舌尖上的硬件(2) CPU/GPU芯片制造解析

　　● 最困难的部分——“真正的”半导体工艺

　　要明白披萨跟CPU/GPU你只整个半导体芯片工业的关系，我们可能首先要面对一点困难的内容——比如说，您知道一颗CPU/GPU的基本制造流程么？

晶圆生产线（图片源自ZDNet）

　　● 晶体管可不是“管”哦

　　好吧，我们知道整个芯片的制造过程多少有些难以理解。所以我们还是继续原本就要进行的工作——烤披萨饼吧。在了解了一份美味的披萨从原材料准备到最终出炉瞬间的全过程之后，相信您将会对半导体芯片的制作过程有一个全新的认识。

　　● 制作“wafer”——和面

　　要烘焙一张松软可口又浓香满溢的北美烤盘披萨，最基础的事自然是制作饼胚了。和面是一个将面粉变成面团的过程，从本质上来讲，这一过程跟准备wafer是没多少区别的。

　　面粉本来是分散的淀粉/蛋白质分子团所构成的颗粒，通过适度水的作用，面粉中的蛋白质和淀粉形成了网格状的长链形态，从而促成了面粉从颗粒向团聚的转变。光有水是不够的，面粉变成面团还需要施加适当的外力来帮助过程的进行，我们揉面的过程可以让水更加均匀的进入面粉，还可以促使长链更好的形成网格并增强面团的弹性。所以揉面是一个细腻而且充满了艺术的过程，水的多少、揉压的手法和力道、甚至是醒面和擀制面胚的步骤都需要精心对待。

　　我们高筋面粉加混合了干酵母的温水来揉面，同时为了让面饼更加松软清香，我们还在其中加入了适量的黄油。黄油的加入增加了和面的难度，所以我们用了比平时更多的时间去揉压、锤捣和醒发，力求让面饼达到最佳的状态。虽然过程费时而且相当消耗体力，但为了可口的美味，这样的消耗是值得的。活好面之后，我们把它擀制成与烤盘尺寸相仿的大小，并在上面打一些小洞，一块披萨的面胚就算准备完成了。

可爱的面团已经搞定，只等擀成面饼了

　　单晶硅的生长也需要经历一个类似的过程。单晶体生长是一个平衡延展的过程，任何杂质、应力处理不当或者不均匀的热力学起伏都可能诱发缺陷以及对称破却，并导致晶格变形的发生，让硅晶格从有序对称延伸转变成无序或近程有序状态，进而让单晶硅变成多晶硅。所以硅被熔融提炼之后，晶胚需要在一个严格控制温度及其他要素的纯净环境中完成冷却生长过程，一直到单晶收尾都是如此。稍有差池，整个单晶硅锭都可能会报废。成长完成之后，经过高精度的切削加工，被切成片的单晶硅就成了我们所说的wafer，也就是晶圆。

　　Cookies need love like everything does，只有用心去对待，我们才能获得自己想要的完美的结果，不管是和面还是制作单晶硅都是如此。

　　● 覆胶，光刻——融化的奶酪

　　在面胚准备好之后，我们要做的下一步工作就是将番茄酱、奶酪以及其他各色食材码放在面胚上面，这个混合食材的过程，在形式和意义上都非常接近半导体芯片制造过程中的“覆胶——光刻”过程。

　　以披萨的角度来讲，番茄酱抹在最靠近面胚的地方不仅可以为披萨带来酸甜的底味并为后续的味道混合增加层次，同时还可以防止面胚水份和内部气体的过快流失，这有利于面胚充分膨胀以及维持松软的口感。同样的，奶酪的放置同样由这样的作用。在水分散失最快的加热烘焙初期，奶酪的融化并不充分，这种不充分刚好可以覆盖面胚并阻止水分向上蒸发。这种特性，让番茄酱和奶酪发挥出了“覆胶”类似的作用。

　　我们在前面的文章中提到过，“覆胶——光刻”过程的操作细节和目的在于暴露需要加工的wafer区域，同时保护不需要加工的区域。因为蚀刻并不具备自主选择性，必须加以约束才能达到定向加工的目的，所以覆胶之后，我们只需要对需要加工的区域进行照射，接着只剥离因反应而性变的胶体部分并暴露下方的wafer区域，就可以达到为下一步的蚀刻提供“渠道”了。

　　覆盖、保护、为后续步骤提供基础和前提，甚至都还没有送进烤箱，披萨就已经表现出了如此多的与半导体芯片加工过程相似的环节和特征，我们不得不钦佩大自然的神奇——即便看似毫不相干的两个领域，其内在往往也是受同样的规律所支配的。

