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      解析一堆沙子制造CPU的全過程

       昵稱rryh8 2016-08-06

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      “沙子是怎么變成CPU的”

      CPU這種看似高科技的東西,其原材料卻僅僅是一粒粒的沙子,用沙子中提煉出來的硅(si)來制作而成。今天帶你來全面看一下,到底沙子是怎么來制作成CPU的。……


      關(guān)于CPU的知識這里就不多說了,時間緊張,下面直接進入CPU的制作流程:



      第1步:不是隨便抓一把沙子就可以做原料的,要精挑細選一堆沙子,脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在。



      第2步:硅熔煉,通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅,學(xué)名電子級硅(EGS),平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。上圖圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的,最后得到的就是硅錠(Ingot)。



      第3步:形成單晶硅錠,整體基本呈圓柱形,重約100千克,硅純度99.9999%。



      第4步:硅錠切割,橫向切割成圓形的單個硅片,也就是我們常說的晶圓(Wafer)。



      第5步:形成晶圓,切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕,表面甚至可以當鏡子。事實上,Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓,而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購買成品,然后利用自己的生產(chǎn)線進一步加工。



      第6步:光刻膠(Photo Resist),圖中藍色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體,類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。



      第7步:光刻,光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下,變得可溶,期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計好的電路圖案,紫外線透過它照在光刻膠層上,就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說,在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。



      由此進入50-200納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個處理器,不過從這里開始把視野縮小到其中一個上,展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當于開關(guān),控制著電流的方向。現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小,一個針頭上就能放下大約3000萬個。


      第8步:溶解光刻膠,光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉,清除后留下的圖案和掩模上的一致。

      第9步:蝕刻,使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分,而剩下的光刻膠保護著不應(yīng)該蝕刻的部分。

      第10步:清除光刻膠,蝕刻完成后,光刻膠的使命宣告完成,全部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。

      第11步:光刻膠,再次澆上光刻膠(藍色部分),然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

      第12步:離子注入(Ion Implantation),在真空系統(tǒng)中,用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料,從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層,并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過電場加速后,注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。

      第13步:清除光刻膠,離子注入完成后,光刻膠也被清除,而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜,注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。

      第14步:晶體管就緒,至此,晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞,并填充銅,以便和其它晶體管互連。

      第15步:電鍍,在晶圓上電鍍一層硫酸銅,將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。

      第16步:銅層,電鍍完成后,銅離子沉積在晶圓表面,形成一個薄薄的銅層。

      第17步:拋光,將多余的銅拋光掉,也就是磨光晶圓表面。

      第18步:金屬層,晶體管級別,六個晶體管的組合,大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層,具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑,但事實上可能包含20多層復(fù)雜的電路,放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò),形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。

      第19步:晶圓測試,內(nèi)核級別,大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部,正在接受第一次功能性測試,使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。

      第20步:晶圓切片(Slicing),晶圓級別,300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊,每一塊就是一個處理器的內(nèi)核(Die)。

      第21步:丟棄瑕疵內(nèi)核,晶圓級別。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄,留下完好的準備進入下一步。

      第22步:單個內(nèi)核,內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核,這里展示的是Core i7的核心。

      第23步:封裝,封裝級別,20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起,就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當于一個底座,并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面,便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負責(zé)內(nèi)核散熱的了。

      第24步:處理器,至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復(fù)雜的產(chǎn)品實際上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得來的,這里只是展示了其中的一些關(guān)鍵步驟。

      第25步:等級測試,最后一次測試,可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性,比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等,并決定處理器的等級,比如適合做成最高端的,還是低端型號。

      第26步:裝箱,根據(jù)等級測試結(jié)果將同樣級別的處理器放在一起裝運。

      第27步:零售包裝,制造、測試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商,要么放在包裝盒里進入零售市場。


      能看到這里的都是人才,是不是有不明覺厲的感覺,看下面視頻復(fù)習(xí)下:


      依然看不懂,來個人工解說的:


      算了,還是不懂,洗洗睡吧!


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