;芯片组为Chipset。芯片一般是指集成电路的载体,也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果,通常是一个可以立即使用的独立的整体。“芯片”和“集成电路”这两个词经常混着使用,比如在大家平常讨论话题中,集成电路设计和芯片设计说的是一个意思,芯片行业、集成电路行业、IC行业往往也是一个意思。

实际上,这两个词有联系,也有区别。集成电路实体往往要以芯片的形式存在,因为狭义的集成电路,是强调电路本身,比如简单到只有五个元件连接在一起形成的相移振荡器,当它还在图纸上呈现的时候,我们也可以叫它集成电路,当我们要拿这个小集成电路来应用的时候,那它必须以独立的一块实物,或者嵌入到更大的集成电路中,依托芯片来发挥他的作用;集成电路更着重电路的设计和布局布线,芯片更强调电路的集成、生产和封装。而广义的集成电路,当涉及到行业(区别于其他行业)时,也可以包含芯片相关的各种含义。

芯片也有它独特的地方,广义上,只要是使用微细加工手段制造出来的半导体片子,都可以叫做芯片,里面并不一定有电路。

将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路,又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件集成到衬底或线路板所构成的小型化电路;

芯片是怎么制造出来的 ?

当今市场上几乎所有的电子商品,或多或少都会用几片集成电路(IC)来控制各种功能,复杂的如电脑中的CPU,GPU (图形处理器) ,简单的如电池中防止过度充电的控制电路。不论多复杂,绝大多数集成电路说穿了就是在单晶硅(Si)上做出成千上万的晶体管,电容,导线,绝缘体等等微小的元件,这些元件连接在一起就可以快速地处理执行各种各样的任务。

一、为什么选择硅?

1、硅具有良好的半导体特性,而且高温下极其稳定 (锗就是因为高温性能差而无法广泛应用,虽然是同族元素而且电子的移动速度还更快)。常温下硅的导电性能并不好,因为每个硅原子外层都有四个电子,而每个硅原子都与四个硅原子形成稳定的化学键(每个化学键需要两个电子),这样就没有额外的电子来用于导电。但是如果往硅单晶里掺入一点点杂质,比如硼(B)或是磷(P),那么其导电性便会成几何级数倍地提高。磷原子外层有五个电子,当一个磷原子取代一个硅原子的位置后,那么就多出了一个可以自由移动的电子,这样导电性能就大大提升了。硼原子外层只有三个电子,当一个硼原子代替一个硅原子的位置之后,则多出了一个带正电荷的空穴,导电性同样也提高了。杂质浓度越高,导电性越好。
2、做IC的半导体材料需要极高的纯度,不能有别的杂质(除了特意添加的B、P等等之外),而硅这种东西相对容易得到,其起始原料来源就是我们常见的沙(成分是二氧化硅),而且也比较容易提纯。
3、硅的氧化产物二氧化硅是一种绝佳的绝缘体,而且耐高温,这个特性让硅成为半导体材料的最佳选择,因为在集成电路中,除了需要容易导电的的介质,也需要容易加工制造的绝缘层,这样才不容易出现漏电现象。
4、当然,到了5纳米技术点(5nm node),开始出现了把锗(Ge)加入到硅(Si)中,以SiGe形式作为导电通道(channel)的技术,这样是为了加快电子的移动速度和取得更高的电流(drive current).

二、晶体管(transistor)的工作方式

这里说的晶体管不是我们小时候熟悉的那种收音机里用的晶体三级管,而是一种叫场效应晶体管(MOSFET – metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor),如图示。它的基本工作原理是这样的:电荷从硅本底(B)的上层流过,上面隔着一层绝缘层(图中的白紫色,通常是二氧化硅),绝缘层上面则有一个叫门(gate)的部份,在这部份上加上或不加上电压就可以决定底下硅上层这股电流通过或不通过,也就是“1” 和“0” 两种状态,这就组成了一个最基本的逻辑单元。譬如,当gate上加了+5伏特的电压时,硅本底里的电子就会被吸引而往上聚集,这样一来如果在图中S(source)和D(drain)两端加上电压,电流就会在此之间(channel)产生,这样的状态就是“1”。相反的,如果当gate上加了-5伏特的电压时,channel 那里的电子就会被排斥而流向硅本底,这样S和D之间就不会有电流通过,因为它缺少导电介质-电子,这样的状态就是“0”。为了提高电荷的浓度和流动速度,这一层的硅以及接触的两点(Source and Drain)还需要植入一些可以增加导电介质(电子或是空穴)的杂质,如B, P, As等等。

