电脑cpu如何快速了解（电脑硬件知识科普第02课）
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本篇内容结构如下：
CPU是电脑的核心，是集成电路时代的工艺集大成者，也是目前政府和一些企业投入巨大人力和物力资源研发的项目。然而，“冰冻三尺，非一日之寒”，时至今日，商用电脑CPU的供应仍牢牢掌握在Intel和AMD两家美国公司的手里。
本篇将主要从CPU的制造过程、主要品牌、性能指标、产品规格等角度，简要介绍CPU的基础知识。
1. 概述中央处理器(英文Centeal Processing Unit,简称CPU)是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心(Control Unit)。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
下图所示为CPU的顶部。
CPU的顶部有个镀镍的银色盖子保护里面的核心
下图所示为CPU的底部
CPU的底部布满了电源引脚和陶瓷电容
简单来说，CPU是电脑的大脑，负责处理所有数据。对于电脑而言，CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。
2. 制作过程CPU中绝大部分芯片都是从沙子中来的。沙子变成CPU要经历制作晶圆-前工程-测试晶圆-后工程-：筛选分装这5个大的流程。细化之后又可以分成18个比较小的步骤，如下图所示。
CPU的制作过程
流程1-制作晶圆晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆，如下图所示；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能的集成电路产品。
Intel公司展示其应用晶圆
晶圆的原始材料是硅元素。硅元素在地球上的储量仅次于氧元素，有数据显示地球的硅元素含量在28%左右。而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在。
因此，像沙漠这种能大量提供沙子的地方已经成为了优质硅元素的重要来源。
沙子的主要成分是二氧化硅，CPU要用到的只是其中的硅元素，即单晶硅。硅提纯这一步的主要目的就是从沙子中将硅元素熔炼、提纯出来。
这一步看起来简单，实际难度很大。目前主要的提纯手段是将二氧化硅与焦煤置于1600-1800℃的环境中，将二氧化硅还原成纯度为98%左右的冶金级单质硅，紧接着使用氯化氢继续提纯出99.99%的多晶硅。
虽然此时的硅纯度已经很高，但是其内部混乱的晶体结构并不适合半导体的制作，还需要经过进一步提纯、形成固定一致形态的单晶硅。目前，整个芯片行业对硅晶体的纯度要求达到了惊人的99.999999999%，这个数据一点都不夸张，因为硅晶体中的任何一点杂质都会影响一整块单晶硅的品质。
步骤2：制作硅锭第一步中提纯出的单晶硅性状比较稳定，这里可以类比一下同族元素中的碳元素。我们知道碳在自然环境中形成的稳定晶体是钻石，单晶硅晶体也是同理。目前制备单晶硅锭的方法主要是直拉法。在高温液态化的硅元素里加入籽晶，提供晶体生长的中心，慢慢将晶体向上提升，上升同时以一定速度绕提升轴旋转，以便将硅锭控制在所需直径内。结束时，只要提升单晶硅炉温度，硅锭就会自动形成一个锥形尾部，单晶硅锭的制备就完成了。
单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999％。
步骤3：切割硅锭这一步会把制备完成的硅锭切割成1mm厚的圆片，也就是平常所说的晶圆(Wafer)。由于单晶硅性质稳定，所以切割工具用的是金刚石锯，也就是钻石锯。
切割完成的晶圆上会产生一个缺口，其有两个作用：一是为了定出晶圆的晶体学取向，二则是为了运输拆卸方便。
由于切割出的晶圆表面依然不光滑，所以需要经过仔细研磨来减少切割时造成的凹凸不平的表面。研磨的时候会用到一些特殊的化学液体来对晶圆表面进行清洗，最后抛光。到这一步为止晶圆的制备就算完成了。之后晶圆会被装进特殊的盒子里密封保存运输。
通常，芯片厂商并不会自行制备晶圆，而是直接采购晶圆厂的产品进行芯片的制作。
直拉法制造晶圆的过程
流程2-前工程前工程整个流程的目的是为了在晶圆之上制作出带有电路的芯片。研磨完成的硅圆片在经过质检后可以直接投入产线进行生产。
步骤5：涂抹光刻胶硅圆片经过检查筛选无误后就会投入产线中进入涂抹光刻胶（感光树脂，在受到光线照射后发生化学反应）的环节。
