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舊 2006-02-02, 11:26 AM   #6 (permalink)
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CPU是怎樣「煉成」的
CPU發展至今已經有二十多年的歷史,其中製造CPU的工藝技術也經過了長足的發展,以前的製造工藝比較粗糙,而且對於讀者瞭解最新的技術也沒有多大說明 ,所以我們捨之不談,用今天比較新的製造工藝來向大家闡述:
許多對電腦知識略知一二的朋友大多會知道CPU裡面最重要的東西就是晶體管了,提高CPU的速度,最重要的一點說白了就是如何在相同的CPU面積裡面放進去更加多的晶體管。由於CPU實在太小,太精密,裡面組成了數目相當多的晶體管,所以人手是絕對不可能完成的(笑),只能夠通過光刻工藝來進行加工的。這就是為什麼一塊CPU裡面為什麼可以數量如此之多的晶體管。晶體管其實就是一個雙位的開關:即開和關。如果您回憶起基本計算的時代,那就是一台電腦需要進行工作的全部。兩種選項,開和關,對於機器來說即0和1。那麼您將如何製作一個CPU呢?以下我們用英特爾為例子告訴大家:
首先:取出一張利用雷射器剛剛從類似干香腸一樣的硅柱上切割下來的硅片,它的直徑約為20cm。除了CPU之外,英特爾還可以在每一硅片上製作數百個微處理器。每一個微處理器都不足一平方厘米。
接著就是硅片鍍膜了。相信學過化學的朋友都知道硅(Si)這個絕佳的半導體材料,它可以電腦裡面最最重要的元素啊!在硅片表面增加一層由我們的老朋友二氧化硅(SiO2)構成的絕緣層。這是通過CPU能夠導電的基礎。其次就輪到光刻膠了,在硅片上面增加了二氧化硅之後,隨後在其上鍍上一種稱為「光刻膠」的材料。這種材料在經過紫外線照射後會變軟、變粘。然後就是光刻掩膜,在我們考慮製造工藝前很久,就早有一非常聰明的美國人在腦子裡面設計出了CPU,並且想盡方法使其按他們的設計意圖工作。CPU電路設計的照相掩模貼放在光刻膠的上方。照相字後自然要曝光「沖曬」了,我們將於是將掩模和硅片曝光於紫外線。這就像是放大機中的一張底片。該掩模允許光線照射到硅片上的某區域而不能照射到另一區域,這就形成了該設計的潛在映像。
一切都辦妥了之後,就要到相當重要的刻蝕工藝出場了。我們採用一種溶液將光線照射後完全變軟變粘的光刻膠「塊」除去,這就露出了其下的二氧化硅。本工藝的最後部分是除去曝露的二氧化硅以及殘餘的光刻膠。對每層電路都要重複該光刻掩模和刻蝕工藝,這得由所生產的CPU的複雜程度來確定。儘管所有這些聽起來像來自「星球大戰」的高科技,但刻蝕實際上是一種非常古老的工藝。幾個世紀以前,該工藝最初是被藝術家們用來在紙上、紡織品上甚至在樹木上創作精彩繪畫的。在微處理器的生產程序中,該照相刻蝕工藝可以依照電路圖形刻蝕成導電細條,其厚度比人的一根頭髮絲還細許多倍。
接下來就是摻雜工藝。現在我們從硅片上已曝露的區域開始,首先匯入一化學離子混合液中。這一工藝改變摻雜區的導電方式,使得每個晶體管可以通、斷、或攜帶資料。將此工藝一次又一次地重複,以製成該CPU的許多層。不同層可通過開啟視窗連線起來。電子以高達400MHz或更高的速度在不同的層面間流上流下,視窗是通過使用掩膜重複掩膜、刻蝕步驟開啟的。視窗開啟後就可以填充他們了。視窗中填充的是種最普通的金屬-鋁。終於接近尾聲了,我們把完工的晶體管接入自動測試設備中,這個設備每秒可作一萬次檢測,以確保它能正常工作。在通過所有的測試後必須將其封入一個陶瓷的或塑料的封殼中,這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。
