CPU为什么不做成圆的而是方的？

电脑版 2020-11-26 07:36

CPU为什么不做成圆的而是方的？:假设有一家芯片设计公司，像题主说的，将CPU不设计成方形而是圆形，结果会怎么样呢？这就等于在晶圆这个大圆里刻下（芯片是光:-c

假设有一家芯片设计公司，像题主说的，将CPU不设计成方形而是圆形，结果会怎么样呢？

这就等于在晶圆这个大圆里刻下（芯片是光刻成的）许多小圆，效果如下图（为节约时间，我只画出了一部分）。可以看到，CPU与CPU（即小圆与小圆）之间有相当大的空隙，使许多硅片被浪费了，粗略估计大概10%左右吧。

浪费还在继续。

由于CPU是圆的，而电子线路是走直线。至于为什么要走直线，因为两点之间，直线最短，两个元件之间用直线连接，不仅可以减小电流消耗（线路变短，电阻变小），还省下空间放置其它电子元件。

CPU内走直线的电子线路纵横交错，而且本着最大化利用硅片的原则，于是一片CPU的所有电路会构成一个正方形（如下图）。结果，为了设计一片圆圆的CPU，CPU线路（下图中橙色的正方形）四周的硅片又被浪费掉了，这部分的面积大概有30%左右吧。

单颗圆形CPU浪费硅片面积，把这些CPU刻到整片晶圆上，如前文所述，CPU与CPU之间空隙很大，再浪费一次（10%左右），最终得到的浪费效果如下图。图中红色的横竖条就是被浪费的硅片面积，只有白色方格是被利用到的。整个晶圆被浪费掉40%左右。

没有对比就没有伤害。当CPU设计成方形时（见下图），CPU与CPU之间只有一条便于切割的缝隙，整片晶圆得到最大化利用。

一、节省材料

CPU是由硅晶圆切割出来的，目前硅晶圆都是圆形的，如果再到上面去切圆形的CPU出来，浪费的会非常多，所以用方形的可以节省材料，达到最高的材料利用率。

2、设计的制造上的方便

CPU是由晶体管组成，晶体管的开关构成0、1这些运算，从而形成CPU的计算能力，而晶体管的排列也是线性排列的，同时我们发现电路的走线什么的都是线性的，这就意味着做成方形的CPU，在电路的设计上、加工制造上，都会更加的方便。

3、使用上的方便

再考虑到应用场景方面，我们看看目前的主板、以及承载CPU的智能设备，基本上都是是方形的，比如手机，电脑主机、笔记本等等。

因为方形更容易摆放，更能够节省空间，而CPU为了配合这些主板什么的，做成方形的也会更加的方便。

其实不只是CPU，我们仔细看看其它的设备，比如内存，硬盘、屏幕等等，这些都是以方形的为主，基本上也都是基于以上的原因。

答：我们知道，晶圆是圆的，但是晶圆做成的芯片却是方的，这主要是考虑到芯片制造时对晶圆的利用率，以及切割的方便，另外芯片做成方形，也更方便布线。

芯片为什么不是圆的？

芯片的基本材料是单晶硅，首先把单晶硅做成晶圆，然后用光刻和蚀刻等等技术把晶圆进行精密加工，再切割为成百上千块的芯片。

无论是电脑还是手机当中，芯片大多做成正方形，之所以做成方的而不是圆的，主要是考虑这么几个方面：

1、圆形芯片在切割晶圆时，对边角料的浪费很大，做成矩形（矩形包括了正方形），能使得边角料的浪费最少。

2、芯片本是拥有极高精度的产品，在进行晶圆切割时，直线切割最为方便，弧线切割对切割工具的要求很高，而且单晶硅的晶核本身就具有方向性，弧线切割容易把芯片边缘切坏。

3、矩形的芯片在布线和安装时更方便定位，如果做成圆形，由于圆具有任意角度的旋转对称性，在布线和安装时哪怕出现一个微小的角度偏差，都有可能导致错误。

4、电子产品具有很高的集成度，圆形芯片不利于整体电路板的布局。

当然，除了正方形外，正三角形和正六边形也能做到切割时始终是直线，而且不浪费边角料，但是芯片的研究、设计和制造，是经过几十年的技术迭代发展而来，最终选择了正方形的设计。

