我们常会接触到许多不同的IT媒体，电视、广播、杂志、报纸还有网络，我们也看到各种各样的Guide（指南）或HowWorks（工作原理），这之间却有太多雷同，降低了可读性。因此，作为编者，我也总是想法设法写出点与众不同的东西，OK，承认了吧，本文编译而成，原文来自 Tweak3D.com――CPU是怎样制成的，希望不会让读者朋友失望。 　计算机中的每个部件上都含有各种不同的IC（integrated circuit，集成电路）芯片。而每个芯片都是以相同的设计原理制成的。这些芯片的内部都有一个由成千上万（实际数量远不止这些）个晶体管组成的硅 die（核心）。

晶体管

　什么是晶体管？晶体管就是微型的电子开关。它们是构建一栋微处理（计算机的大脑）大厦的基石。你可以把一个晶体管想象成一个电灯开关。它们有个操作位， ON（开）和OFF（关）。这一开一关（晶体管的二进位功能）使一台计算机有处理信息的能力。这就是为什么二进位数字基于1（ON）和0 （OFF）。


　看完上面的例子，你也许会认为晶体管的原理很简单。但它们的发展却需要多年的辛苦研究。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。1958年，工程师们（其中一位是Intel公司的创始人之一Robert Noyce）设法将两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，后来才有了微处理器。

　计算机能理解的唯一语言是通过ON和OFF切换的电子信号。在弄懂晶体管之前，我们有必要先设法理解一个开关集成电路的工作原理。

　开关集成电路有几部分组成。其中之一是电子流动要经过的电路――通常通过电线。此外还有开关，在电子流动过程中开启或关闭，实现完成或阻断电路。如果你切断电线，电子将停止流动，如果你再将其接合，电子又会继续流动。这时候，从本质看，你充当了一个晶体管。

　晶体管没有移动部分，开与关只由电子信号控制。晶体管ON/OFF的切换促进微处理器完成工作。某些只具有两种状态（开或关）的东西如晶体管，可被认为是二进位设备。晶体管的ON状态用1来表示而OFF状态则用0来表示。多个晶体管产生的多个1与0的特殊次序和模式能产生字母、数字、颜色和图形。这就是人所共知的二进位符号。

　举个例子，在十进位中的1在二进位模式时也是1。2在二进位模式时将是10。3将是11。4将是100。5将是101。6将是110。7将是111。依此类推。这里是二进位写成的“Tweak3D”：

T 0101 0100
W 0101 0111
E 0100 0101
A 0100 0001
K 0100 1011
3 0000 0011
D 0100 0100

　这个例子中的字母是用ASCⅡ码表示的。比如，“T”用ASCⅡ码表示相当于二进位表示的01010100，或十进位表示的84。很有趣吧？如果原文用最基本的进位数字或ASCⅡ码写成？言归正传，一个处理器中的一个晶体管工作有多严密呢？让我们来看看。

晶体管工作

　在一个晶体管的硅部分中加入特定种类的混杂物或其它原料，改变它的晶体结构使之导电。含有硼的硅被称为p种硅――p代表阳极或表示没有电子。含有磷的硅被称为n种硅――n代表阴极或表示含有电子。



　晶体管包含3个端（极）――source（源）、gate（栅极）和drain（漏极）。n种晶体管，源和栅极都呈阴性并位于呈阳性的p种晶体管上。当对删极加正电压，p种硅中的电子被吸引到栅极下方区域，在源和漏极之间形成一个电子通道。当正电压施加到漏极上，电子被推动从源向漏极运动。这时，晶体管处于ON的状态，并产生电子流动。如果在栅极的电压被解除，电子不再会被吸引到源和漏极之间，电路被中断，晶体管处于OFF（关闭）状态。

　现在，你已经明白晶体管是如何工作的吧？接下来我们做更深入的讲解。

进入真空

　绝对无尘室所谓clean room（绝对无尘室）实际上是灰尘粒子为零的房间。1级绝对无尘室是所有房间中最干净的，每立方英尺仅有一个灰尘粒子。在绝对无尘室中，你能看到裸露的处理器，没有被封装。一个小小的灰尘粒子就能损伤一个处理器中的上千个晶体管，导致报废。