这一步会将先将光刻胶滴到晶圆上，通过高速旋转涂抹使光刻胶变成均匀一致的薄膜覆盖到晶圆上，之后控制温度将光刻胶进行固化。
紫外线照射即光刻工艺。整个CPU的制作环节中，这一步是最复杂，成本最高的。这一步的原理是让紫外线通过预先设计好的电路图案模具，然后改变晶圆上光刻胶的性质，达到电路图的复制。
这里顺便提一点：由于用于紫外线照射的光刻机的制造和维护都需要非常高的技术储备，因此光刻机也被称为世界上最精密的仪器，如下图所示。目前世界上掌握光刻机制造技术的厂商只有寥寥几家。在这些厂商中，荷兰光刻机制造商ASML(中文名为阿斯麦)举足轻重。阿斯麦的超高端光刻机每年产量只有2到3台，售价以亿美金为单位。
这一步的目的是溶解经过紫外线照射的光刻胶。由于电路图案部分的光刻胶已经发生了化学性质变化，因此可以溶解在喷射到晶圆上的强碱性显影液里，而未被照射的部分则会完整保留下来。
溶解完成后的晶圆经过冲洗、热处理之后就会进入到下一环节。
步骤8：蚀刻将晶圆放置到特殊的蚀刻槽内，通过药剂的腐蚀作用将暴露在药剂中的晶圆进行蚀刻。蚀刻的过程中会在蚀刻槽内加入超声波震动，帮助去除晶圆表面的杂质，放置在蚀刻的过程中造成不均匀的现象。
蚀刻完成后，整个晶圆的首层电路图就已经完成了。在这之后需要通过等离子体对晶圆表面的光刻胶进行去除，以便保留完整干净的、带有首层电路的晶圆。
因为目前的芯片晶体大多采用FINFET(Fin Field-Effect Transistor)工艺，所以单层处理渊源制作不出所需要图案，因此要不断重复涂胶-光刻-溶解这一步骤，并且在这个过程中穿插各种成膜（绝缘膜、金属膜）工艺，才能最终获得所需要的3D晶体管结构。
因为蚀刻完成的晶圆还不具备芯片所需的电气性质，所以这一步的目的是将特定的元素强行注入到晶圆内部，以便控制内部导电类型。为了达到这一目的，目前广泛应用的技术是离子注入法。
在离子注入机中，将需要掺杂的导电性元素导入电弧室，通过放电使其离子化，经过电场加速后，将离子束由晶圆表面注入。离子注入完毕后的晶圆还需要经过热处理，一方面利用热扩散原理进一步将导电元素“压入”晶圆中，另一方面恢复晶格完整性，活化注入元素的电气特性。
经过这一步骤后，晶圆内部的某些硅原子已经被替换成了其他原子，从而获得了能够产生自由电子或者空穴的性能。
最后，清理掉晶圆上的光刻胶就可以进行下一步处理。
步骤10：绝缘层处理到这一步，晶体管的雏形已经基本完成了。此时需要利用气相沉积法在硅晶圆的表面沉积一层氧化硅薄膜，形成绝缘层。之后利用光刻技术在不同电路层之间开孔，引出导体电极。
这一步的目的是将铜均匀沉积到绝缘层上，下一步可以直接在铜层上进行布线。利用溅射沉积法完成铜层的沉淀后，再次利用光刻机对铜层进行雕刻，形成场效应管的源极、漏极、栅极。最后，在铜层上沉积一层绝缘层。
经过以上一系列漫长的过程之后，芯片的晶体管结构已经制作完成，下面主要目的就是将晶体管连接起来。构建连接电路的过程相当繁复，也需要经过铜层沉积-光刻-蚀刻开孔-沉积绝缘层等步骤，而且这一系列步骤还要重复多次，最终形成非常非常复杂的多层电路网络。
由于现在的集成电路中基本都会涵盖非常多的精细化原件和庞大复杂的电路，所以实际上最终完成的电路结构会高达几十层，微观结构的复杂程度不亚于一座大型城市的交通、电力、给排水网络。
到这一步为止，芯片电路已经基本完成。经历了数百道精密加工的晶圆已经具备了化身为CPU的条件。需要强调的是在这个过程中任何一道工序出错都会导致整片晶圆的报废。在如此微观的世界中构造出数十亿个晶体管，不夸张得说一句，这可以称得上是人类所有智慧的完美结晶。
流程3-测试晶圆步骤13：G/W检测G/W检测全称Good-Chip/Wafer检测，目的是检测晶圆上的每块芯片是否合格。通常情况下这一步会使用探针接触集成电路的电极焊盘，然后在探针中输入预先编好的输入信号，通过检测输出端的信号来确定芯片是否合格。
通过G/W检测的晶圆(如图1-6所示)会进入到切片阶段。
依然是使用覆盖了金刚石颗粒的圆锯（厚度仅有0.02毫米）对晶圆进行切割。切割下的每一块晶圆（指甲盖大小）都是一个单独的CPU内核。这个过程中会有不少外观破损的芯片，难以补救，这些芯片会被直接丢弃。
切片后的晶圆，如下图所示。
切割完成的芯片就是我们通常讲的CPU内核，因为是晶圆状态所以无法直接使用，需要经过这一步装片过程，把内核固定到基片电路上。
内核装片固定的过程全程都会交给计算机控制的自动固晶机来实现。