既然芯片是方的，为何晶圆又是圆的呢？

硅的熔点为1410℃，芯片用的单晶硅对纯度的要求极高，99.9999%纯度的硅可以用作太阳能光伏板，还远远不够芯片级别的要求，芯片对单晶硅的纯度要求至少是99.999999%，国内虽然有公司能够生产芯片级别的单晶硅，但产量还不能满足国内需求，很大一部分还需要进口。

高纯度的单晶硅使用切克劳斯基法（直拉法）进行制造，该方法使用石英坩埚把多晶硅融化，然后把温度保持在1500℃左右，然后用一个子晶放在坩埚中匀速旋转，同时坩埚反向旋转，并向上缓慢提起子晶，于是熔融状态的硅就会沿着子晶生长，最后形成一个圆柱形的硅锭，这个硅锭就是单晶硅，直径可达30厘米，长度可达1米。

然后我们把硅锭进行切片，就得到了晶圆，所以晶圆是圆形的，虽然圆形晶圆也会导致一部分边角料的浪费，但是晶圆尺寸远比芯片大，一张晶圆可以制作成百上千块芯片，所以浪费掉的晶圆边角料是可以接受的。

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从每年各大科技公司发布的新款CPU来看，其外形都是方形而不是圆形，而且方形的CPU也能够集成更多半导体工作单元。

为什么现在的处理器不是圆形外观？之所以没有没有做成圆形，除了我们以往对CPU了解甚少，还与它的核心部件、以及研发厂家的实际需求有密切联系，下面我们一起来对它进行详细的探讨。

一.沙子提炼而制成的CPU，其本体被封印在方形的外壳里面。

在以往CPU研发公司发布的新款产品中，我们很多人用肉眼看到的只是CPU芯片外面的壳体，而真正的CPU本体却被封印在壳体里面，很多人很少动手去拆解查看CPU的本体结构。

CPU的本体芯片其实就是从“晶圆”上进行分割然后加工而成的，而“晶圆”又是从含有大量“硅元素”的【单晶圆形硅棒】中进行切片分割并获取。

单晶圆形硅棒的形成，需要从沙子中提取硅元素，这也就间接证明合格的CPU本体芯片原材料离不开沙子，因为现在很多CPU的本体芯片都是硅基芯片。

二.制成方形的CPU芯片单元，有利于提高产量并满足厂商的实际研发需求。

我们从上面的CPU形成可以知道：CPU本体芯片最初始原材料需要从一张圆形的“硅基晶圆”中进行小块分割才能获取。

而这个分割的技巧，会很大程度上影响芯片代工生产厂商生产的数量。因此，芯片生产厂家在分割一大张的晶圆时会考虑如何减少晶圆大面积的材料损失。

为什么在切割“硅基晶圆”的时候，选择了方形而不是圆形？

首先，在硅基晶圆上采用方形切割，主要是考虑切割的设备和工艺在操作效率上要远远高于圆形切割方式，便于量产。

其次，要想在加工生产时让硅基晶圆节省更多的材料，必须在切割的单位面积上做好精确计算才行。假设在晶圆上切割一块宽度都为1厘米的芯片原材料，我们会在实际切割过程中会发现：在一大张的硅基晶圆中进行切割时，小块的圆形与小块的圆形平面之间会有过多的原材料浪费，而切割为方形则不会很大程度上出现“边角余料”。

