计算机科学论坛--看看CPU内部结构(尤其是超频的朋友)

[b]看看CPU内部结构(尤其是超频的朋友)[/b]

     使用电脑人几乎没有人不知道CPU，每个人都能说出一些关于CPU的知识。那么你看到过CPU内部是什么样子的吗？本文会用简单的方式，可以让各位一探CPU内部秘密。
    第一部分：CPU的基本结构：
　　我们都知道CPU是什么样子的，可是你知道CPU的内部是什么样子的吗？我们来看下图。

CPU一般包括三部分:基板、核心、针脚
　　如图，目前的CPU一般就是就是包括三个部分:基板、核心、针脚。其中基板一般为PCB，是核心和针脚的载体。核心和针脚，都是通过基板来固定的，基板将核心和针脚连成一个整体。核心，内部是众多的晶体管构成的电路。如上图，在我们的核心放大图片中，可以看到不同的颜色的部分，同一个颜色代表的是为实现一种功能而设计的一类硬件单元，这个硬件单元是由大量的晶体管构成的。不同的颜色代表不同的硬件单元。需要注意的是，在实际的芯片中，并没有颜色的区分，这里只是为了直观，我们才用不同的颜色代表不同的硬件单元。
    第二部分，认识CPU核心的基本单位——晶体管：
　　我们常说到的AMD主流的CPU早期的Palomino核心和Thoroughbred-B核心采用了3750万晶体管，Barton核心采用了5400万晶体管，Opteron核心采用了1.06亿晶体管；INTEL的P4的Northwood核心采用了5500万晶体管，Prescott核心采用了1.25亿晶体管等等，其实指的就是构成CPU核心的最基本的单位——晶体管的数目。如此庞大数目的晶体管，是什么样子的，是如何工作的呢？我们来看下图。

CPU核心内最基本的单位三极管
　　然后将这样的晶体管，通过电路连接成一个整体，分成不同的执行单元，分别处理不同的数据，这样协同工作，就形成了具有强大处理能力的CPU了。那么这些电路是怎么连接在一起的呢。这就是我们要说的铜互连技术(图3)

CPU是以硅为原料上制成晶体管
　　如上图，CPU是以硅为原料上制成晶体管，覆上二氧化硅为绝缘层，然后在绝缘层上布金属导线(现在是铜)，独立的晶体管连接成工作单元。现在采用了多层的铜互连技术。这样传递的信号相互干扰更小，品质更好。反应出来就是CPU的超频能力更强。现在的CPU已经采用了7层铜互连技术，以后还会采用更多层的铜互连技术。
我们看到了上面的采用了铜互连技术的线路设计，就又有一个问题出现了，这么负责的线路，中间是怎么绝缘的呢？现在，我们继续来分析。

在CPU核心内电流从铜互连的导线上流过
　　这就是我们现在常听到一个热门的名词——Low-K(低介电常数绝缘体)工艺。其实这个low－k物质，就是为了在铜互连层进行绝缘的。从图上我们可以看到，在CPU核心内，电流从铜互连的导线上流过，low-k便用来绝缘。那么为什么要采用low－k这种技术呢？原因其实很简单：采用low－k作为绝缘物质，让线间漏电降低，使芯片的发热量低。目前大部分0.13微米制程产品都采用性能较低的FSG氟化玻璃介质作为绝缘层。这种芯片的发热量，远比采用low－k工艺的芯片发热量高。
　　胆是由于Low-k技术的芯片质地较脆，在芯片封装上需要较高工艺。原来计划在0.18微米制程当中就计划采用低介电常数绝缘体Low-k技术，但是直到0.13微米制程开始成熟。由于Low-k技术的芯片质地较脆，在芯片封装上需要较高工艺，所以一直以来都受到良品率的困绕。不过现在low－k工艺已经基本成熟，配合先进的制程，降低了发热，便可以做出频率更高的CPU来。
    第三部分，CPU使用中2个问题的解释：
　　对于CPU来说，我们很多读者都关系两个问题：CPU超频和CPU寿命。这里我们就对读者朋友疑问较多的这两个问题，进行一点简单分析。
　　关于CPU的超频：CPU为什么可以超频呢？什么影响着超频的能力呢？
　　我们知道，CPU的制造过程就是用激光在晶圆上蚀刻电路。所谓蚀刻就采用一定波长的紫外透过掩膜(掩膜，相当与我们洗相片时候用的底版)后照射在硅晶圆上，将掩膜上的电路图像完整地复制到硅晶圆上。蚀刻过程中关键是所使用的紫外线的波长和晶圆的质量。波长越短的紫外线干扰和衍射现象就越不明显，晶体管就可以实现越小的线宽。
　　晶圆纯度越高直径越大，所生产的芯片性能越好良品率就越高。硅晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数是呈上升趋势。同时纯度越高，所生产出来的芯片瑕疵越少，频率越高。