 

晶体管(transistor)的工作方式


三、逻辑线路的形成
在硅上面制造出成千上万个晶体管(MOSFET)之后,下一步就是要制造出很多层三维立体错综复杂的金属导线(interconnect),根据不同的接线方式把这些MOSFET连在一起,共同组成有各种用途的逻辑线路。一开始用的是铝做导线材料,后来开始采用铜导线,相对于铝来说,铜的电阻值小了40%,相当于提高了15%的微处理器的速度,同时可以减小能量在传输过程中的损耗,另外一方面,铜也比铝导线更耐久更容易加工成更小的尺寸。到了10纳米节点,Cobalt开始被用来取代铜导线,目的同样是为了进一步减小电阻提高导电性。当然,不同的材料做导线时,其加工工艺与设备流程自然会不同,遇到的各种挑战也是截然不同的。

 

逻辑线路的形成


四、IC电路的其他元件与设计挑战
除了晶体管、导线之外,其他基本元件还有二极管(diode)与电容(capacitor)等等。电容当然还是用来储存电荷的,元件与元件之间,导线与导线之间,则需要绝缘层,一般是氧化硅,用来断绝电流的流通。为了提高运算速度,这些元件就得越做越小,加在门(gate)上的有效电压也越来越低,元件小到现在的10纳米,7纳米(一纳米相当于4-5个原子大小,大概相当于一根头发丝的直径的六万分之一),电压低到现在的0.65伏左右。这就是为什么手机上的CPU越是用最新工艺制造速度越快也越省电。现今一片CPU集成电路上晶体管的数目多到上千万个,到了这程度,运算的频率已经不再是越高越好了,因为导线的电阻越来越大而且因为元件太小而造成的漏电现象也越来越严重,很多电能便成消耗在导线及绝缘层上而转化成了热能,所以过去几代的电脑,CPU上附的散热电扇是功率越来越大。降低能耗也就成了电路设计的重点。一批的新材料新单元设计源源不断地涌现,运用到了最新几代IC的设计和制造。

五、制造工艺与设备

那我们怎样制造这些晶体管,电容,导线,绝缘体呢?说简单了,就像是在搞市政建设 – 该挖沟的地儿就挖沟,该填土的地儿就填土,该铺路的地儿就铺路,该架桥的地儿就架桥。只不过这地儿或者比较娇贵,或者比较纯洁,或者比较顽固,能使得上劲的工具还真不容易找到。比如说这挖沟吧,要挖得笔直笔直的,口子还不能有丝毫的扩大或缩小,有时要挖得垂直向下,有时则需要有一定的坡度,而且一般情况下,空旷的地方挖的深度和坡度还得跟狭窄的地方一样,不能差别太大;有的时候,挖的地儿各种土质还不一样,有硬层,有软层,有岩石,有烂泥,还有金属层,这样一来用的工具也就不一样了。填土则有几种填法,有些也用等离子体(plasma)来产生反应,有些则只是一般气体的反应,再把产物填到挖出来的沟里,还有的是提供几种反应物,然后直接在表面上长出一层新东西。建筑这些结构时,有时需要往某一层里灌入一些别种原子,或来加固加固,或来改变这层的物理化学属性,或来帮忙阻挡其他层的原子在里头的扩散,就好象往水泥里倒些砂石一样。铺路架桥的材料一般是各种金属,主要是铝,铜,还有一些其他金属,多用来提高这些材料跟其他层的接触和粘合性能,也有用来改变某些层的物理特性,好让那些电荷们呆得高兴自在些,这样才能心甘情愿地为整体的运作当牛做马。最后提一下,在建筑这些复杂的层层次次时,需要经过好多次的区域规划,比方说挖沟时,需要知道在那挖,哪里不能动,不能动的地儿还得盖上盖儿保护保护,这就是很值钱的所谓的光刻技术(photo lithography),用光和预制好的刻板(光罩)来定义,就像平板印刷技术一样。每一片集成电路从一开始的单晶硅到最后的成品,都需要经过这样那样的几百道工序。最重要的一些IC制造工艺与设备包括:


1、光刻 (photolithography). 光刻是IC加工最重要的一步,它是用光透过光罩(mask),投影到一层光敏物质(photoresist )上,再经过处理把曝光或是未曝光的地方洗掉,这样就可以把光罩的图案(pattern)缩小数倍之后印在了晶片上。光刻工艺的关键是提高解析度,而所采用的光的波长越短其解析度就越高,而所能够印制的元件的尺寸也就可以越小。所以随着IC上元件尺寸的缩小,光刻所用的光源也从248nm变成193nm(DUV)到13.5nm(EUV)。最新一代5nm IC工艺应该是开始用EUV的光刻技术了。在这个能量的光子各种物质都会吸收,因此开始需要抽真空,对各个光学器件的要求也更加严格,起始光源的能量更是几何级数倍地增加(因为被吸收而损失)。目前能够提供EUV商业化光刻技术的只有荷兰的ASML一家公司。
 

 

2、化学气相沉积(CVD – chemical vapor deposition )。这是一种最常见的制造薄膜(thin film)的工艺。在典型的CVD工艺中,引进一种或多种挥发性前体(precursor ),让其在晶片表面上反应以产生期望的反应产物。反应副产物通常会挥发而被真空泵抽气除去。为了达到理想的效果,经常需要加温或是采用等离子体(plasma)技术先行把反应物分子分离成原子或是各种小基团,以降低化学反应的能垒。利用CVD技术制造的薄膜物质包括多晶硅,二氧化硅,氮化硅,金属钨等等。CVD 除了可以用来制造薄膜之外,还可以用来填沟,比如用二氧化硅来填入沟渠中作为一道绝缘体,杜绝沟两边的电子单元相互之间的联系。

 

化学气相沉积


3、物理气相沉积 (PVD – physical vapor deposition)。PVD工艺就是利用溅射(sputtering)或是蒸发(evaporation)的方法把材料从作为靶标(target)的固相转变成气相,然后沉积到晶片上成为固态的薄膜。Sputtering PVD常见的是用高能量的Ar离子(来自于Ar等离子体)撞击靶标材料(比如钨),然后让被打出来的钨原子沉积到晶片表面。PVD工艺的优点是直接了当,再硬的材料也可以在晶片表面上沉积成薄膜,缺点则是这是一种视线可及的直线的沉积方式,如果晶片上本底结构是三维立体时,那么边边角角的地方就很难完全cover到。在IC制造流程中,PVD工艺主要用于沉积钨,钛,氮化钛等等薄膜,需要利用到高真空技术。同样的,PVD工艺也可以用来填沟,比如把金属原子填到哪一个挖好的沟洞里。
 

物理气相沉积


4、原子层沉积 (ALD – atomic layer deposition)。这是一种比较新颖的沉积工艺,却是一种越来应用越广泛的工艺。它的基本原理如图示。就是两种反应物前体(precursor)先后接触到晶片表面,第一种先吸附,然后多余的被真空泵抽走,第二种再进来,跟表面吸附好的第一种分子(或是离解后吸附在表面的基团)反应,反应副产物和剩余的第二种分子再被真空泵抽走,如此反复,一层一层地在晶片表面长出薄膜。ALD工艺最大的优点就是它可以长出非常均匀的薄膜,不论晶片表面结构是否平整还是高低起伏(三维结构),这在28纳米以下的IC技术中非常重要。ALD跟CVD技术最大的区别在于,反应物是一个一个进来,而不是像后者那样同时进来反应。通常情况下,ALD工艺流程的温度比较低,远低于CVD工艺,这也因此造成了ALD 薄膜的质量比较差些,比如会容易漏电或是反映到后边的刻蚀步骤上,这种薄膜太容易被等离子体刻蚀掉。这种情况下,常需要进一步加工硬化ALD薄膜,或加热或用等离子体里面的离子和活性基团来增强其强度。
 

