cpu晶體管如何放進(jìn)去的

　　cpu為什么需要那么多晶體管

　　cpu里執(zhí)行指令計(jì)算的是最基本的功能，在這里面，復(fù)雜指令機(jī)不同的指令分解開(kāi)了就是一系列微命令，精簡(jiǎn)指令大多都是直接電路執(zhí)行。這些不僅僅是執(zhí)行存回這么簡(jiǎn)單的過(guò)程，而是執(zhí)行步驟每一步都有不同功能電路配合，例如：取指、執(zhí)行、發(fā)射、回寫(xiě)。就單單一步里，例如取指，就要涉及IR、DR、AR、PC模塊。每一個(gè)模塊都是一個(gè)小功能，所以要涉及的晶體管特別多。不過(guò)這些都是最基本的功能，一個(gè)大一學(xué)生都可以用verilog寫(xiě)出來(lái)。

　　還有一個(gè)就是緩存，在芯片圖里，很大一部分都是緩存面積，基本快達(dá)到Core的面積。

　　其實(shí)麻煩的在于指令并行技術(shù)，分支預(yù)測(cè)、多流水線、防止數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)沖突、發(fā)射順序等等功能，其中分支預(yù)測(cè)就是一個(gè)較大的模塊，也是一個(gè)現(xiàn)代處理器提速不可少的模塊。要實(shí)現(xiàn)指令記錄緩存和分析，并且預(yù)測(cè)下一條指令的行為并且提前做好最大可能的工作，看吧，是不是有種蠻人工智能感覺(jué)，每一步指令小步都需要一個(gè)寄存器來(lái)預(yù)防數(shù)據(jù)沖突等，這些都是開(kāi)銷(xiāo)。這里耗費(fèi)的晶體管數(shù)量也是很可觀的。

　　更復(fù)雜的就是多核、多核并行問(wèn)題、各種新技術(shù)，都是晶體管需求量翻倍的技術(shù)。

　　cpu晶體管如何放進(jìn)去的

　　主流的英特爾處理器會(huì)有20億個(gè)晶體管，高端產(chǎn)品可以達(dá)到60億個(gè)，一個(gè)個(gè)的鏈接方法不現(xiàn)實(shí)，所以我們采用光刻蝕技術(shù)。

　　光刻蝕過(guò)程就是使用一定波長(zhǎng)的光在感光層中刻出相應(yīng)的刻痕，由此改變?cè)撎幉牧系幕瘜W(xué)特性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于所用光的波長(zhǎng)要求極為嚴(yán)格，需要使用短波長(zhǎng)的紫外線和大曲率的透鏡?？涛g過(guò)程還會(huì)受到晶圓上的污點(diǎn)的影響。每一步刻蝕都是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過(guò)程。設(shè)計(jì)每一步過(guò)程的所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB的單位來(lái)計(jì)量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過(guò)20步（每一步進(jìn)行一層刻蝕）。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個(gè)紐約市外加郊區(qū)范圍的地圖相比，甚至還要復(fù)雜。

　　當(dāng)這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓被翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。短波長(zhǎng)光線透過(guò)石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然后撤掉光線和模板。通過(guò)化學(xué)方法除去暴露在外邊的感光層物質(zhì)，而二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。

　　在殘留的感光層物質(zhì)被去除之后，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來(lái)的在該層下方的硅層。這一步之后，另一個(gè)二氧化硅層制作完成。然后，加入另一個(gè)帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門(mén)電路的另一種類(lèi)型。由于此處使用到了金屬原料（因此稱作金屬氧化物半導(dǎo)體），多晶硅允許在晶體管隊(duì)列端口電壓起作用之前建立門(mén)電路。感光層同時(shí)還要被短波長(zhǎng)光線透過(guò)掩?？涛g。再經(jīng)過(guò)一部刻蝕，所需的全部門(mén)電路就已經(jīng)基本成型了。然后，要對(duì)暴露在外的硅層通過(guò)化學(xué)方式進(jìn)行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個(gè)摻雜過(guò)程創(chuàng)建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒(méi)個(gè)晶體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作端口。

　　光刻技術(shù)解析

　　關(guān)于那么多晶體管是怎么弄上去的，實(shí)際最本質(zhì)的還是光刻技術(shù)。所以接下來(lái)小編詳細(xì)的跟大家介紹一下光刻技術(shù)：

