出品：科普中國
制作：王智豪（中科院長春光機所）
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
中央處理器，簡稱CPU，是現在電子計算機的核心元件，也是信息時代最主要的器件之一。
從小的方面說，我們每天使用手機軟件，以及在電腦上寫方案、敲代碼、制作PPT等所有計算機軟件的計算，都需要CPU的計算；
從大的方面講，航天飛船的制造需要CPU進行前期建模工作；發射時間、軌道、天氣預測、燃料都需要CPU的模擬計算；發射后的實時追蹤、內部調度及處理應急問題也都需要CPU精準的計算。
如天問號、祝融號、月兔號探測器，從著陸、巡視再到傳回原始數據幾乎都需要CPU運行機器進行自主操作。
可以說，21世紀，CPU在生活、工作及科學等方方面面都發揮了重要作用。
CPU（veer圖庫）
CPU的功能主要是處理計算機軟件的數據，將人類的命令轉化為機器語言，并對其他計算機中的設備，如內存、顯卡、主板等提出命令。在整臺計算系統中，它扮演“老板”的角色。
更形象地說，CPU就是人類的大腦，一切信息都需要它的參與或思考。
組成CPU的三大部門
CPU由三部分組成：運算器、控制器與寄存器。
運算器主要是負責執行任務，可以理解為“打工人”，它的任務是負責直接計算相關數據；
控制器類似于“領導”，任務就是針對不同的需要，給“員工”下達不同的命令；
寄存器則可以理解為控制器和運算器之間聯絡的小組，也可以理解成“秘書”，它的主要工作是協調控制器和運算器。
寄存器這個“部門”的事情非常繁瑣，控制器會讓它給運算器下達命令，運算器運算的數據太多，也會讓寄存器暫時先寄存一部分。所以，當數據過多時候，寄存器忙不過來就只能暫時招收一些“臨時工”——高速緩存。
在寄存器完成不了工作時候，就調用高速緩存來存儲數據。當然臨時工也會有等級：一級緩存、二級緩存和三級緩存。如果三緩也耗盡，那就交給CPU外的內存來緩存。
但是，如果內存也不夠了怎么辦呢？這時候，你的電腦就開始卡頓了，建議換一臺電腦（狗頭）。
CPU原理圖（圖片來源：作者自制）
在這個龐大的部門中，當然要制定相關的行為規范，讓控制器能按照規則來下達命令。這一行為規范就是指令集。
不同設備的指令集可能會不一樣。例如，我們的計算機用的就是復雜指令集x86，而手機處理器的指令集就是精簡指令集ARM。這兩種指令集最大的區別，就在于設計者考慮問題的方式。
舉個簡單的例子，比如命令一個人吃飯，我們應該怎么發布指令呢？
1、直接對他下達“吃飯”的命令。
2、命令他“先拿勺子，然后舀起一勺飯，然后張嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。
從這里可以看到，對于“命令人吃飯”這件事，可以復雜也可以簡單。而如何訓練那個人，則出現不同的理解。
有人認為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練，讓他掌握各種復雜技能（即在硬件中實現對應的復雜功能），那么以后就可以用非常簡單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說一句“吃飯”，他就會吃飯，這就是“復雜指令集”的思路。
但是也有人認為這樣會讓事情變得太復雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復雜，如果你這時候想讓他吃菜，那還得再訓練吃菜的技能。既然如此，我們為什么不把事情分為許多非常基本的步驟呢？
這樣的話，雖然下達命令的人稍微累一點，但只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作——比如現在我要他吃菜，只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”，問題就解決了，多么簡單。這就“精簡指令集”的邏輯。
從利用這兩種指令集的設備，我們就可以看出指令集的區別了。
首先是性能。ARM強在效率，在一些任務相對固定的應用場合，其優勢就能發揮得淋漓盡致。而x86則在專業軟件或者綜合性工作方面，依然是“大哥”。
其次是擴展能力。手機方面，可能直到淘汰產品，我們都不會自行加裝例如內存、存儲等擴展設備，奉行的原則是夠用就好。而計算機可以通過橋接方式擴展許多設備。
