出品：科普中国

制作：王智豪（中科院长春光机所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

中央处理器，简称CPU，是现在电子计算机的核心元件，也是信息时代最主要的器件之一。

从小的方面说，我们每天使用手机软件，以及在电脑上写方案、敲代码、制作PPT等所有计算机软件的计算，都需要CPU的计算；

从大的方面讲，航天飞船的制造需要CPU进行前期建模工作；发射时间、轨道、天气预测、燃料都需要CPU的模拟计算；发射后的实时追踪、内部调度及处理应急问题也都需要CPU精准的计算。

如天问号、祝融号、月兔号探测器，从着陆、巡视再到传回原始数据几乎都需要CPU运行机器进行自主操作。

可以说，21世纪，CPU在生活、工作及科学等方方面面都发挥了重要作用。

CPU（veer图库）

CPU的功能主要是处理计算机软件的数据，将人类的命令转化为机器语言，并对其他计算机中的设备，如内存、显卡、主板等提出命令。在整台计算系统中，它扮演“老板”的角色。

更形象地说，CPU就是人类的大脑，一切信息都需要它的参与或思考。

组成CPU的三大部门

CPU由三部分组成：运算器、控制器与寄存器。

运算器主要是负责执行任务，可以理解为“打工人”，它的任务是负责直接计算相关数据；

控制器类似于“领导”，任务就是针对不同的需要，给“员工”下达不同的命令；

寄存器则可以理解为控制器和运算器之间联络的小组，也可以理解成“秘书”，它的主要工作是协调控制器和运算器。

寄存器这个“部门”的事情非常繁琐，控制器会让它给运算器下达命令，运算器运算的数据太多，也会让寄存器暂时先寄存一部分。所以，当数据过多时候，寄存器忙不过来就只能暂时招收一些“临时工”——高速缓存。

在寄存器完成不了工作时候，就调用高速缓存来存储数据。当然临时工也会有等级：一级缓存、二级缓存和三级缓存。如果三缓也耗尽，那就交给CPU外的内存来缓存。

但是，如果内存也不够了怎么办呢？这时候，你的电脑就开始卡顿了，建议换一台电脑（狗头）。

CPU原理图（图片来源：作者自制）

在这个庞大的部门中，当然要制定相关的行为规范，让控制器能按照规则来下达命令。这一行为规范就是指令集。

不同设备的指令集可能会不一样。例如，我们的计算机用的就是复杂指令集x86，而手机处理器的指令集就是精简指令集ARM。这两种指令集最大的区别，就在于设计者考虑问题的方式。

举个简单的例子，比如命令一个人吃饭，我们应该怎么发布指令呢？

1、直接对他下达“吃饭”的命令。

2、命令他“先拿勺子，然后舀起一勺饭，然后张嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。

从这里可以看到，对于“命令人吃饭”这件事，可以复杂也可以简单。而如何训练那个人，则出现不同的理解。

有人认为，如果我首先给接受命令的人以足够的训练，让他掌握各种复杂技能（即在硬件中实现对应的复杂功能），那么以后就可以用非常简单的命令让他去做很复杂的事情——比如只要说一句“吃饭”，他就会吃饭，这就是“复杂指令集”的思路。

但是也有人认为这样会让事情变得太复杂，毕竟接受命令的人要做的事情很复杂，如果你这时候想让他吃菜，那还得再训练吃菜的技能。既然如此，我们为什么不把事情分为许多非常基本的步骤呢？

这样的话，虽然下达命令的人稍微累一点，但只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同样的工作——比如现在我要他吃菜，只需要把刚刚吃饭命令里的“舀起一勺饭”改成“舀起一勺菜”，问题就解决了，多么简单。这就“精简指令集”的逻辑。

从利用这两种指令集的设备，我们就可以看出指令集的区别了。

首先是性能。ARM强在效率，在一些任务相对固定的应用场合，其优势就能发挥得淋漓尽致。而x86则在专业软件或者综合性工作方面，依然是“大哥”。

其次是扩展能力。手机方面，可能直到淘汰产品，我们都不会自行加装例如内存、存储等扩展设备，奉行的原则是够用就好。而计算机可以通过桥接方式扩展许多设备。

最后是功耗，X86的计算机性能强，但是功耗一直居高不下，随着摩尔定理逐渐失效，现在性能提高都是建立在功耗的基础上，动不动几百瓦的功率，是国家电网“长期战略合作伙伴”。ARM方的手机则大概只有几瓦的功耗，因此它更适于便携化与移动化。

至于与我们日常交互，也是开机就能看到的桌面则是操作系统，你可以理解为一种特殊的软件，主要发挥性能调度、管理文件、为上层软件提供服务与可视化操作的作用。

如何制作CPU

介绍完CPU，那你肯定想知道，这么复杂的元件需要如何制作呢？制作CPU的复杂程度将超乎你想象。

准备好了吗，接下来，笔者将带大家进入原子的世界，一个肉眼无法看到的世界。

制作CPU第一步是设计电路图，众所周知，CPU是超大规模的集成电路，合理的电路分布则是重中之重。因此，会由来自全球各地设计中心的专家合作设计CPU的晶圆电路，完成物理掩模板整体芯片设计。

下一步是制作硅晶。硅晶的原料就是沙子，经过一系列复杂的提纯会将沙子变成纯度高达99.9999%的单晶硅棒，再切成光滑的小薄片，晶圆就制作完成了，它上面将会刻蚀出集成电路。

杂质会对CPU质量造成严重的影响，因此制作晶圆的环境比手术室还要干净十万倍。

△原料及单晶硅棒（图片来源：https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The Making of a Chip – Intel）

接着我们就要在晶圆上刻上设计好的电路，用什么刻呢？普通刻刀远远达不到那样的精度，聪明的科学家想到了世界上最精细的刻刀——光。

在晶圆上均匀涂覆光刻胶，然后用紫外光将掩膜上的电路结构印在晶圆上，曝光的部分具有可溶性，可以被洗掉。再将晶圆表面未受保护的部分刻蚀掉，指甲盖大小的晶圆上就被刻上数十亿个晶体管。