計算機芯片

芯片，準確地説就是硅片，也叫集成電路。它是微電子技術的主要產品。所謂微電子是相對"強電"、"弱電"等概念而言，指它處理的電子信號極其微小，它是現代信息技術的基礎。計算機芯片是一種用硅材料製成的薄片，其大小僅有手指甲的一半。一個芯片是由幾百個微電路連接在一起的，體積很小，在芯片上佈滿了產生脈衝電流的微電路。計算機芯片利用這些微電流，就能夠完成控制計算機、自動化裝置制和其它各種設備所需要的操作。計算機芯片內的電路很小，它使用的電流也很小，所以也稱芯片為微電子器件。微型計算機中的主要芯片有微處理芯片、接口芯片、存儲器芯片 ^[1]  。

1950~1960 年的空中競爭非常激烈。美國為了在飛船有限的空間內做更多的事要求設備的體積小而再小，以便在很小的空間內能裝更多的電子設備，從而發展芯片。許多生產者很快利用芯片體積小，消耗電流少的優點，進一步生產了微型計算器和微型計算機。

自從第一台電子管計算機發明後，1974 年，三個美國科學家巴丁、肖克萊和布拉坦發明了晶體管。最早的晶體管是用鍺半導體制成的，後來才使用硅半導體晶體管。大約1953年晶體管才開始用於計算機。

1958年在美國得克薩斯儀器公司工作的美國人傑克吉爾比提出將兩個晶體管放在一片芯片上的設想，從而發明了第一個集成電路。隨着技術進步，集成電路規模越來越大，功能越來越強。

自從1958年發明芯片以來，芯片發展非常迅速，仍在繼續發展。每當出現一個新的自動裝置或功能更強的計算機，多是由於研製出了新的功能更強的芯片。計算機生產者們一直在努力製造功能更強的芯片，來提高芯片的集成度和工作速度。

1、1971年，英特爾公司推出了第一枚微處理器——4004芯片；

意義：開始了人類將智能內嵌於電腦和無生命設備的歷程，標誌着電腦芯片技術從此開始騰飛。

2、1974年，英特爾公司推出了劃時代的處理器，Intel 8080；

特點：採用複雜的指令集以及40管腳封裝，其功能是8008的10倍，每秒能執行29萬條指令。

3、1993年，具有里程牌意義的Intel Pentium處理器正式發佈；

意義：宣佈個人電腦開始進入多媒體時代。

4、1998年，英特爾發佈了Pentium II Xeon處理器；

設計：Xeon主要設計來運行商業軟件、因特網服務、公司數據存儲、數據歸類、數據庫、電子，機械的自動化設計等。

5、2003年3月，英特爾發佈一種完整的計算機解決方案——迅馳移動計算技術。

芯片的襯底材料是具有 n-或 p-型的輕摻雜質單晶硅層。它起兩個作用，一是作為在其上面和內部製造集成電路的物理介質，另一作用是作為電路本身的一部分，構成芯片核心的半導體電路和微型晶體管通過沉積或刻蝕直接構建在單晶硅表面上。

芯片的工作速度與芯片內電路之間信號傳送路程的長短有關，路程越短速度越快，反之則越慢。芯片的工作時間單位是以納秒計量的。

芯片中的電路越緊密地擠在一起，芯片的工作速度越快，而且由於更多的電路被設計在同樣面積的硅片上，芯片的功能更強。實際中芯片所做的工作都是由晶體管完成的。芯片的代碼用兩種信號表示，即電壓信號代碼。它包括兩種狀態，被分別稱為高電平和低電平狀態，也可以用數字表示這兩種信號，即用“1”表示高電壓信號，用“0”表示低電壓信號（“1”和“0”在二進制代碼中叫做“位”(bit, binary digits 的縮寫)）。這兩種狀態分別用 VIH 和 HIL 兩個電壓域值表示，且 VIH>HIL。VIH 被稱為高邏輯閥，HIL 被稱為低邏輯閥。如果某節點電壓 V 滿足不等式 V> HIL ，則認為該節點處於高狀態，而如果V<VIH ，則為低狀態。如果一個節點 的電壓 V 滿足不等式 HIL<V<VIH ，則狀態不確定。

芯片電路中由於晶體管的導通與斷開而產生的一串電信號，也叫做信號流。信號流可以用來表示數字、字母和其它各種信息的代碼 ^[2]  。

要在大約 5 平方毫米的薄硅片上製作數百個電路，需要非常精密的生產技術。芯片上的元件是用微米測量的，定位時的精密度為 1-2 毫米。芯片是在超淨化的工廠內，使用由具有專門技術的計算機控制的機器製造的。在製造過程中需要用高倍顯微鏡對芯片進行觀察。

製造芯片時，將元件和電路連線置於硅片的表面和內部，形成 9-10 個不同的層次。在真空中生成圓柱形的純硅晶體，然後將其切成 0.5 毫米厚的圓片，將圓片的表面磨得極其光滑。利用存儲在電子計算機存儲器裏的電路設計程序，為芯片的各層製造一組“光掩模”，這種掩模是正方形的玻璃。用照相處理的辦法或電子流平板印刷技術將每一層的電路圖形印在每一塊玻璃掩模式上，因而玻璃僅有部分透光。當上述圓片被徹底清洗乾淨後，再放入灼熱的氧化爐內，使其表面生成二氧化硅薄絕緣層。然後再塗上一層軟的易感光的塑料（稱為光刻膠或光致抗蝕劑）。將掩模放在圓片的上方，使紫外線照射在圓片上，使沒有掩模保護的光刻膠變硬。用酸腐蝕掉沒有曝光部分的光刻膠及其下面的二氧化硅薄層，裸露的硅區部分再做進一步處理。

用離子植入法將摻雜物摻入硅中構成元件的 n 型和 p 型部分，在硅片上形成元件。此時硅片上部是鋁連接層，兩層連接層之間被二氧化硅絕緣層隔開。鋁連接層由蒸發工藝生成，有掩模確定它的走線。

當整個製造過程完成以後，使用電探針對每一個芯片進行檢驗。將不合格的產品淘汰，其它產品進行封裝後在不同温度及環境條件下的檢驗，最終成為出廠的芯片。