　　敷好了番茄酱、奶酪和馅料，还顺手完成了“覆胶——光刻”的过程，那么当我们将披萨送入烤箱之后，是不是就该看到沟槽形成了呢？

　　● 沟槽形成——受热膨胀的发面

　　随着面饼被放入烤箱加热，一系列神奇的变化都将会开始陆续发生，这其中首当其冲的就是发酵面饼的膨胀。

　　发酵工艺是人类利用微生物的成功典范之一，它会在适宜的温度下吞噬淀粉，利用淀粉酶将淀粉分解为麦芽糖并进一步分解为葡萄糖，然后以无氧呼吸的方式将至消耗并生成酒精和二氧化碳的，数千年来酵母菌都在忠实的完成着让面饼变得松软可口的任务。由于我们使用了添加酵母的温水来和面，酵母菌会在面胚内部释放了气体，这些气体在受到烘焙过程的加热之后就会膨胀并在面胚中形成一个个的小孔。这些小孔不仅会让面饼变得松软，还为后续汤汁的下渗混合提供了场合。

发酵是披萨美味融合的前提

　　作为半导体加工工艺的重要步骤，沟槽的形成同面胚中的气孔有着异曲同工之妙。无论是形成PN结还是用于敷设线路，沟槽在半导体上芯片中都扮演着重要的角色。在经历了先前的“覆胶——光刻”过程之后，wafer表面已经露出了所有需要形成沟槽的区域，人们接下来所进行的工作，就是利用这些没有覆胶区域所形成的“沟渠”，通过物理或者化学侵蚀手段来完成这些区域内不同深度的沟槽开挖工作。覆胶的沟渠起到了导向的作用，可以让侵蚀沿人们规定的方向定向进行，而覆胶本身尤其到了保护待加工的作用。

　　面胚已经膨胀，wafer的表面也已经完成了沟槽的加工，那么接下来，我们又会遇到些什么呢？没错，无论是披萨还是半导体芯片，这时候都该是时候“掺杂”了。

　　● 掺杂，沉积——汤汁的下渗和馅料混合

　　顾名思义，掺杂就是在原本“纯净”的基体表面及浅表以渗透的形式加入原本没有的东西。在半导体芯片的制作过程中，掺杂就是通过物理化学手段将归于硅以外的元素注入到wafer浅表，而对于披萨而言，“掺杂”就是各种食材馅料出汤之后下渗混合的过程。

　　随着烘焙过程的进行，我们敷在饼胚表面的各种馅料都会因受热和出汤。无论甜椒、洋葱、培根还是草菇，它们本身独特的香气都会伴随着汤汁从本体里渗出，我们最终所要收获的正是这些香气混合所产生的味道。而让这些蕴含香气的汤汁充分混合的场合，就是披萨的“掺杂”过程。

这么多材料可不是白准备的

　　随着馅料中汤汁的渗出，自然重力让这些汤汁均匀的下渗到了奶酪和番茄酱所在的位置，而随着烘焙时间的延长，奶酪已经随着烘焙热量的增加而融化的更加充分，可以与下渗至此的汤汁以及下层的番茄酱更好的混合了。与此同时，饼胚的膨胀在此时也在同时进行当中，气孔形成的空间刚好接纳了自上层下渗的混合了番茄酱、奶酪、肉菜以及草菇的浓汤，至此，在被汤汁渗透的面胚中，美味已至。

烘焙的加热是汤汁渗出的关键

　　“半导体”本身并不是一个严谨的翻译，实际上我们可以将之理解成“电流只能在特定条件下定向单向流动”的特殊导体。半导体的导电并非像正常金属导体那样以电子气体定向移动的形式来完成，它必须经由硅晶格共价键空穴的载流子定向迁移过程来完成，其性能亦由此决定。而掺杂过程的作用，就是通过混入其他元素来改变硅晶格的结构，进而大幅改变局部区域的电学性能。一旦某一区域的电学性能达到了人们的要求，并且形成了以栅极为形式的控制开关，我们就可以将这一区域看做是“晶体管”的存在了。

　　同披萨汤汁的下渗一样，掺杂同样是一个物质下渗混合的过程。再又一次的覆胶——光刻过程之后，氧、氮、磷、硼等等元素按照人们的需要被带入到了特定的裸露出来的区域当中，并在不同扩散驱动力的作用下深入到了wafer的表面。元素的渗入改变了被渗入区域包括电阻以及电容量在内的大部分电学性能，让该区域成了有别于基体的可以为人们所用的半导体结构，再加上沉积形成的栅极，一个“晶体管”就算是完成了。