最后是功耗，X86的計算機性能強，但是功耗一直居高不下，隨著摩爾定理逐漸失效，現在性能提高都是建立在功耗的基礎上，動不動幾百瓦的功率，是國家電網“長期戰略合作伙伴”。ARM方的手機則大概只有幾瓦的功耗，因此它更適于便攜化與移動化。
至于與我們日常交互，也是開機就能看到的桌面則是操作系統，你可以理解為一種特殊的軟件，主要發揮性能調度、管理文件、為上層軟件提供服務與可視化操作的作用。
如何制作CPU
介紹完CPU，那你肯定想知道，這么復雜的元件需要如何制作呢？制作CPU的復雜程度將超乎你想象。
準備好了嗎，接下來，筆者將帶大家進入原子的世界，一個肉眼無法看到的世界。
制作CPU第一步是設計電路圖，眾所周知，CPU是超大規模的集成電路，合理的電路分布則是重中之重。因此，會由來自全球各地設計中心的專家合作設計CPU的晶圓電路，完成物理掩模板整體芯片設計。
下一步是制作硅晶。硅晶的原料就是沙子，經過一系列復雜的提純會將沙子變成純度高達99.9999%的單晶硅棒，再切成光滑的小薄片，晶圓就制作完成了，它上面將會刻蝕出集成電路。
雜質會對CPU質量造成嚴重的影響，因此制作晶圓的環境比手術室還要干凈十萬倍。
△原料及單晶硅棒（圖片來源：https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel）
接著我們就要在晶圓上刻上設計好的電路，用什么刻呢？普通刻刀遠遠達不到那樣的精度，聰明的科學家想到了世界上最精細的刻刀——光。
在晶圓上均勻涂覆光刻膠，然后用紫外光將掩膜上的電路結構印在晶圓上，曝光的部分具有可溶性，可以被洗掉。再將晶圓表面未受保護的部分刻蝕掉，指甲蓋大小的晶圓上就被刻上數十億個晶體管。
△涂覆光刻膠及光刻過程（圖片來源：The Making of a 22nm Chip，https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel）
只有晶體管還是不夠的，不同晶體管要具備不同的功能，這就需要下一步離子注入過程來給晶體管施加不同的電性。
這里會用到硅這種具有獨特性質的半導體。硅的導電性可由精確控制植入的物質而改變。
具體過程為，首先將被摻雜的原子注入到硅晶格中。這些原子在晶格中不均勻分布，但在高溫下，摻雜的原子在晶格中變成了均勻分布。
△檢查與摻雜（圖片來源：https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel）
銅是下一道程序的重點，精密的銅線將許多晶體管連接起來形成各種電路并發揮各種功能。
但在這一過程中，清洗必不可少，因為環境中的微粒或者雜質潛伏在制造過程中的每一階段。先在晶圓上鍍一層阻擋膜，這有助于防止短路并能保證電路的可靠性。然后再將銅填入溝槽，打磨平整。通過這種方法能在芯片上雕刻出長達數公里的線路。
下圖就是芯片中密密麻麻的銅線路的模擬圖。
△鍍膜與銅線路模擬圖（圖片來源：https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel）
最后一步就是封裝了，將滿足封裝要求的芯片打磨過后，用最精細的切割器將制作好的CPU從晶圓上切割下來，貼片焊線，封膠密封。經過測試分選后就能經由各芯片廠進入市場，再送入消費者的手中了。
△封裝（圖片來源：https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel）
以上筆者介紹的只是最粗淺的CPU制作過程，中間需要用到的技術難度是普通人難以想象的，因此，CPU真無愧于人類歷史上最精密的元器件。
我國半導體行業任重而道遠，盡管離美國芯片水平至少有十年的差距，但并不是無法趕上的。國產的存儲芯片已經進入消費級市場，幾乎可以達到世界平均水平，隨之帶來的好處就是消費者市場的存儲芯片價格直線下降與我國的經濟收入的提高。
現在的中國，CPU企業已如雨后春筍一般浮現，正向世界展示中國制造的活力。
CPU模擬圖（圖片來源：Veer圖庫）
參考文獻：
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/21266987
