CPU的工作原理
简介
CPU(central processing unit)，又叫中央处理器，可以说是目前人类历史上科技含量最高的产物。其工艺复杂度，涉及的学科知识点数不胜数。它作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。
世界上第一款商用处理器CPU于1971年问世，他就是Intel 4004（如下图）。 该CPU内集成了2250个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，频率为108KHZ，前端总线为0.74MHz。而现代的的CPU内部已经集成了100多亿个晶体管，频率等也是之前远远不能相比的了，即使这样，它内部的线路设计也是相当复杂了。
什么是半导体
我们知道芯片的主要原材料是硅，他在元素周期表中处于导电元素和不导电元素之间（类似的还有Ge），他本身是带有4个电子的，他通过共享电子（共价键）达到一个稳定的机构，当在大于绝对零度的时候，这些电子会自由移动，移动走了原来的位置成为空穴。随着这些空穴和电子的移动他们就可以导电。
但是这些空穴数量很少，远远达不到我们想要的导电能力，这时候就需要掺杂一些其他的元素增加其导电能力。
如果我们掺杂了带5个电子的元素，比如磷，砷等，这样就会多一个电子，这种掺杂后的称为N型半导体。 如果我们掺杂了只有3个电子的元素，比如硼，铟等，这样就对多出很多空穴，这种掺杂的我们称为P型半导体。
当这2种碰在一起的时候，N上的电子就会填补到P的空穴上去，但是距离他们接触面比较远的则不一定。而接触的部分称为PN结。这个PN结在稳定后会形成空间电荷区，他会阻止N的电子流向P的空穴。这种PN结就具有单向导电性（P区接外加电源的正极，N区接负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大，PN结不能导通），这也就是为什么叫半导体。
芯片制造
我们都知道计算机世界是由0和1组层的，那么代表这些0和1的就是晶体管。一个cpu里面的晶体管数量越多，代表这个cpu也就越强大。摩尔定律申明每隔2年，在同样的大小的芯片内部，晶体管的数量会增加一倍。
当代的芯片整个生产也是相当的复杂，这里列举了主要的步骤：
- 芯片的主要原料是硅，所以我们先要提取纯度很高的硅：通过让沙子和碳在高温下置换反应从而提纯出单晶硅棒（也就叫硅锭），然后对单晶硅棒切片并抛光，我们常见的光滑的圆片就是纯度极高的硅片，也叫晶圆。
- 然需要对晶圆的表面进行氧化为二氧化硅，该层是绝缘的。在氧化后的晶圆表面需要涂一层感光材料，该层薄膜能提升晶圆的抗氧化以及耐温能力，这种材料就是我们常说的光刻胶，光刻胶被紫外线照射会被溶解（这里说的是正胶）。
- 光刻胶分2种：正胶和负胶，区别是经过光照的之后，可被溶解的叫正胶，反之叫负胶。
- 接着我们需要将自己设计好的电路图，打印出掩膜，然后使用光刻机紫外线（主要是短波长的光线）透过该掩膜照射在光刻胶上。被紫外线照的地方，光刻胶就被溶解，这样电路图就会留在晶圆上。重复该操作，这样晶圆上就出现了一块块的我们设计好的电路图案，每一块都即将成为一颗芯片。
- 然后可以用化学腐蚀反应或者等离子攻击晶圆表面，让光刻胶被冲洗掉的部位被刻蚀，从而形成凹陷。这样电路图就印刻到我们的晶圆上来了。化学腐蚀的方法一般不如等离子撞机效果好，因为切面不如撞机的规整，这时候氧化层就会被蚀刻出凹陷。
- 下面就是离子注入和退火的过程了。通过掺杂硼或者磷入硅中，然后通过一定温度的加热退火稳定硅和这些离子的晶体结构。
- 然后，就是在上面通过物理气相沉积（构建各种金属层来连接不同的器件和电路），在通过化学气相沉积在不同金属层之间形成绝缘层。通过电镀铜来连接各个金属层。不断反复这个步骤，从而逐渐构建出我们的电路结构。
- 最后就是切片、封装、测试，验证芯片是ok的，然后包装出售。