　　1、首先我們知道，光刻的大致流程是，一個(gè)晶圓（wafer）（通常直徑為300mm）上涂一層光刻膠，然后光線經(jīng)過(guò)一個(gè)已經(jīng)刻有電路圖案（pattern）的掩膜版（mask or reticle）照射到晶圓上，晶圓上的光刻膠部分感光（對(duì)應(yīng)有圖案的部分），接著做后續(xù)的溶解光刻膠、蝕刻晶圓等處理。然后再涂一層光刻膠，重復(fù)上述步驟幾十次，以達(dá)到所需要求；

　　2、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)請(qǐng)看下圖。掩膜版和晶圓各自安裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上（reticle stage and wafer stage）。光刻時(shí)，兩者運(yùn)動(dòng)到規(guī)定的位置，光源打開(kāi)。光線通過(guò)掩膜版后，經(jīng)過(guò)透鏡，該透鏡能夠?qū)㈦娐穲D案縮小至原來(lái)的四分之一，然后投射到晶圓上，使光刻膠部分感光。

　　3、一塊晶圓上有很多die，每一個(gè)die上都刻有相同的電路圖案，即一塊晶圓可以出產(chǎn)很多芯片。一個(gè)die典型的尺寸是26×32mm。光刻機(jī)主要有兩種，一種叫做stepper，即掩膜版和晶圓上的某一個(gè)die運(yùn)動(dòng)到位后，光源開(kāi)、閉，完成一次光刻，然后晶圓運(yùn)動(dòng)使得下一個(gè)die到位，再進(jìn)行一次光刻，依此類(lèi)推。而另一種光刻機(jī)叫做scanner，即光線被限制在一條縫的區(qū)域內(nèi)，光刻時(shí)，掩膜版和晶圓同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使光線以掃描的方式掃過(guò)一個(gè)die的區(qū)域，從而將電路圖案刻在晶圓上（見(jiàn)下圖（b））。scanner比stepper的優(yōu)勢(shì)在于，可以提供更大的die的尺寸。

　　其原因在于，對(duì)于一個(gè)固定尺寸的圓透鏡，比如直徑32mm的圓（指投射后的區(qū)域大小），其允許透過(guò)的光線的區(qū)域尺寸是受限的。若采用stepper的step-and-expose方式進(jìn)行光刻，一個(gè)die的區(qū)域必須能被包含在直徑32mm的圓中，因此能獲得的最大的die的尺寸為22×22mm；若采用scanner的step-and-scan方式，透鏡能夠提供的矩形區(qū)域長(zhǎng)度可以到26mm（26×8mm）甚至更長(zhǎng)，將光縫設(shè)置為這個(gè)尺寸，使用掃描的方式便可以獲得26×Lmm的區(qū)域（L為掃描長(zhǎng)度）。區(qū)域示意見(jiàn)下圖（a）。同樣的透鏡在stepper下可以實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域的意義在于，當(dāng)你需要生產(chǎn)尺寸較大的芯片的時(shí)候，換一個(gè)更大的透鏡的費(fèi)用是昂貴的。

　　4、Scanner的step-and-scan過(guò)程的示意圖如下：

　　5、為了使每層的電路相互之間不發(fā)生干涉，需要對(duì)上下平臺(tái)進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng)控制。掃描時(shí)上下平臺(tái)應(yīng)處于勻速運(yùn)動(dòng)階段。目前最小的層疊誤差小于2nm（單個(gè)機(jī)器內(nèi)）或3nm（不同機(jī)器間）。

　　6、 光源的波長(zhǎng)一般為365、248、193、157甚至13.5 nm（EUV， Extreme Ultraviolet）。因?yàn)楣饪踢^(guò)程受到衍射限制，光源波長(zhǎng)越小，能夠做出的芯片尺寸就越小。

　　7、在透鏡和晶圓之間加入折射率大于1的液體（如水），可以減小光線波長(zhǎng)，從而提高NA（數(shù)值孔徑）和分辨率。這種光刻機(jī)叫浸潤(rùn)式（immersion）光刻機(jī)。

　　8、 世界上做高端光刻機(jī)的廠家主要有ASML、Nikon和Canon。佳能大概已經(jīng)不行了。Nikon每年開(kāi)個(gè)會(huì)叫做LithoVision。