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第14章 新设计与试流片

(前排提示,上一章有新增的修改,修改之前看了的读者大大可以重新看一下)

林科就纳闷了,自己有惹到这位老兄吗?看着自己明明一脸不屑却极力控制表情的样子。

但是当韦斯顿仔细看了看计划书中的设计图后,突然一脸惊讶的样子,一只手颤抖着从衣袋里掏出放大镜仔细观察布线。

“不到1万晶体管的规模竟可以做到这样的程度,真是不可思议!”

韦斯顿翻到后面,又是一个IC布线图,但是规模明显比处理器核心要小,规模是1200个晶体管,但是频率却与处理器核心相同,这让韦斯顿有些纳闷。

这个也是处理器?但是为什么它的规模比之前的处理器小频率却相同呢?

“FPU集成在处理器内部,提高效率,嗯,这是怎么想到的!”

但是当韦斯顿反应过来的时候,顿时赞叹起来,结合一旁的说明,这分明就是一个FPU(浮点运算单元)啊!集成在处理器中的FPU!

这个FPU集成在处理器内部,与处理器核心处于同一片晶片上,能够迅速接收到处理器所发出的指令,并告知处理器如何进行浮点数运算。

打个比方,没有集成FPU的处理器就如一名做计算题不会简算的学生,他在做计算题时的每一步都需要进行精确的分析,一步步完成,并且直到当前的运算结果被准确到小数点后多少位时才会做下一步骤。

而外置FPU的处理器就相当于有一名数学老师在这名学生旁讲解,这名老师不厌其烦的给学生指出计算过程中的技巧,即使学生自己不会简算也可以按照老师的指点去一步步做,实现解题过程的简化。

那么内置FPU的处理器就相当于一名会简算的学生了,他自己懂得简算的方法,可以很熟练的把解题过程中的步骤简化,通过技巧很快的得出答案,由于没有老师指点学生时所产生的延迟,这将明显提升解题速度。

继续向后看,是单独列出的关于CPU流水线技术的设计,目前CPU流水线技术已经在微处理器中得到了应用,例如mos6502,其内部就拥有1级流水线的深度,有一个流水线。

因而从总体上看CPU流水线加快了指令流速度,缩短了程序执行时间,从而提高了运算速度,使20美元白菜价的6502的性能超过了动辄数百美元的同级别微处理器,成为了运用范围最广泛的微处理器之一。

这颗处理器内部集成的也是1级流水线深度,却拥有四个流水线,能够使处理器内部的指令流速度更快,明显提升了运算速度。

然后就是关于处理器核心L1(一级缓存)的设计图了,L1主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾,而且在处理器中的缓存使用的是SRAM内存,SRAM内存不需要像DRAM每隔一段时间刷新电路,因此拥有比DRAM内存更快的速度。

但它的缺点也是很明显的,相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积,但SRAM在相同的容量下却需要更大的体积。

这个L1又是一个新东西,相比以往的微处理器中所集成的指令缓存器,这个L1同时拥有两个模块,分为一级数据缓存(Data Cache)与一级指令缓存(Instruction Cache)。

并且有更大的容量,达到了512B数据缓存与512BμOps指令缓存的大小,即可以缓存0.5KB数据与500条解码后的微处理器指令。

因此,这个代号为Rex的16位处理器采用了精简化的CISC设计,内部集成了NEO+65XX双指令集,处理器核心FPU,前沿的流水线技术,以及L1缓存组合,3.2MFLOPS的性能。

一旦制造出来后缩水范围控制在合理范围的话,直接就可以吊打目前市面上所有的微处理器了,最强微处理器没有之一。

韦斯顿的嘴到现在就没合上过,是被设计图给惊讶的。

“颇有功力,请问这份设计图是哪位大师的作品?”

韦斯顿看了半天,才点点头然后问到。

“大师不敢当,这正是我设计的。”

看着韦斯顿期待的目光,林科微微一笑然后说道。

“什么?”

“这是你设计的!”

皮特与韦斯顿同时表示了震惊,面前这个小子年纪轻轻居然设计出了这样强大的微处理器,自己竟然没有听说过他的大名。

“先生们,我认为现在应该把时间用在有意义的地方,例如给它开个掩膜版,不是吗?”

林科拍拍手,示意还处于呆滞状态的两人。

“对,既然有设计图那就开个掩膜版,在见到实物之前我可不信真的有这么厉害。”

韦斯顿又恢复了一脸冷淡的表情,对,从不屑变成冷淡了。

“老板你别在意,韦斯顿平常就是这个样子。”

皮特开始后悔叫来韦斯顿了,你说你跟新老板这么不对付,到底还想不想混了啊。

“没事,我理解,实践出真知。”

林科本人表示没什么,皮特自然也不好说什么,只好瞪了韦斯顿一眼来提醒他。

“我这就叫人来做掩膜版,希望它真的有这么强大的性能。”

韦斯顿总算没有继续怼老板了,而是带着计划书快步朝设计室而去。

“老板,真的要专门给这个芯片开掩膜版吗?”