所以，现在很多研发芯片的设计厂商会更多的使用方形面积，让后续的芯片产量也能跟得上，保证芯片的代工成本不用增加。

结语：

很多智能电子设备现在搭载的CPU芯片都是设计成方形的外观，这样的外观有利于制造芯片的厂家提高芯片生产量和良品出货量，使研发厂家的代工成本降低。

另外，CPU本体芯片为方形也可以降低散热面积，毕竟CPU运行时有一定的功耗。如果使用圆形的外观，不但会增加散热面积也会占用智能设备内部更多的集成空间。

感谢您的阅读！

这个问题，让我不自觉的想到了，晶圆为什么不做成圆形，要做成方形。按理说，晶圆是圆的，这样设计CPU，不是更方便吗？直接用圆形的CPU，不是可以更好的将晶圆的空间发挥出来吗？

实际上，造成CPU没有奇形怪状的形状，没有出现圆形，或者6边形等等的原因很简单，我归纳为两个字——节约！

节约成本，增加利用率！我们知道如果使用圆形的切割芯片，可能会浪费更多的材料，耗材增多了，CPU的成本就变高了。

节约PIN脚的使用。你可以看到Pin脚的排列很规整，节约了空间，提升使用。

节约技术难度。在进行CPU的制作的时候，确实会因为光蚀刻在蚀刻所带来的困难，比如边缘处的不平衡等等，提升了技术难度。

归根结底就是为了节约成本，降低损失。毕竟，CPU的消耗不低，技术难度不小！

因为CPU芯片可是很贵的，在目前的圆形晶圆上切割方形的芯片本身就有一些边角料的浪费，更别说圆形芯片了，如果在目前的圆形晶圆上切割圆形芯片，那会造成更大的浪费，可能一块晶圆上能浪费将近一半的面积，这样子成本和风险就太高了。

而且晶圆的生产和CPU芯片的切割不一样，传统方形芯片切割起来横平竖直，良品率更高，对设备精度的要求也低一些，但是如果按照圆形切割的话那就都是曲线切割，对设备的精密程度要求非常高，成本也会急剧提高，很不划算。

此外，既然设计的是圆形芯片，那么CPU内部的核心也必须是设计成圆形的，但是传统的电路设计都是以横平竖直来的，如果让芯片设计师在CPU里布局大量的曲线电路那实在是太难了，最终的成品也很可能不尽人意，所以说目前的技术用来做圆形芯片和CPU是非常不现实的，至少在民用和消费领域是这样的。

如您所见，晶圆上有许多芯片，所有芯片都可以切割。作为芯片制造商，您希望最大程度地制造芯片并降低成本。通过使这些芯片为矩形/正方形，它们不会像圆形一样损失每个芯片之间的空间。而且，它使得在过程结束时更容易剪切它们。

通常优选沿着晶片的晶体结构线切割管芯（芯片）（注意，根据使用的技术，几种晶体取向在这里是可商购的）。在这种情况下，可以期望切口更干净，晶体周围的缺陷和裂纹更少，并且切口上浪费的区域更少。

因此，由于模具中出现缺陷的可能性增加，不必在模具之间加宽防护层。结果呢？更高的良率，因此更低的价格，因为更少的缺陷意味着功能上更无差错的芯片。（顺便说一句，制造商通常会在机械应力较高的边缘和点放置更坚固的组件，以进一步提高良率。）

很少有人在这里提到六角形模具，他们应该比矩形模具具有许多理论上的优势。例如，较少的机械应力和热应力会导致所制造的电子组件退化，然后将较小的面积浪费在管芯之间的切口上，并且可能浪费在晶片的边缘（这取决于晶片的面积和可用的晶片面积），而间距更短。

但是，仅对于晶格的某些方向，可靠地切出这种六边形形状是可能的，而相交处的区域可能是缺陷的另一个来源。另外，当您包括通常为方形（或矩形）的芯片封装，PCB布局以及其他通常为矩形和标准化的材料的连接时，此选项最终并没有那么出色。

另一点是，对于非常规则的图案，设计这样的芯片可能会更加困难。例如，当在通常也是单元的规则图案的模块（例如通常为二维结构的存储器）的模块之间路由宽且规则的数据和地址总线时，优选矩形且均匀的形状和与晶格取向对准的图案。