目前,單單Intel具有14家晶片製造廠。儘管微處理器的基本原料是沙子(提煉硅),但工廠內空氣中的一粒灰塵就可能毀掉成千上萬的晶片。因此生產CPU的環境需非常乾淨。事實上,工廠中生產晶片的超淨化室比醫院內的手術室還要潔淨1萬倍。「一級」的超淨化室最為潔淨,每平方英尺只有一粒灰塵。為達到如此一個無菌的環境而採用的技術多令人難以置信。在每一個超淨化室裡,空氣每分鍾要徹底更換一次。空氣從天花板壓入,從地板吸出。淨化室內部的氣壓稍高於外部氣壓。這樣,如果淨化室中出現裂縫,那麼內部的潔淨空氣也會通過裂縫溜走-防止受污染的空氣流入。 但這只是事情一半。在晶片製造廠裡,Intel有上千名員工。他們都穿著特殊的稱為「兔裝」的工作服。兔裝是由一種特殊的非棉絨、抗靜電纖維製成的,它可以防止灰塵、髒物和其它污染損壞生產中的電腦晶片。這兔裝有適合每一個人的各種尺寸以及一系列顏色,甚至於白色。員工可以將兔裝穿在在普通衣服的外面,但必須經過含有54個單獨步驟的嚴格著裝程序。而且每一次進入和離開超淨化室都必須重複這個程序。因此,進入淨化室之後就會停留一陣。在製造車間裡,英特爾的技術專家們切割硅片,並準備印刻電路範本等一系列複雜程序。這個步驟將硅片變成了一個半導體,它可以像晶體管一樣有開啟和關閉兩種狀態。這些開啟和關閉的狀態對應於數位電碼。把成千上萬個晶體管整合在英特爾的微處理器上,能表示成千上萬個電碼,這樣您的電腦就能處理一些非常複雜的軟體公式了。
CPU--回望過去的腳步
任何東西從發展到壯大都會經歷一個程序,CPU能夠發展到今天這個規模和成就,其中的發展史更是耐人尋味。作為電腦之「芯」的全攻略,我們也向大家簡單介紹一下:
如果要刨根問底的,那麼CPU的溯源可以一直去到1971年。在那一年,當時還處在發展階段的INTEL公司推出了世界上第一台微處理器4004。這不但是第一個用於計算器的4位微處理器,也是第一款個人有能力買得起的電腦處理器!!4004含有2300個晶體管,功能相當有限,而且速度還很慢,被當時的藍色巨人IBM以及大部分商業用戶不屑一顧,但是它畢竟是劃時代的產品,從此以後,INTEL便與微處理器結下了不解之緣。可以這麼說,CPU的歷史發展歷程其實也就是INTEL公司X86系列CPU的發展歷程,我們就通過它來展開我們的「CPU歷史之旅」。
1978年,Intel公司再次上司潮流,首次生產出16位的微處理器,並命名為i8086,同時還生產出與之相配合的數學協處理器i8087,這兩種晶片使用相互相容的指令集,但在i8087指令集中增加了一些專門用於對數、指數和三角函數等數學計算指令。由於這些指令集套用於i8086和i8087,所以人們也這些指令集統一稱之為X86指令集。雖然以後Intel又陸續生產出第二代、第三代等更先進和更快的新型CPU,但都仍然相容原來的X86指令,而且Intel在後續CPU的命名上沿用了原先的X86序列,直到後來因商標註冊問題,才放棄了繼續用阿拉伯數位命名。至於在後來發展壯大的其他公司,例如AMD和Cyrix等,在486以前(包括486)的CPU都是按Intel的命名方式為自己的X86系列CPU命名,但到了586時代,市場競爭越來越厲害了,由於商標註冊問題,它們已經無法繼續使用與Intel的X86系列相同或相似的命名,只好另外為自己的586、686相容CPU命名了。
1979年,INTEL公司推出了8088晶片,它仍舊是屬於16位微處理器,內含29000個晶體管,時鍾頻率為4.77MHz,位址總線為20位,可使用1MB記憶體。8088內部資料總線都是16位,外部資料總線是8位,而它的兄弟8086是16位。1981年8088晶片首次用於IBM PC機中,開創了全新的微機時代。也正是從8088開始,PC機(個人電腦)的概念開始在全世界範圍內發展起來。