　　我们想要运算能力，于是我们发明了掺杂沉积形成的晶体管，我们想要美味，于是我们找到了各色食材完美混合的方式。努力去拾起更多大自然给予的馈赠，也许就是我们生存至今并仍在不断发展的原因吧。

　　● 上层互联——软糯的馅料

　　汤汁并不是馅料的全部，各种食材独特的口感也是构成食物本身吸引力的特征之一。披萨的吸引力除了混合在一起的平和美味之外，还有上层馅料交织在一起的饱满口感。

　　由于我们采用了两种不同的奶酪，其中流动性较差的瑞士干奶酪会在烘焙15分钟之后才加入到馅料的最上层，因此随着烘焙过程的继续，位于饼胚上层的馅料会与瑞士干奶酪逐渐混合并形成一个整体。干奶酪的嚼劲搭配蔬菜、培根和草菇各异的口感，让我们在品尝美味的同时体会到了进食的快感，并最终在我们的舌尖形成了披萨丰满的形象。

　　半导体芯片的制造同样要经历这样的过程。无论是CPU还是GPU芯片，布满晶体管的逻辑层都需要与外部电路进行对应的连接。动辄十数亿甚至数十亿的晶体管总量显然是一个非常庞大的数字，将它们连在一起的连线长度也是相当可观的。要布置这些连线，而且同样是“自下而上”不可逆的单向布置这些连线，我们需要的是一个复杂的多次沉积过程，通过各种保护和气体扩散，将金属元素以PVD（物理气相沉积）或者CVD（化学气相沉积）的方式扩散到了特定的区域，并在该区域形成连线，这就是互联形成的过程。有了互联，芯片才有了存在的意义和工作的基础。

第一张饼出炉喽

　　“叮”，随着烤箱时间转盘的归零，一份令人期待的披萨就这么出炉了。

　　● tape out和retape out——烤砸了，那就调整吧

　　生活经验告诉我们，这世界上不可能有永远一帆风顺的事。当外部环境发生变化之后，一些原本顺利的事可能会变得不顺利，半导体芯片的生产过程会随着设计、工艺需求以及生产线技术的改变而遇到困难，厨子也会因为灶台和厨房空间的变化而把菜搞砸。

　　厄，好吧……我们承认我们制作的第一张披萨可以说完全失败了。

　　由于家电评测室内的室温过低，发面过程进行的相当不顺利，酵母菌们一直都在沉沉的睡去，面饼也始终没有按照我们的需求充分的膨胀起来。我们的菜单以及上下均温的烘焙方式都是针对出汤混合的北美烤盘披萨的烹制过程设计的，没有充分膨胀的面饼无法吸吮大量渗出的蔬菜汤汁以及融化的奶酪，底盘温度不足又让面饼改变松软的形态，无法隔绝汤汁的下渗，于是我们的第二张披萨成了由大量浓汤浸泡的死面，几乎变成了一盘鱼头泡饼……

　　没办法，赶紧修改工艺吧同志们，要不中午饭可就要“泡汤”了。

　　半导体生产的过程同样经常会出现各种各样意料之外的不可控问题，披萨烤砸了会变得难吃，芯片工艺搞砸了就要面对良率低下甚至完全无法生产的结局，尤其是芯片试制的初期阶段更是如此。光溶胶的反应速率、蚀刻的速度和深度、热处理的温度时间、甚至是前后驱室中反应物的配比，各种纷繁复杂的过程彼此之间存在大量的相互关联和影响，这些影响都需要观察，收集经验以及悉心调整，这就是我们所熟悉的流片及工艺调整过程。一款芯片通常会在经历过多次流片、寻找工艺缺陷并改进之后才能送入流水线中进行批量生产，甚至调整的过程到此也依旧不会停止，它将会伴随芯片的几乎整个生产周期。

　　既然面胚无法醒发并吸吮和承接汤汁的下渗，那就只有改进工艺一途了。我们去掉了会导致大量的出汤的紫甘蓝并加大了番茄酱的用量，在烤盘中均匀涂抹了一层黄油并将下盘烘焙温度提升到了230度，更少的出汤量减少了面饼的负担，更高的温度和盘底的黄油让面胚在烘焙之后变得松脆。经过这样的调整，一盘少量汤汁调味，口感酥脆的墨西哥披萨的出炉不仅拯救了“厨子”的名誉，更让我们的午饭有了着落。循着香味摸过来的试吃群众们转眼便卷走了刚出炉的披萨，我们也算没白忙活。