步骤16：内核装片固定这一步的目的是将装片固定好的芯片跟封装基板上的触点一一对应，实现电气连接。通俗来讲，封装应该是给芯片内核安装一个能够被其他配件使用的外壳。这个外壳并不仅仅提供固定作用，同时还可以保护芯片、增强散热。以Intel为例，其CPU目前大都采用LGA封装，在CPU核心上涂抹硅脂后，再加上金属后盖以达到增强散热、避免挤压的目的。
至此，：一枚崭新的CPU正式诞生。
CPU诞生后，面临的将是一系列全面且复杂的测试过程。这一过程会测试出每一片CPU的稳定工作频率、功耗、发热情况，如果在测试过程中能够发现CPU的一些硬件方面的缺陷，厂商就会采取硬件屏蔽措施来对新的CPU进行处理(缩减性能，俗称“阉割”)。这一步完成之后，就把CPU正式分为不同等级类型。我们平常的所说的i7、i5、i3就是这么区分开的。
CPU完成等级筛选之后，就回最终进入装箱包装的环节，进入各种渠道进行销售。通常讲的盒装CPU就是零售渠道的产品。
而针对大企业客户（如联想、戴尔、惠普等主机厂商），CPU厂商会使用大宗包装（工包）的方式出货来节省单个包装带来的成本增加，这类CPU通常会被划归到“散片”这一类别。
从源头来讲，“盒装”和“散片”两类CPU是同根同源，区别在于部分商家拿到“散片”产品之后会进行进一步筛选，高价卖出表现优异的CPU，而将性能稍差的CPU通过其他手段进行销售。这样的做法也就难以保证“散片”CPU都是全新，都是未经过筛选的产品。
3. 主要品牌目前，生产台式电脑CPU的厂商有两家：AMD和Intel(都是美国公司)，其各自都推出了主要系列品牌。
3.1 Intel英特尔(Intel)是美国一家主要以研制CPU处理器的公司，是全球最大的个人计算机零件和CPU制造商，它成立于1968年，具有近50年产品创新和市场领导的历史。1971年，英特尔推出了全球第一个微处理器。微处理器所带来的计算机和互联网革命，改变了整个世界。
Intel公司CPU产品可以分为赛扬（Celeron）、奔腾（Pentium）、至强（Xeon）、酷睿（Core）等4个系列。
赛扬系列是Intel最低端的处理器，是Intel早期在低端处理器市场主打的品牌。
奔腾系列总体比赛扬强，作为其x86处理器品牌之一，于1993年推出。
至强系列实际上不属于台式机处理器，而是服务器处理器，所以它是这里所介绍四个系列中唯一不配备核心显卡的Intel处理器，按性能划分为E3、E5、E7等型号(依次增强)。
核芯显卡是智能图形核心，它整合在只能处理器中
酷睿(Core)酷睿系列是英特尔公司推出的面向中高端消费者、工作站和发烧友的一系列CPU。酷睿替代了曾经是中高端的奔腾（Pentium），将奔腾移至入门级，并将赛扬（Celeron）处理器推向低端。同代Core i系列中，数字越大，性能越强。i9最强，i7、i5次之，i3最弱。
AMD即美国AMD半导体公司。该公司成立于1969年，专门为计算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处理器（CPU、GPU、APU、主板芯片组、电视卡芯片等)，以及提供闪存和低功率处理器解决方案。
AMD公司面向个人台式电脑领域的CPU产品最常见的是锐龙、AMD FX、APU、速龙和闪龙系列，一般认为他们的性能依次减弱，锐龙最强，随后分别是AMD FX、APU和速龙，闪龙最弱。
闪龙系列用以取代钻龙（Duron）系列处理器及与英特尔公司的赛扬（Celeron）处理器竞争。但截至2017年第一季度，闪龙被赛扬远远抛离，销量很低。
速龙系列于1999年6月23日首次亮相。Athlon来自希腊语“athlos”，意为“比赛”。 由于速龙系列在市场上大获成功，后来AMD公司大量使用Athlon来命名旗下的处理器，包括Athlon XP、Athlon 64、Athlon X2和Athlon II等。
AMD的Athlon与Intel的Pentium系列竞争。
APU(Accelerated Processing Unit)APU以前称为Fusion ，是来自AMD的一系列64位微处理器的营销术语，该系列处理器在单个芯片上集成了CPU和GPU。AMD于2011年1月宣布推出第一代APU，Sony PlayStation 4和Microsoft Xbox One 第八代视频游戏机都使用半定制的第三代低功耗APU。
AMD APU和英特尔的集成高清显卡的CPU在架构上非常相似，但APU的性价比远远高出英特尔同类产品。
AMD FXAMD FX是AMD开发的x86桌上型处理器，是Bulldozer微架构的正式产物之一，于2011年9月19日正式上市。2017年由AMD Zen微架构的AMD Ryzen系列取代。