1982年,許多年輕的讀者尚在襁褓之中的時候,INTE已經推出了劃時代的最新產品棗80286晶片,該晶片比8006和8088都有了飛躍的發展,雖然它仍舊是16位結構,但是在CPU的內部含有13.4萬個晶體管,時鍾頻率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其內部和外部資料總線皆為16位,位址總線24位,可尋址16MB記憶體。從80286開始,CPU的工作方式也演變出兩種來:真實模式和保護模式。
1985年INTEL推出了80386晶片,它是80X86系列中的第一種32位微處理器,而且製造工藝也有了很大的進步,與80286相比,80386內部內含27.5萬個晶體管,時鍾頻率為12.5MHz,後提高到20MHz,25MHz,33MHz。80386的內部和外部資料總線都是32位,位址總線也是32位,可尋址高達4GB記憶體。它除具有真實模式和保護模式外,還增加了一種叫虛擬86的工作方式,可以通過同時模擬多個8086處理器來提供多工作能力。除了標準的80386晶片,也就是我們以前經常說的80386DX外,出於不同的市場和套用考慮,INTEL又陸續推出了一些其它檔案類型的80386晶片:80386SX、80386SL、80386DL等。1988年推出的80386SX是市場定位在80286和80386DX之間的一種晶片,其與80386DX的不同在於外部資料總線和位址總線皆與80286相同,分別是16位和24位(即尋址能力為16M。1990年推出的80386 SL和80386 DL都是低功率消耗、節能型晶片,主要用於便攜機和節能型桌上型。80386 SL與80386 DL的不同在於前者是關於80386SX的,後者是關於80386DX的,但兩者皆增加了一種新的工作方式:系統管理方式(SMM)。當進入系統管理方式後,CPU就自動降低執行速度、控制顯示螢幕和硬碟等其它設備暫停工作,甚至停止執行,進入「休眠」狀態,以達到節能目的。
1989年,我們大家耳熟能詳的80486晶片由INTEL推出,這種晶片的偉大之處就在於它實破了100萬個晶體管的界限,整合了120萬個晶體管。80486的時鍾頻率從25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是將80386和數學協處理器80387以及一個8KB的高速快取整合在一個晶片內,並且在80X86系列中首次採用了RISC(精簡指令集)技術,可以在一個時鍾週期內執行一條指令。它還採用了突發總線方式,大大提高了與記憶體的資料交換速度。由於這些改進,80486的效能比帶有80387數學協處理器的80386DX提高了4倍。80486和80386一樣,也陸續出現了幾種檔案類型。上面介紹的最初檔案類型是80486DX。1990年推出了80486SX,它是486檔案類型中的一種低價格機型,其與80486DX的區別在於它沒有數學協處理器。80486 DX2由系用了時鍾倍頻技術,也就是說晶片內部的執行速度是外部總線執行速度的兩倍,即晶片內部以2倍於系統時鍾的速度執行,但仍以原有時鍾速度與外界通訊。80486 DX2的內部時鍾頻率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。80486 DX4也是採用了時鍾倍頻技術的晶片,它允許其內部單元以2倍或3倍於外部總線的速度執行。為了支持這種提高了的內部工作頻率,它的片內高速快取擴大到16KB。80486 DX4的時鍾頻率為100MHz,其執行速度比66MHz的80486 DX2快40%。80486也有SL增強檔案類型,其具有系統管理方式,用於便攜機或節能型桌上型。
看完這裡,相信大家會對CPU的發展歷程有一個初步的認識,至於這段時期其他公司:譬如AMD,CYRIX等等推出的CPU,由於名字和INTEL的都是一個樣,也就不再重複敘述了。
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