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为什么有人说CPU是人造物的巅峰?

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发表于 2020-9-2 03:48:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
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发表于 2020-9-2 03:49:48 | 显示全部楼层
CPU之所以被称之为人造物的巅峰,是因为生产CPU的高端光刻机是世界上任何一个国家无法单独制造出来的,集合了世界上多个国家最先进的技术成果一起制造出来的高端光刻机,其高科技程度可以说完全不似地球产物。
量产光刻机生产企业全球只有三家

荷兰的ASML,日本的尼康和佳能是全球量产光刻机的厂家,其中ASML生产高端光刻机,尼康和佳能主攻低端市场。中国也已经有了自己的光刻机产品,但是与高端光刻机差距较大。

为什么有人说CPU是人造物的巅峰?相关的图片




ASML的光刻机产品由德国提供机械工艺,美国提供光源,德国蔡司提供镜头,欧美技术支撑为背景,可以说是整个世界上最先进的技术成果,包括三星,台积电,英特尔,中芯国际等全球大型芯片生产企业都主要购买ASML的产品。
基本上高端光刻机市场被ASML垄断,英特尔为了避免ASML一家独大,一直在扶持尼康,尼康在中高端光刻机市场的份额也在逐渐加大。
CPU是如何制造出来的呢?

大家都知道CPU是由沙子为原材料制造出来的,沙子在地球上的资源是非常多的,为什么CPU还卖那么贵呢?

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主要在于生产CPU过程十分复杂,需要先将沙子提炼成硅,再将硅进行处理提纯并最终达到99.9999%的纯度,然后制造成单晶硅锭,将其进行切割成片,然后进行研磨直至达到无缺陷的表层,这个就完成了基本的硅晶片。
对硅晶片表层刷光刻胶,使用紫外线对其进行曝光,曝光后进行显影溶胶,使用化学药剂按设计电路进行腐蚀刻,清除多余光刻胶,反复重复过程最终得晶体管,将离子注入清楚杂质,经过清理和绝缘处理,开始构建各晶体管之间的电路,基本上晶圆完整生产过程大致就是这样。

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完成后还需要对晶圆进行切割,测试,装片和封装,完成后进行测试,优质的为高端CPU,劣质的为低端CPU,所以市场上高中低端CPU,其实都是一块晶圆中生产出来的。
总的来说,CPU确实可以称之为现今人造物的巅峰,但是科技是在不断发展之中,也许不久将来会有新的科技产品超越CPU。
以上仅个人浅见,欢迎指正探讨,如果你喜欢我的回答,请点赞,谢谢!
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发表于 2020-9-2 03:50:48 | 显示全部楼层
CPU是人造物的巅峰,这样说并不准确,应该说CPU是普通人能够接触到的人造物巅峰。因为不好与航空发动机、生物技术等比较那一个技术含量更高,毕竟是跨领域,难点各不相同。

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芯片的本质是将大规模的集成电路小型化

小到可谓在头发丝上建造万丈高楼,在方寸之间建造一座微缩的大型城市。

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我们通常所说10nm、7nm、5nm的芯片中的纳米(nm)是指晶体管栅极的长度。1纳米相当于4倍原子大小,是一根头发丝直径的10万分之一,比单个细菌(5微米)长度还要小得多。
能工巧匠通过手工操作的最小尺度大概是在1粒米上刻字。当然超高精度的机床,加工精度能够达到0.01-0.001微米(μm)。

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这就意味着通过双手和普通的工具很难达到纳米级的尺度。在纳米级的尺度上建高楼大厦,同时要使晶体管、铜导线及其他材料泾渭分明,就需要使用特殊的刻刀,用光来做刻刀。
光刻的原理其实特别简单,就像我们在沙滩晒太阳,阳光能够照射到的皮肤呈现一种状态,而阳光不能照射到的皮肤呈现另一种状态。

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芯片的制造原理

芯片想要做的越小,在单位面积内容纳更多的晶体管来实现更多的功能同时降低能耗,使用更短波长的光源是最直接的手段。

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芯片的图纸设计好后,会制作成一层层的光罩(芯片是由几十层电路构成,一层一个光罩)。然后让光透过光罩射到晶圆上,被光罩上的电路图挡住找不到光的部分留下,而被光照到的空余部分的感光材料会被化学腐蚀反应分解出去(或用等离子体轰击晶圆表面的方式去除没有被光覆盖的位置),电路就会被刻在晶圆上了。

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再通过离子注入把杂质离子轰进半导体晶格中,使晶格中的原子排列混乱或变成非晶区。将离子注入后的半导体放在一定温度下进行加热,恢复晶体的结构、消除缺陷,从而激活半导体材料的不同电学性能。

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再通过气相沉积、电镀的方式形成金属连线或绝缘层。
    物理气相沉积用于形成各种金属层,连通不同的器件和电路,以便进行逻辑和模拟计算。化学气相沉积用于形成不同金属层之间的绝缘层。电镀用于生长铜连线金属层。

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已经制作好的晶圆在经过化学腐蚀、机械研磨相结合的方式对晶圆表面进行磨抛,实现表面平坦化。然后再进行切片、封装、检测就做成了一块完整的芯片。