锐龙系列是AMD开发并推出市场的x86微处理器品牌，AMD Zen微架构的微处理器产品之一，于2017年3月上市贩卖。
Ryzen系列的Ryzen3、5和7分别对标英特尔的同类产品Core i3、i5和i7，AMD多年来首次对市场领头羊英特尔发起挑战。根据《PCWorld》和《Anandtech》等商业出版物进行的独立测试，已上市的Ryzen5和7已经取得不俗的成绩。其性能指标足以对Intel处理器产品造成威胁。
4. 性能指标CPU性能指标(The CPU Performance index)主要取决于其主频和工作效率。
下面以Intel® Core™ i7-7700K这款CPU为例进行介绍(AMD与Intel类似)。
Intel® Core™ i7-7700K性能指标
4.1 处理器基本频率（主频）什么是主频
CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。
主频的单位主频的单位是MHz或GHz，意思是CPU每秒跑几“百万次”（MHz）或“十亿次”（GHz）。
主频的作用主频是比较同一系列内的芯片性能的唯一方法。
CPU内部是一个个的运算单元，像小型计算器那样可以算一些加减乘除，而所谓的「跑一次」，就是CPU内部所有单元做一次动作，执行某些运算，2GHz的CPU就代表它可以每秒做20亿次的动作。
因此，主频越高，CPU的运算速度就越快。而这也是划分同代CPU产品定位的第一标准。
主频的作用不同核心的CPU主频不能混在一起比较，因为它们“跑一次”所做的事并不一定相同，这就是所谓的“时钟周期”（Clock Cycle）。例如过去Intel Pentium 4系列CPU主频为2GHz、3GHz，而Intel后来推出的酷睿系列Core 2 Duo之后主频就变成只有1GHz、2GHz，可是事实上Core 2 Duo系列的效能比Pentium 4系列好太多了。
4.2 内核数(核心数量)内核数是一个硬件术语，它表示单个计算组件（或芯片）中的独立中央处理器的数量。
一般情况下，内核数越多，CPU的性能越强。
4.3 线程数线程或执行线程是一个软件术语，指代那些可由单核 CPU 传递或处理的基本有序指令序列。CPU支持的线程数越多，说明它的性能越强。
4.4 最大睿频频率睿频指的是当启动一个运行程序后，CPU会自动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升 10%~20% 以保证程序流畅运行的一种技术。这样既保证了CPU能源的有效利用，又使程序速度大幅提升。
最大超频频率表示在环境允许CPU进入超频模式时，可以达到的最高频率。
4.5 缓存CPU缓存(CPU Cache)是其处理器上的一个快速记忆区域。通常性能越强的CPU，也会搭配更大的缓存。
关于缓存更多的资料请阅读：CPU缓存的作用
4.6 TDP(功耗)热设计功耗（英语Thermal Design Power，缩写 TDP，又译为散热设计功率）的含义是当芯片达到最大负荷的时候(单位为瓦（W）)热量释放的指针，是电脑的冷却系统必须有能力驱散热量的最大限度，但不是芯片释放热量的功率。
在两款CPU其他参数相同的情况下，TDP越低的CPU表示其发热更低，效率越高。
但CPU总功率≠TDP，很多人在计算电脑主机所需总功率时，常常把TDP当做CPU总功率，这是不正确的。
5. 产品规格
CPU性能指标的产品规格包括其插槽类型、制程工艺、核心显卡规则等，下面仍以Intel® Core™ i7-7700K这款CPU为例进行介绍。
Intel® Core™ i7-7700K产品规格
5.1 接口类型CPU的接口是能实现处理器与主板之间机械和电气连接的组件。不同CPU系列使用不同插槽，同时也需要搭配不同的主板。
FCLGA 1150和FCLGA 1151接口对比
自从Intel和AMD各自推出自己独有的CPU接口以来，总计有几十种之多。
5.2 制程工艺(光刻)在制作CPU的过程中光刻步骤又常被称作制程，指用于生产集成电路的半导体技术，采用纳米 (nm) 为计算单位，可表示半导体上设计的功能的大小。制程工艺的数值越小代表越先进的工艺。
5.3 显卡规格CPU显卡表示集成入处理器的图形处理电路，提供图形、计算、媒体和显示功能。有些处理器没有集成显卡，这时需要另外购置显卡。
5.4 最大内存大小最大内存容量是指处理器支持的最大内存容量。
5.5 内存类型指CPU支持的内存类型。目前内存分为：DDR4、 DDR3、DDR2和DDR1等4代。
6. 指令集6.1 什么是CPU的指令集?