改进工艺后的第三张披萨

　　好了，retape out完成了，试吃检验也已完成，可以批量生产了吧？别急，还得“切”呢。

　　● 切割封测——切饼装盘

　　与前面的步骤相比，切割封测应该算是一个技术含量相对较低的过程了。在进行上述加工过程的初期，也就是第一步的“覆胶——光刻”时，人们已经已经按照芯片的边缘尺寸在掩膜上划分好了区域，后续的所有步骤均以这些区域为单位在整个wafer表面规则的重复着。当所有加工工作完成之后，人们只需要沿划分区域的边缘完成线切割，并将芯片的互联同最终的封装引脚连接在一起，整颗芯片就算大功告成了。

乐乐自告奋勇亲自操刀

　　披萨这边的工作就更简单了，拿出道具，切块，装盘，搞定。

结果很明显——切割失败……

　　话虽如此，切割和封测也并非是一个可以漫不经心随意完成的简单任务。同wafer切片过程一样，芯片线切割同样是一个精度极高的机械操作过程，通常都需要由激光切割来完成。如果切割不当，芯片的边缘便可能产生缺陷，我们常见的关闭部分单元的“低阶产品”，其中有一部分就来源于这一过程。

GF100就是一颗并未完全开放单元的芯片

　　至于披萨切割失败的后果嘛……我们在事业部内部征集了能够以细心来完成切割的人选，最终乐乐凭借对自己刀章天花乱坠的描述赢得了这一荣耀的机会。但当他实际拿起菜刀之后……怎么说呢，反正从馅料的状态来看，这似乎“如我们所料”的可以做一个切割失败的反面教材了。

　　● 厨房便是“世界”

　　在挥汗如雨了一整天、将家电评测室搅得天翻地覆并让半层办公楼都弥漫了烘焙的味道之后，我们终于完成了四张披萨。期间的过程可谓一波三折，尤其是retape out这个环节完全是意料之外的——说老实话，我真的没想到在家正常顺利的发面到了家电评测室会因为低温而失败，而且也没有做过墨西哥披萨……但也恰恰正是这样的“失败”，为我们送来了一个计划外却能更直观说明tape out/retape out过程的例子，在感叹“运气不错”之余，我们也平添了一份对大自然本身的敬畏。

检验成果的时刻到了

吃货们表示ZOL牌披萨味道还算令人满意

　　制作wafer，覆胶，光刻，蚀刻，再覆胶，光刻，掺杂，多次沉积，最后芯片切割封测，在亲手烤过披萨之后，当我们再次重温CPU/GPU芯片的生产过程，并将其与披萨的整个烹制过程对应起来时，我们忽然觉得再多的辛苦都是值得的了。

食物藏天下，味道有乾坤

　　大自然的恩赐，不仅仅在于它为我们奉献了食物或者其他让我们生存下去的物资，这个世界给予我们的最有用的东西其实是蕴藏在事物背后、统治并推动世界运转而且能够为我们所发现的规律和本质。食物是我们最容易接受的东西，以它为切入点来展现同样蕴藏在技术背后的各种本源和真实，不仅能让这些看似晦涩的过程变得生动和容易理解，还可以让我们明白许多足以影响我们生活的道理。当我们静下心来再次审视身边的美食时，也许我们能发现更多以前未曾注意过的东西。

这么看起来像蛋糕不？

　　在今后的《舌尖上的硬件》系列当中，我们将会继续保持这样的视角，以各种美味的组合和制作过程来为您展现不同的显卡/半导体芯片技术细节，五味的搭配因何而鲜美诱人、图形处理过程是怎样的精妙、食物为何会让我们大快朵颐、芯片的性能究竟由哪些要素决定、这个世界到底蕴藏了多少和谐与调和的艺术，小小厨房中所发生的一切将会成为我们带您认识电脑世界的载体。最终，我们将会一起探寻、发现并赞美这个世界的本质。如果一路上能够有您相伴，我们感激不尽。

《舌尖上的硬件》第一期推出后得到了很多资深玩家的认可，所以作者趁热打铁推出第二期，让你继续品尝披萨读爽技术文。本文还是通过披萨制作流程，为您详细讲解一颗GPU的诞生过程，走过路过千万不要错过。