原子层沉积


5、等离子体刻蚀(plasma etch )。前面提到的几种工艺是如何往晶片上沉积薄膜,下面则介绍如何在晶片上挖坑。最常用的方法是等离子体刻蚀技术。等离子体(plasma)是物质除了固,气,液三态外的第四种状态,基本上是一种混杂的状态,里面充满了气态分子,分解后的原子中性基团,正负离子以及电子。给一密闭容器内的气体两极加上高电压或是加上射频功率(RF power),那被击穿了而闪亮着的气体混合物就是一种等离子体。只要选择合适的起始气体分子或是气体分子混合物,这样随后产生的等离子体就可以用来刻蚀合适的地层 – 也就是挖沟,我们可以通过调试各种参数来调整这沟的深度和坡度。挖到了下一个不同的地质层,还可以根据“挖运”出来的东西的鉴别来判断是不是该停了(通过等离子体里产物基团发出的某些特定光波的强度变化来鉴别),然后再换另一组气体分子等离子体混合物来挖下一层。

最常用的两种刻蚀方式是电感耦合等离子体(ICP – inductively coupled plasma)和电容耦合等离子体(CCP – capacitively coupled plasma)刻蚀。前者离子浓度大但能量小,后者则是离子浓度小但能量大。不同的刻蚀要求会选择性地采用不同的设备与制程。最后,刻蚀技术最关键的考量是selectivity, uniformity and productivity. 要达到工业化生产要求的刻蚀技术需要通盘考虑到这三点。

 

等离子体刻蚀

 

6、离子注入 (ion implantation)。这种技术就是常温下用高能量电场把某种杂质离子加速后(比如硼,磷)打入晶片表面以改变其物理、化学或是电性质。离子加速后的能量通常是几个到几十个KeV,这取决于目标中想让这种离子打入多深,能量越高嵌入越深,离子的浓度则还可以用时间长短来调节。由于能量太高,一般都会对晶片的表面产生破坏,所以需要高温来修补这些原子层面的损伤,因为高温下原子才能更好地自由移动,破损的化学健才能得到修补。高温还有一个用途就是让打入的原子能取代原有硅原子占据的晶格位置,这样才能有效地释放额外的电子或是空穴,让其导电性大为增强。如果需要低能量的ion implantation, 通常可以用plasma ion implantation.

7、化学机械平面化(CMP – chemical mechanical planarization)。这种工艺目的就是把前一道工序造成的凹凸不平表面(比如CVD填充)平整成一平面,消除其不均匀(non-uniformity), 以便下一步工序可以有一个简单的uniformed的起始点。这道步骤用化学和机械力的组合来平滑表面。它可以被认为是化学蚀刻和机械研磨抛光的混合。这其中磨料和腐蚀性化学浆料的选择很重要。

8、化学电镀(ECP – electrochemical plating)。 这种工艺主要是用于铜导线制造。其基本原理就是利用电镀技术把铜填入各种结构里作为导体。在电镀之前一般需要先长一层薄薄的种子层(seed layer)来增强相关各层物质之间的粘合力,减少空洞的产生以增强导电性。

晶圆测试切割与封装

晶圆测试


图源:知乎

当载有集成电路的晶圆加工出来之后,需要对其进行测试,主要目的是减少封装的成本,提早筛选出有问题的集成电路模块(芯片原型)。具体操作是采用探针测试平台,在无尘室中根据事先定义好的测试点对芯片原型进行交直流、光照等电气性能测试。该测试通过治具可以对测试平台上的晶圆进行一次性测试,而无需对芯片逐一进行,因此测试效率较高。

切割与封装


图源:The CPU Shack

每个晶圆都包含数百至上万个芯片,通过金刚石锯将晶圆切割成单片,经过减薄工序,然后针对每一个单片(芯片)进行电气测试。如果测试结果有问题,这颗芯片就会被丢弃;如果测试结果合格,该芯片就会被送去封装。在封装前,将会使用显微镜对芯片进行复检,只有通过复检的芯片才会被真正封装起来。

封装测试


IC tester | 图源:Agilent

对于芯片来说,出厂前测试主要包含三个方面,前两项分别是晶圆测试和芯片测试,这两项在上一节中已经描述过了(见“切割与封装”章节)。而这里重点要将的其实是第三项测试:封装测试,也就是芯片出厂前测试。据统计,这三项测试将会占据整个芯片生产成本的比例高达 1/4 至 1/2。

此时的待测芯片已经包裹了一层封装,没有那么脆弱了,因此对于测试环境要求也没有那么严苛,不需要无尘室测试了。但是对于封装测试而言,由于封装本身的阻挡,测试探针无法触及芯片内部,测试范围受到限制的同时,也增加了测试的复杂度。