01、Java JUC 源码分析 - 计算机基础-CPU制造

这系列旨在总结java并发编程中的一些原理、工具、技巧和一些注意事项等，在开始Java的部分之前，会先花一些篇幅总结计算机的一些基础，别是CPU和内存部分，以帮助后面理解一些原理性的东西。

一、简述

计算机从上个世纪被发明后，由第一代的电子管计算机时代到现在的大规模集成电路，体积是越来越小，性能则是越来越强悍。我们都知道，计算机系统的硬件结构主要由几部分组成：控制器、运算器、存储器和输入、输出设备等，各个部件之间通过系统总线联系起来协同工作。

控制器和运算器就是CPU的组成部分（还有寄存器组），控制器主要负责协调工作，运算器则负责计算机的算术运算和逻辑运算。CPU本身其实就是一块大规模的集成电路，我们现在主要介绍这一部分的内容。

二、制造

硅（Si），是一种非金属元素，它具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。也是我们现阶段生产CPU、GPU等芯片的主要材料，而且其在地壳中含量很高，我们甚至都可以直接从沙中提取。

但是在制造产业中，对硅的纯度要求是很高的，所以在使用之前，我们需要进行硅的提纯。首先通过特殊方法(可百科查看)制造出单晶硅锭，然后将其整形成一个圆柱体，将其切割成片，成品就叫做晶圆，这个晶圆才是制造芯片的直接材料。

当然，得到的晶圆表面并不是光滑的，还需要一些操作，比如研磨抛光加上一些化学方法等，使其符合标准。到现在CPU的基础材料就准备好了。接下来的主要操作就是涂抹光刻胶，光刻胶是一种对光线、温度等都十分敏感的材料，我们用它将晶圆做一层"包装"，这个是整个制造工艺的基础。

将下来就是非常复杂的光刻步骤。我们事先会准备好掩模板，掩模板上有设计好的电路图案。所谓光刻，简单说来就是通过紫外线配合透镜，将掩模板上的电路图"印"在晶圆上的光刻胶上。这个过程说起来很简单，但是其难度却很高，光波长和透镜数值孔径都会影响到结果。之后就是通过化学方法溶解部分光刻胶，然后配合蚀刻药剂进行蚀刻，最后清除光刻胶。

由于目前的晶体管设计，不可能一次就能完成所需的图形制作，会对上述操作重复多次，中间还会重复分层，生长硅氧化物等，以获得最终的3D晶体管。经过一系列复杂的工艺，上亿的晶体管制作完成，但接下来还需要将它们连接起来，再经过多轮复杂工艺，最终形成多层连接电路图。

后面就是我们的测试划片阶段了。就是把晶圆上的每个芯片通过特殊的划刀切分下来，每一个单元就是我们所熟知的内核。到现在我们知道，从不纯的硅到单晶硅锭，再到晶圆。不论是原材料还是中间的工艺影响，都会导致一个晶圆上的不同芯片完美程度不一致，甚至由于要求过于苛刻，部分单元会直接被残忍的丢弃。

芯片检测完成后，还需要进行装片，然后和基板上的触点结合，在核心处涂上散热硅脂(可能大多数同学都自己涂过硅脂)，做一些保护措施就成了我们一颗完整CPU了。

不同于之前的晶圆测试阶段，当CPU生产完毕后，会对每颗芯片进行多方位的测试，比如稳定频率、发热、功耗等等，如果这时候发现内部有一些硬件上的缺陷，可以做一些硬件屏蔽措施（类似于我们理解的磁盘坏道，可以将坏处隔离），最终划分出不同的等级，比如i3、i5等等。

三、总结

到这里，我们大致了解了从硅是怎么一步步制造出我们所熟知的CPU的，这一方面是对我们知识面的一个扩展，另外对我们以后理解计算机的行为是有一定帮助的。

我们记得制造过程中有一个很重要的步骤，就是掩模板上的电路图"拓印"，这个电路图是CPU运作的逻辑基础，下面我们会一步步介绍到这一块儿的内容。