皮特惊讶地说道,他还以为是玩笑话呢,没想到转眼都要开掩膜版了。

掩膜版的造价可不便宜,一般都是在确定要大批量生产后才会开模,尤其是掩膜版直接影响了光刻机所蚀刻出的图形质量。

而由于良品率要求极高,对质量的要求十分苛刻,其产量一直无法提升导致成本居高不下,是芯片制造成本中最高的环节,可以说一块好的掩膜版直接影响了芯片的良品率与性能。

并且掩膜版是一次性消耗品,每次光刻都需要对应的一块掩膜版,在光刻后掩膜版表面的材料与图形将会被磨损,需要更换新的掩膜版才能够继续光刻。

“当然,我来这里的目的之一就是生产一批实验流片进行验证。”

林科回答道,然后在皮特的带路下一行人也朝着设计室走去。

这件设计室可真够大的,有200多平方米了。

韦斯顿正在通过扫描仪将设计图录入小型机中,林科看了一眼,不是IBM生产的,但是占地的空间非常大,估计有四五平方米。

屏幕上显示的画面是正在根据所扫描的图形构建电路图,这个过程CAD会自动进行多次扫描,不断对图形细节进行修正,以使其符合CAD的图形标准。

录入设计图可不是把图纸扔进扫描仪就行了的,但因林科所画的设计图本身的质量比较高,并且画在扫描仪专用的纸张上面,因此才免去了许多额外的流程。

在将设计图上的图形录入CAD后,一旁的设计人员开始根据图纸所标注的比例修改线宽与线条长短,以使图形数据与设计图保持一致。

等待的过程是漫长的,林科与韦斯顿就一些技术方面的问题探讨起来,对韦斯顿所提出来的问题林科对答如流,让韦斯顿暗暗心惊,林科的知识储备大大超过了他的预期。

因此韦斯顿对林科的态度也由冷漠来了个大转弯,开始将林科作为晚辈看待,语气也不是那么毫无感情的了。

将图形数据修改完毕后,输出到与小型机相连的图形发生器上,开始将版图数据分层转移到各层光刻掩膜版(为涂有感光材料的优质玻璃板)上,这就是制版。

林科一行人到车间旁的总工室观察着制作流程,萨那则表示没有多大兴趣。

制版的过程在专门的车间进行,全程要求在处于无尘环境中,图形发生器需要有专业的操作人员进行操作。

设备对版图的数据分层是自动完成的,但需要操作人员手动控制每次数据分层时的水平方向,并且监控设备内部工作环境是否安全。

一切正常的话,一块合格的掩膜版就这样生产出来了,然后就可以用于光刻机进行光刻。

第一块掩膜版在完成合成后还散发着热量,在经过仔细的检验后确认合格。

这块带有Rex版图的掩膜版经过传送带被传送到了对面的10微米工艺的2英寸集成电路生产线前,早已等候在一旁的工人操纵机械钳将掩膜版抓起后安置在光刻机外部的接口处。

光刻机自动将掩膜版吸入并安置在光刻区域上方,开始扫描掩膜版上的版图,然后将其对准在曝光区域,随着一片2英寸的晶圆安置在光刻区域,被开始供电的曝光系统发出了波长稳定的紫外光,透过掩膜版照射在晶圆表面,进行芯片影印。

掩膜版在这时就发挥了作用,可以遮蔽晶片上不需要曝光范围的紫外光的干扰,而被紫外线照射的地方则光阻物质溶解。

蚀刻是微处理器生产过程中的重要操作,使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头,短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上,使之曝光。

在工人的操作下对晶片的蚀刻工序不紧不慢的进行,精确的蚀刻未被遮蔽的区域。

接下来停止光照并移除遮罩,使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜,以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

然后,曝光的硅将被原子轰击,使得暴露的硅基片局部掺杂,从而改变这些区域的导电状态,以制造出N井或P井,结合上面制造的基片,微处理器的门电路就完成了。

还需要为加工新的一层电路,而再次通过释放催化剂生长硅氧化物,然后沉积一层多晶硅,涂敷光阻物质,重复影印与蚀刻的过程,以得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽形状的结构。

重复多遍,形成一个立体的结构,这才是最终的微处理器核心,每几层中间都要填上金属作为导体,Rex蚀刻出了4层。

而举个例子,如Intel的Pentium 4处理器有7层,AMD的Athlon 64则达到了9层,层数决定于设计时微处理器的布局,以及通过的电流大小。

这时的微处理器还是晶圆状态,还不能直接使用,必须将它封入一个陶瓷的或塑料的带针脚的封壳中,这样它就可以很容易地装在主板之类的电路板上了。

封装结构各有不同,但越高级的封装也越复杂,新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升,并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

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