Java併發編程(一):計算機基礎-CPU製造

這系列旨在總結java併發編程中的一些原理、工具、技巧和一些注意事項等,在開始Java的部分之前,會先花一些篇幅總結計算機的一些基礎,別是CPU和內存部分,以幫助後面理解一些原理性的東西。

一、簡述

計算機從上個世紀被髮明後,由第一代的電子管計算機時代到現在的大規模集成電路,體積是越來越小,性能則是越來越強悍。我們都知道,計算機系統的硬件結構主要由幾部分組成:控制器、運算器、存儲器和輸入、輸出設備等,各個部件之間通過系統總線聯繫起來協同工作。

控制器和運算器就是CPU的組成部分(還有寄存器組),控制器主要負責協調工作,運算器則負責計算機的算術運算和邏輯運算。CPU本身其實就是一塊大規模的集成電路,我們現在主要介紹這一部分的內容。

二、製造

硅(Si),是一種非金屬元素,它具有半導體的性質,適合於製造各種微小的晶體管,是目前最適宜於製造現代大規模集成電路的材料之一。也是我們現階段生產CPU、GPU等芯片的主要材料,而且其在地殼中含量很高,我們甚至都可以直接從沙中提取。

但是在製造產業中,對硅的純度要求是很高的,所以在使用之前,我們需要進行硅的提純。首先通過特殊方法(可百科查看)製造出單晶硅錠,然後將其整形成一個圓柱體,將其切割成片,成品就叫做晶圓,這個晶圓纔是製造芯片的直接材料。

當然,得到的晶圓表面並不是光滑的,還需要一些操作,比如研磨拋光加上一些化學方法等,使其符合標準。到現在CPU的基礎材料就準備好了。接下來的主要操作就是塗抹光刻膠,光刻膠是一種對光線、溫度等都十分敏感的材料,我們用它將晶圓做一層"包裝",這個是整個製造工藝的基礎。

將下來就是非常複雜的光刻步驟。我們事先會準備好掩模板,掩模板上有設計好的電路圖案。所謂光刻,簡單說來就是通過紫外線配合透鏡,將掩模板上的電路圖"印"在晶圓上的光刻膠上。這個過程說起來很簡單,但是其難度卻很高,光波長和透鏡數值孔徑都會影響到結果。之後就是通過化學方法溶解部分光刻膠,然後配合蝕刻藥劑進行蝕刻,最後清除光刻膠。

由於目前的晶體管設計,不可能一次就能完成所需的圖形制作,會對上述操作重複多次,中間還會重複分層,生長硅氧化物等,以獲得最終的3D晶體管。經過一系列複雜的工藝,上億的晶體管制作完成,但接下來還需要將它們連接起來,再經過多輪複雜工藝,最終形成多層連接電路圖。

後面就是我們的測試劃片階段了。就是把晶圓上的每個芯片通過特殊的劃刀切分下來,每一個單元就是我們所熟知的內核。到現在我們知道,從不純的硅到單晶硅錠,再到晶圓。不論是原材料還是中間的工藝影響,都會導致一個晶圓上的不同芯片完美程度不一致,甚至由於要求過於苛刻,部分單元會直接被殘忍的丟棄。

芯片檢測完成後,還需要進行裝片,然後和基板上的觸點結合,在覈心處塗上散熱硅脂(可能大多數同學都自己塗過硅脂),做一些保護措施就成了我們一顆完整CPU了。

不同於之前的晶圓測試階段,當CPU生產完畢後,會對每顆芯片進行多方位的測試,比如穩定頻率、發熱、功耗等等,如果這時候發現內部有一些硬件上的缺陷,可以做一些硬件屏蔽措施(類似於我們理解的磁盤壞道,可以將壞處隔離),最終劃分出不同的等級,比如i3、i5等等。

三、總結

到這裏,我們大致瞭解了從硅是怎麼一步步製造出我們所熟知的CPU的,這一方面是對我們知識面的一個擴展,另外對我們以後理解計算機的行爲是有一定幫助的。

我們記得製造過程中有一個很重要的步驟,就是掩模板上的電路圖"拓印",這個電路圖是CPU運作的邏輯基礎,下面我們會一步步介紹到這一塊兒的內容。

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