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3.1 多核CPU的物理结构和工作原理
CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的缩写，它是电脑中的运算核心和控制核心，其功能主要是解释电脑指令，运算和处理电脑软件中的数据和信息，并实现本身运行过程的自动化。
从外观看，CPU芯片通常是正方形的，边长为4CM左右。它的一面有很多针脚或触点，用来与主板连接，如图3-1所示。
图3-1 Intel的core i7 CPU
CPU主要是由半导体硅和一些金属（铝或铜）及化学原料制造而成的。CPU的制作大致经历了提纯硅材料、切割晶圆、光蚀刻、重复分层、测试、封装及多次测试等制作步骤。
生产CPU所使用的硅几乎不能有杂质，对纯度要求很高，而且它还得被转化成硅晶体。在生产硅晶体时首先将硅提纯，制成硅原料，然后将原料硅放进一个巨大的石英熔炉中熔化。这时向熔炉里放入一颗晶种，硅晶体便围着晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅棒。以往的硅棒的直径大都是200毫米，如图3-2所示。
用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，此硅晶片称为晶圆，如图3-3所示。晶圆才是真正用于CPU制造的。然后将切割下的硅晶片划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核。最后晶圆将被磨光，并被检查是否有变形或者其他问题。
要给新切割下来的硅晶片掺入一些物质使之成为真正的半导体材料，在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间使得切片表面生成一层二氧化硅膜。接着在二氧化硅膜上覆盖一个感光层。感光层在干燥时具有很好的感光效果，而且在光蚀刻过程结束之后，能够通过化学方法将其溶解并除去。
图3-2 单晶硅棒
图3-3 晶圆
光蚀刻过程就是使用一定波长的光在材料感光层中刻出相应的刻痕，由此改变该处材料的化学特性。光蚀刻技术对于所用光的波长的要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。紫外线通过印制有复杂电路结构图样的模板照射硅晶片，被紫外线照射的地方光阻物质将被溶解。
当这些蚀刻工作全部完成之后，晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板。接着，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阱或P阱。结合上面制造的基片，CPU的门电路就完成了。
为了加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。然后重复多遍，形成一个3D的结构，这就是最终的CPU的核心。每几层中间都要填上金属作为导体，如图3-4所示。
这里所做的测试主要是测试晶圆的电气性能，以检查是否有差错。接下来，晶圆上的每个CPU核心都将被分开测试，如图3-5所示。通过测试的晶圆将被切分成若干单独的CPU核心。
图3-4 晶圆中制作的CPU核心
图3-5 通过旋转测试CPU核心
封装就是将加工后的CPU晶圆封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，使它易于被装在一块电路板上。经过测试的CPU晶圆核心会被封装，并在CPU核心上安装一块集成散热反变形片，如图3-6所示。
图3-6 封装后的CPU
测试是CPU制造的一个重要环节，也是一块CPU出厂前必须经过的考验。每块CPU都会进行完全测试，以检验其全部功能。某些CPU能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率；而有些CPU因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率；还有一些CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上，它的部分缓存将被屏蔽掉，进而作为低档次的CPU售出。
经过多年的发展，CPU的物理结构发生了许多改变，现在的CPU的物理结构主要分为内核、基板、填充物、封装及接口5部分。
CPU中间的长方形或者正方形部分就是CPU内核部分，内核是由单晶硅做成的芯片，所有的计算、接收/存储命令、处理数据都在这里进行。CPU核心的另一面，也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面要和外界的电路相连接。现在的CPU上有数以千万计的晶体管，若干个晶体管焊上一根导线与外界相连。如图3-7所示，箭头所指为CPU内核。
CPU基板就是承载CPU内核用的电路板，它承载CPU核心的芯片和一些电阻、电容，并且基板上有CPU的插针（AMD的）和圆点（775针的）与核心电路相通。它负责内核芯片与外界的一切通信，并决定这一颗芯片的时钟频率。在基板的背面或者下沿，还有用于与主板连接的针脚或者卡式接口。如图3-8中箭头所指的地方即为基板部分。
图3-7 CPU的内核
图3-8 CPU的基板
CPU内核和CPU基板之间往往还有硅胶脂填充物，填充物的作用是缓解来自散热器的压力并固定内核和基板。由于它连接温度有较大差异的两个物体，所以必须保证十分稳定，它的质量的优劣有时直接影响整个CPU的质量。
目前绝大多数CPU都采用翻转内核的形式进行封装，也就是说，平时我们所看到的CPU内核其实是这颗硅芯片的底部，它是翻转后封装在陶瓷电路基板上的。翻转内核的好处就是能够使CPU内核直接与散热装置接触。随着CPU总线带宽的增加、功能的增强，CPU的引脚数目也在不断地增多，同时对散热和各种电气特性的要求也在逐渐提高，这就演化出了LGA（Land Grid Array，栅格阵列封装）、Micro-FCBGA（Micro Flip Chip Ball Grid Array，微型倒装晶片球状栅格阵列）、SPGA（Staggered Pin－Grid Array，交错针栅阵列）及PPGA（Plastic Pin－Grid Array，塑料针栅阵列）等封装方式。
CPU需要通过某个接口与主板连接才能进行工作。经过这么多年的发展，CPU的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。而目前CPU的接口都是针脚式接口，对应的主板上就有相应的插槽类型。对于不同的CPU接口类型，插孔数、体积、形状都有变化，所以不能互相接插，如图3-9所示。
图3-9 CPU的接口
CPU是处理数据和执行程序的核心，其工作原理就像一个工厂对产品的加工过程：进入工厂的原料（程序指令），经过物资分配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元）上，生产出成品（处理后的数据）后，再存储在仓库（存储单元）中，最后拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。这个过程从控制单元开始，中间是通过逻辑运算单元进行运算处理，进行到存储单元代表着工作的结束。