晶体成型，切片，刻蚀电路是制造处理器必须的过程
　　这里我们就可以看出来，在CPU激光蚀刻过程中是不分频率的，也就是说都是按照同样的工艺生产的。但是在生产过程中，会出现较完美的芯片，和有瑕疵的芯片。
　　然后还要经过筛选标注的过程。就是按照不同的芯片的质量，优秀的标注为高的频率的产品，有瑕疵的为了稳定，标注为频率较低的产品。
　　CPU的标注过程也是一个严格的检测过程。由于受到晶圆纯度和加工过程中不确定因素的影响，不可能所有的CPU都是按照设计生产出来的完美的产品。这就需要把产品按照实际性能的高低区分开来。这就需要严格的检测。CPU的稳定性检测是很严格的，其测试环境是相当苛刻的。通过大量的繁杂的多任务运算对CPU的稳定性进行全面的测试。这样选择一个保守的，能全部稳定通过所有严格测试的程序的频率，然后进行产品标志。这就是我们看到的CPU的频率。而我们日常的使用中，可能使用几年也不会出现这么繁重的多任务使用环境，所以即使进行了超频，也还是稳定的。这就是几乎所有的CPU都可以进行超频的原因所在。因为厂商已经为了稳定性的考虑，留了一部分频率提升的空间。
　　此外，还有一种情况是将同一批次生产的高频版本中的一些CPU标注为低频版本。这大多发生在新工艺采用的初期，产能不足而不得已采用的方法，量不会太大，这就是所谓的超频极品。
　　谈到了这里，我们也可以看出来，其实影响超频能力就是制造工艺。只要工艺提高了，超频能力自然也就高了。
超频后对CPU寿命的影响：
　　超频对CPU的寿命是有影响的，这一点勿庸置疑。现在我们来分析一下，超频对CPU的频有何影响。在实际的超频过程中，我们都会提高电压，适当的提高电压，可以使晶体管中处理的信号更清晰，晶体管开关速度更快。但是过高的电压会将晶体管击穿，这就是我们常说的烧毁。同时高的电压，会引起发热的增加，发热带来的长期不良的影响就是我们常说的电子迁移。

超频对CPU的影响
　　电子迁移就是电子的流动导致的金属原子迁移的现象。在芯片内部，电流强度很高的金属导线上，电子的流动给了金属原子一个动量，累积到一定的时候，金属原子便会脱离金属原子间的引力，随着电流到处流动。这样就导致了核心线路表面形成空洞或小丘。这是一个不可逆转的永久的伤害，即使它是个缓慢的过程。当积累到一定的时候，便会形成核心内部电路的短路，于是芯片就报废了。这个过程，类似与流水冲刷河床，一点点的搬运石块，最后很有可能阻断了河道。
　　可以说在CPU芯片内部，电子迁移是一直存在的，只是正常使用情况下，由于是个漫长的影响过程，所以在正常的使用过程中，我们可以忽略电子迁移对芯片寿命的影响。但是超频带来的高温，使得金属原子的电子迁移大大加强。
　　我们知道温度的升高会自由电子的动能大大增加，对金属原子的碰撞也更频繁和强烈。同时，随着温度的增加，金属原子也会变得活跃，过度活跃就会带来两种结果，一种是原本狭小的引线会因为金属原子的离去而断路，或者在线间绝缘处堆积而形成线间短路。
　　温度越高，电子迁移现象就越容易发生，高温会增加电子运动和金属原子热运动的活跃程度，如此一来即便是超频之下系统仍旧稳定，但是工作在极限的处理器很有可能在稍微波动的电压中灰飞烟灭，因为不论是内部的短路或者断路，都将影响处理器的逻辑运算功能。
　　所以超频带来的高温，不仅影响着CPU工作的稳定性，还在逐渐的缩短着CPU的寿命。所以，我们提倡：根据芯片体质，适度超频。不可追求极限频率，这样对我们的CPU来说，是大大有害的，同时注意做好散热工作。


	W 3 C h i n a ( since 2003 ) 旗下站点苏ICP备05006046号《全国人大常委会关于维护互联网安全的决定》《计算机信息网络国际联网安全保护管理办法》	56.030ms