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在整个芯片制造过程中的极限难度

在整个芯片制造过程中难度并不在于“如何制备高纯度硅?”、“如何画芯片电路图?”、“如何制作光刻胶?”、“繁琐的工序”等,极限难度在于如何将电路刻画到晶圆上,同时又保持晶体管和电路的泾渭分明,并且在纳米的尺度上保持多层光刻电路的对齐。

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这就是为什么AMSL的EUV坐在光刻机的巅峰,一枝独秀形成高端光刻机市场的绝对垄断地位。
为了控制光刻机精度的EUV光刻机系统采用极紫光作为光源,拥有10万个零件、4万个螺栓、3千条电线、2公里长软管,绝大多数零件都是集全人类智慧大成的产物,如:美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等。每台EUV造价达1亿美元,重达180吨,每次运输要动用40个货柜、20辆卡车,每次运输需要3架次货机才能运完,安装调试也需要一年的时间。所以注定了ASML的EUV一年最高产量只有30部。
光刻机的原理虽然简单,但要能制造出7nm、5nm芯片的光刻机难度可以想象,就算给你全部的零件和图纸也很难调试到可用的精度。

这并不是一个普通人能够仰望的高度,甚至是一个国家难以仰望的高度。好在我国早已布局芯片产业,虽然存在技术代差,但这种技术代差在不断缩小,也并不是所有的芯片都需要做小,目前7nm、5nm芯片也仅仅用于手机。

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CPU是不是人造物的巅峰这个我不知道,我知道的是就目前来说从制造的工艺复杂度来说,在民用这个级别可以说是没有一个能够和CPU的复杂度能比较了,要说这是民用级别的造物巅峰是真的一点也不为过。废话不多说先放几张图看看。

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上面这种图就是在特殊机器下透视的出来的结果,可以非常清晰的看见CPU内部的层状结构,越往下线宽越窄,越靠近器件层。这可是放大了几千倍才能看到的结果,你就想一下,在一个针尖大小的面积按照现在工艺可以放下3000个左右的mos管,可想而知这是一种多么复杂惊人的工艺水准,再来看下截面图

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以上界面图是CPU的和讯截面图,大概有十层,其中最下层为器件层,即是MOSFET晶体管。而这些晶体管基本都是纳米级别的,想一想要在比指甲盖大的芯片上封装几亿个晶体管并且还要将这几亿个晶体管用铜线连接起来你就想想这是一个多么可怕的过程。先来看看我们人类是如何将自己的智慧去解决这么复杂的一项工程的。
CPU制作原理

按照CPU的制作工作原理,从沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、这系列的过程只是一个大的过程,要是在细分其中的小工艺整个工艺过程都在几百个。

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1.首先你的要熔炼硅,做成一个纯度达到99.99999%的硅锭,相当于一百万个硅原子中最多只能掺杂一个杂质,然后通过切割的方式会得到一个晶圆,也就是单个硅晶片。
但是你要看到的是下图当中的硅晶片其中有一个技术就是抛光,别说其他的技术就是这个抛光技术世界上也就那么几个国家能够掌握,其中我国也不具备。

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2.下面即使光刻胶说白了就是在硅晶片上涂抹一层光刻胶,但是这个涂抹是非常有技术的,是非常薄的一层薄膜这个技术也是比较难掌握的。

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3.光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下,变得可溶,期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案,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。

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4.使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分,而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。
5.紧接着就是粒子注入。也就是掺杂制作出PN节。有了这一步基本上一个mos管大概样的样子就形成了。

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6.。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞,并填充铜,以便和其它晶体管互连。
最终在通过磨平将上面一层的铜层磨掉,一个真正的mos管就制作成功了。
7.在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞,并填充铜,以便和其它晶体管互连。

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8.然后再把各个晶体管连接起来,大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑,但事实上可能包含复杂的电路,放大之后可以看到极其复杂的电路网络,形如未来派的多层高速公路系统。
以上的步骤只是个大概的流程,其中一些流程要反复的光刻和蚀刻,还有线路的连接要反复的基层互相之间一层一层进行连接。可见这是一个多复杂的过程,可怕的是每个MOS管都是纳米级别的,小到只能显微镜可能才能看见。
工艺多复杂

上面只是涉及到了很小一部分的生产工艺过程,先不说里面的涉及到的制作技术,就说生产制造的设备光刻机这个永久的话题,目前来说靠一个国家的力量是难以突破的。AMSL能够造出这样的怪物机器也是集成了多个国家的技术以及各种专利,是好多个巨头公司联合投资才搞出来的一种顶尖设备,单靠任何一个国家的技术储备都无法实现。

就是其中各种几个原子层厚度的工艺技术也不是谁都能随便搞定的。
因此不论是从工艺的复杂度和各种制造的复杂度来说,CPU简直就是目前人类在极小制造业的巅峰之作,也是民用级别里面的巅峰产物,可以说是目前聚集了人类的各种学科范畴的顶尖理论研究成果的产物。
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这个有点武断了!人类一直在创造巅峰,又在一次次的冲破巅峰。比如最近我国就利用量子纠缠技术创造了墨子号,实现了量子领域的通信,这不是一个巅峰吗?就好比前不久谷歌首次发布量子计算机实现的量子运算规模,不都是一次次的在冲破巅峰吗?CPU只能代表一个时代的产物,并不是巅峰。人类没有巅峰,因为人类永远都在探索的路上。
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