指令集是存储在CPU内部，对CPU运算进行指导和优化的硬程序。拥有这些指令集，CPU就可以更高效地运行。系统所安排的每一个命令，都需要CPU根据预先设定好的某一条指令来完成，而这些预先设定好的指令统称为CPU指令集。
CPU依靠外来的指令“激活”内存指令，来操控与计算电脑。一般来说，预设存储的指令越多，那么CPU就越“聪明”，预设存储的指令越先进，CPU也就越高级，预设的很多指令集中在一起，那么就是所谓的“指令集”。
6.2 Intel和AMD公司都采用哪些指令集？Intel公司主要采用x86，EM64T，MMX，SSE，SSE2，SSE3，SSSE3 (Super SSE3)，SSE4A，SSE4.1，SSE4.2，AVX，AVX2，AVX-512，VMX等指令集。AMD公司则主要采用x86，x86-64，3D-Now!指令集。
6.3 CPU中的指令集越多越好吗？CPU指令集的多少，虽然对CPU的效率影响较大，但是对于普通用户来说，功能几乎并不会有影响。指令集较少的CPU，例如RISC，也能够完成所有的功能，不过只是由简单的指令来构成的，因此在执行的时候，需要花费更长的时间而已。
6.4 CPU指令集有哪些实际的作用？CPU指令集与CPU的架构息息相关，我们常见的有英特尔和AMD为代表的x86系列，大量用于电脑和服务器；另外就是精简指令集架构的ARM(ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器)，集于ARM架构的CPU大量用于移动设备。比方说我们做了一个应用程序，想同时可以运行在电脑和手机上，那样把它编译成X86版本就可以在X86指令集上运行，相应的再编译一个ARM版本就可以在ARM指令集上运行，不管编译成什么版本，从哪个设备上运行，大体流程就是从软件请求>操作系统请求>CPU指令集执行这么一个过程，大量跨平台的应用程序就是这样来的。
指令集的存在规定了CPU如何识别汇编指令，以及如何与操作系统（上层）交互。打个比方说，指令集就像路上的红绿灯，红灯停绿灯行，车辆什么时候可以走，什么时候不可以走，都是按这个既定规则才能执行的，而且这个规则不可变动。我们常用的windows7、windows10等操作系统的底层架构就是基于CPU的指令集进行设计的，必须无条件服从指令集体系。
6.5 CPU指令集是如何实现的？所谓的指令集其实就是CPU支持的命令的一个集合，CPU对指令集的支持是通过内部逻辑电路实现的，本身并不需要存储指令集。指令集本身就相当于一个标准，或者说是CPU能理解语言，想让CPU干活，就必须要用CPU能理解的语言去沟通。编译器的工作就是把高级语言翻译成CPU能理解的语言，其实就是指令集对应的机器码。至于操作系统从哪里获取的指令集信息，一般来说指令集信息都是存储在CPU内特定的寄存器当中，而这个所谓信息并不包含指令集本身，目的只是告诉系统该CPU支持哪些指令集。
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扩展阅读：CPU缓存的作用
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最后
顺便介绍一下我这个头条号的功能，我这个头条号，以科普电脑的方方面面知识为目标，在制作内容的过程中，我会在一段时期以内，以一个专门的软件为主干，比如在这个阶段，我以Excel软件为主，在介绍Excel软件应用的同时，我穿插各种其他的电脑知识，基本上在介绍个几章Excel就穿插一章其他内容。直至Excel软件我认为写到足以能够帮助新手从零开始学习达到一定水平了，才会更换另一款软件介绍（比如Word、PPT、AutoCAD、Photoshop、Python、HTML 5、VB等等等等），继续在介绍主干内容的过程中，穿插各种电脑科普知识。
下面安利一下，我做的第一章Excel内容
系统地学习Excel第一章目录
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