　绝对无尘室要比医院的手术室干净1万倍。这里有精密的空气过滤系统，每10分钟净化一次空气，保持房间彻底干净。但保持房间清洁，人的进出都将导致上面提过的同样严重后果。这就是为什么在绝对无尘室中工作的工程师们都必须穿着一套清洁服装或Intel所称的兔子服。这很像在CDC （Center for Disease and Control，疾病控制中心）工作。这种服装采用特殊的无纤维、无静电原料制成，穿着在外衣外面。

　上面的照片展示的是一个很小的盐颗粒损毁了一个微芯片上的成千个晶体管。如果纽约城是一个处理器核心，那么这盐颗粒将有足球场那么大，横冲进街道。想象一下后果将有多严重吧。

　上图是Intel工程师们正准备进入绝对无尘室。

一颗处理器是如何制成的

　处理器主要由硅组成。硅是从土中的岩石中精挑细选出来并除去混杂物和其他灰尘和粒子。沙滩上的沙子中也含有大量的硅。净化过的硅被熔化然后制成一个长条的固体硅圆柱，被称为ingot（锭铁，工业纯铁），等待被切成薄片被叫做晶片。每个硅晶片都被打磨平庸的表面。这是在晶片上制造芯片的必要环节。

制作和压层

　一个硅晶片能被用来制造许多处理器，叫做die（胆或叫核心）。一个硅晶片能包含100甚至更多个处理器die。

　二氧化硅的第一层是由在极强光和气体下曝露后产生的。这个过程与金属曝露在潮湿中然后会生锈类似。二氧化硅“生长”速度很快（比金属生锈要快很多）然后在硅片上产生一层极薄的物质。然后这晶片被涂上一种叫Photoresist的化学原料。Photoresist在紫外光照射下可被溶解。

　然后是一个被称为photolithography（胶片感光）的步骤，在硅片上产生许多层。强烈的紫外光照射到一个遮掩模版上，模版保护着硅片上的特定区域。

　曝露在光线下的区域发生化学变化，渐变柔软。然后这部分柔软区域在溶液中被溶解掉。下图展示是的晶片上由遮掩产生的图案。

　接下来，二氧化硅被更多的化学原料清洗掉，在晶片上只留下一部分二氧化硅的遮掩（图案）。下图展示的是多余原料被清除后剩下的部分。然后重复操作产生另外一层。另外一层稀薄的二氧化硅生长在先前的遮掩和晶片上。然后一层经过“演变”的硅和另外一层Photoresist被应用于晶片。

　然后紫外光又照射到另一遮掩物上，它只允许特定部分的光线通过。曝露的Photoresist区域被化学原料清洗掉。只剩下一层经过“演变”的硅和第一层二氧化硅。

离子涂层

　在二氧化硅层和经“演变”的硅层被制作出后，接下来硅片要经历的是一个被称为“离子培植”的步骤，也被叫做涂层。硅片的曝露部分（图中灰色部分）被不同化学杂质（离子）轰击。这些离子被灌输到硅片中，改变灌输区域中硅的导电方式。

围上玫瑰红

　这整个过程重复操作直到在硅片的掩模上形成“窗户”或“空缺”。这些空缺使层之间形成连接。

　这些完成后，金属原子被涂到晶片上，填补这些小空缺。然后另外一个压层处理使形成电子线路的金属条纹印在处理器die（核心）上。这里，生产厂商们会使用不同种类的金属，比如铝或铜。

　这一层叫做“Interconnect”（互联导体）。几个月前，Intel和AMD都从铝互联导体转型到铜材质。铜的导电性要比铝好，因此这种材质的转型将有助于将来生产出更快的处理器。大约20个互联层使处理器电路形成三维构造。层的数量取决于处理器的设计。

切边

　制作一颗处理器需要至少超过250个步骤，其它任何芯片也同样。当处理器在硅片上被完全制作完成，每个处理器核心都通过测试后，如果万事大吉，钻石锯（当然，只有锯齿是钻石制成的）将从硅片上切割处理器核心。然后每个处理器核心都被嵌入保护封装中――在外表面，使用细金属线封装，将电路和pin （引脚）连接起来。

　每颗处理器都经过多次测试确保一切都工作正常，然后是昼夜监视步骤。

结语

　本文中讲述的只是处理器制造过程中的基本概念和信息。设计一颗处理器需要多年时间，而制造过程也并非只有寥寥几日。设计一颗处理器需要成百上千人通力合作，百万工作时的辛苦努力。然后交付给经验丰富的工厂进行生产，花费巨大。每个工作车间都价值50亿美元。Intel每5年建造一个新的生产车间。这只计算了生产费用，还没有谈及设计成本。