cpu為什么需要那么多晶體管

　　cpu里執行指令計算的是最基本的功能，在這里面，復雜指令機不同的指令分解開了就是一系列微命令，精簡指令大多都是直接電路執行。這些不僅僅是執行存回這么簡單的過程，而是執行步驟每一步都有不同功能電路配合，例如：取指、執行、發射、回寫。就單單一步里，例如取指，就要涉及IR、DR、AR、PC模塊。每一個模塊都是一個小功能，所以要涉及的晶體管特別多。不過這些都是最基本的功能，一個大一學生都可以用verilog寫出來。

　　還有一個就是緩存，在芯片圖里，很大一部分都是緩存面積，基本快達到Core的面積。

　　其實麻煩的在于指令并行技術，分支預測、多流水線、防止數據和結構沖突、發射順序等等功能，其中分支預測就是一個較大的模塊，也是一個現代處理器提速不可少的模塊。要實現指令記錄緩存和分析，并且預測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，每一步指令小步都需要一個寄存器來預防數據沖突等，這些都是開銷。這里耗費的晶體管數量也是很可觀的。

　　更復雜的就是多核、多核并行問題、各種新技術，都是晶體管需求量翻倍的技術。

　　cpu晶體管如何放進去的

　　主流的英特爾處理器會有20億個晶體管，高端產品可以達到60億個，一個個的鏈接方法不現實，所以我們采用光刻蝕技術。

　　光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應的刻痕，由此改變該處材料的化學特性。這項技術對于所用光的波長要求極為嚴格，需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡。刻蝕過程還會受到晶圓上的污點的影響。每一步刻蝕都是一個復雜而精細的過程。設計每一步過程的所需要的數據量都可以用10GB的單位來計量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步（每一步進行一層刻蝕）。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個紐約市外加郊區范圍的地圖相比，甚至還要復雜。

　　當這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓被翻轉過來。短波長光線透過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。通過化學方法除去暴露在外邊的感光層物質，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的在該層下方的硅層。這一步之后，另一個二氧化硅層制作完成。然后，加入另一個帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門電路的另一種類型。由于此處使用到了金屬原料（因此稱作金屬氧化物半導體），多晶硅允許在晶體管隊列端口電壓起作用之前建立門電路。感光層同時還要被短波長光線透過掩模刻蝕。再經過一部刻蝕，所需的全部門電路就已經基本成型了。然后，要對暴露在外的硅層通過化學方式進行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒個晶體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作端口。

　　光刻技術解析

　　關于那么多晶體管是怎么弄上去的，實際最本質的還是光刻技術。所以接下來小編詳細的跟大家介紹一下光刻技術：

　　1、首先我們知道，光刻的大致流程是，一個晶圓（wafer）（通常直徑為300mm）上涂一層光刻膠，然后光線經過一個已經刻有電路圖案（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（對應有圖案的部分），接著做后續的溶解光刻膠、蝕刻晶圓等處理。然后再涂一層光刻膠，重復上述步驟幾十次，以達到所需要求；

　　2、簡化結構請看下圖。掩膜版和晶圓各自安裝在一個運動平臺上（reticle stage and wafer stage）。光刻時，兩者運動到規定的位置，光源打開。光線通過掩膜版后，經過透鏡，該透鏡能夠將電路圖案縮小至原來的四分之一，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die上都刻有相同的電路圖案，即一塊晶圓可以出產很多芯片。一個die典型的尺寸是26×32mm。光刻機主要有兩種，一種叫做stepper，即掩膜版和晶圓上的某一個die運動到位后，光源開、閉，完成一次光刻，然后晶圓運動使得下一個die到位，再進行一次光刻，依此類推。而另一種光刻機叫做scanner，即光線被限制在一條縫的區域內，光刻時，掩膜版和晶圓同時運動，使光線以掃描的方式掃過一個die的區域，從而將電路圖案刻在晶圓上（見下圖（b））。scanner比stepper的優勢在于，可以提供更大的die的尺寸。

　　其原因在于，對于一個固定尺寸的圓透鏡，比如直徑32mm的圓（指投射后的區域大小），其允許透過的光線的區域尺寸是受限的。若采用stepper的step-and-expose方式進行光刻，一個die的區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域長度可以到26mm（26×8mm）甚至更長，將光縫設置為這個尺寸，使用掃描的方式便可以獲得26×Lmm的區域（L為掃描長度）。區域示意見下圖（a）。同樣的透鏡在stepper下可以實現更大區域的意義在于，當你需要生產尺寸較大的芯片的時候，換一個更大的透鏡的費用是昂貴的。

　　4、Scanner的step-and-scan過程的示意圖如下：

　　5、為了使每層的電路相互之間不發生干涉，需要對上下平臺進行精密運動控制。掃描時上下平臺應處于勻速運動階段。目前最小的層疊誤差小于2nm（單個機器內）或3nm（不同機器間）。

　　6、 光源的波長一般為365、248、193、157甚至13.5 nm（EUV， Extreme Ultraviolet）。因為光刻過程受到衍射限制，光源波長越小，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，從而提高NA（數值孔徑）和分辨率。這種光刻機叫浸潤式（immersion）光刻機。

　　8、 世界上做高端光刻機的廠家主要有ASML、Nikon和Canon。佳能大概已經不行了。Nikon每年開個會叫做LithoVision。