从英特尔Fab开始一段所有人都受益的21世纪炼金之旅

本文转载自太平洋电脑网原标题：《从Intel Fab开始一段所有人都受益的21世纪炼金之旅》

在英特尔的工厂里有这样一条规矩，坐落于美国的Fab都是以2为结尾，坐落于以色列的Fab则是以8位结尾，而爱尔兰则是以4为结尾。但在2010年英特尔大连Fab落成时，为了从名字上讨个吉利，大连工厂负责人梁志权最终选择了Fab 68这个符合中国特色的名字，为此，梁志权还特意提交申请并获得了以色列相关工厂的批准。由此，Fab 68正式诞生。

作为亚洲最大的半导体产品生产基地，坐落于大连的英特尔Fab 68以及后续扩建的Fab 68a拥有16.3万平米的建筑面积，其中Plus 10（所谓Plus 10，就是每立方米空间中的灰尘颗粒不超过10个）级别的洁净厂房面积达到1.5万平方米。也正是在这里，地球上最丰富的元素——硅，经过3-5个月的进化，将成为单位重量比黄金还贵的存储芯片。说它是21世纪的“炼金术”毫不为过，只不过相对于记录在中世纪书本上的炼金术，从硅到半导体的进化复杂程度要多N倍……

从沙子到芯片

硅是地球上储量最丰富的元素，而去除杂质后的沙子就是硅的最好来源。正如同古代炼金术一样，沙子也同样需要多个步骤的高温熔炼才能去除二氧化硅中的氧原子，变为纯净、熔融状态的硅。这些经过处理生成的硅单质纯度高于6个9，这意味着每100万个硅原子中才有一个原子的杂质。接下来，高温液态硅会在坩埚中围绕一个晶核缓慢的一边旋转、一边被拉伸成一个直径300mm、高约1m的圆柱体硅锭。就像做棉花糖一样，这是一个化腐朽为神奇的过程。之所以要缓慢进行则是因为要尽量保证硅原子能够凝结成规整的六边形晶格，这样才能形成最稳定的物理、化学性质。此后，完成的硅锭会被切割成多个厚度约为1mm的晶圆运往光刻车间，开始另一段神奇的旅程。

在Plus 10级别的洁净车间中，一摞摞晶圆会被沿着天花板轨道运行的机器人送至不同的光刻机之中。通过每台价值数千万美元的光刻机，晶圆会被涂上一层能够被紫外线分解的光刻胶，而紫外线则会通过画有电路结构的掩模照射在晶圆之上。随着光刻胶被紫外线分解，掩模上的电路结构便会在光刻胶上显现。这个过程非常像投影机的显示过程，只不过作用完全相反；投影机是将小的画面投射在大的荧幕上，而光刻则是将大的画面投射在极小的晶圆上。再之后，晶圆会被浸没在能够腐蚀硅的溶液中，这样，在光刻胶上形成的电路结构就会被腐蚀在晶圆之上，形成各种沟槽。经过清除光刻胶、在晶圆的沟槽内填充用来形成晶体管的磷、硼等物质之后，一次光蚀刻便完成了。

复杂精密的技术支撑

想得到真正可用的半导体晶片，这种光蚀刻过程要反复经历几十、几百次，工序多达几千道，持续3-5个月才能完成。这个过程有多难？我们不妨做个简单的计算，如果每道工序的成功率在99.9%，那么在2000道工序之后，最终的成品率是13.51%。如果想要通过量产收回成本，一家合格的半导体工厂良率通常需要达到85%以上。

最终，在通过电镀方式为晶圆附上一层导电的金属（铜）层之后，Fab68的基本工作大功告成，一枚芯片才算基本造好了。经过封装测试之后，沙子中的硅从地球上最丰富的元素变成了能够存储数据的芯片，价值已经提升了无数倍。在这个充满了数千万美金设备和连生产环境构建都要以百万美元计的顶尖半导体制造领域中，Fab68的存在不仅是英特尔的骄傲，更是梁志权及整个中国团队的荣耀。梁志权表示：在这样一个顶尖制造领域，Fab68在建厂两年刚刚进入量产阶段之时便获得了英特尔内部最高级别的团体奖——质量金奖。Fab68团队是第一个，也是目前为止的唯一一个。而在之后的2018年，刚刚投产的Fab68A又再次获得了这一殊荣，创造了英特尔众多工厂的另一个记录。虽然按照重量算，沙子在Fab68中已经完成了“点石成金”的蜕变，但这并非历程的终点。之后，英特尔的另外一批工程师及合作伙伴会继续接手，为Fab68的产品赋予更加神奇的价值。

从芯片到解决方案

从产品类型来看，Fab68生产的芯片主要是QLC为代表的NAND闪存。一期项目于2016年投产，并于2017年发布两款全新的基于3D NAND的数据中心级固态盘—英特尔®固态盘DC P4500系列及英特尔®固态盘DC P4600系列。2018年投产二期项目，目前，英特尔最先进的96层3D NAND存储芯片制造技术也在大连工厂中应用。与我们熟知的二八原则类似，数据中心里数据的热度也呈现出类似的两极分化状态——90%的IO操作都集中在10%的热数据上，另外90%的冷数据只承担10%的读写。这意味着，我们需要为这10%的热数据提供更好的性能，为另外90%的数据提供更好的存储性价比。道理虽然很简单，但目前数据中心里很多问题却正是出在这里。

为了满足性能和容量的阶梯状变化需求，数据中心的数据存储结构通常以DRAM来承载对性能要求最高的数据，以TLC闪存来存储次高数据，以HDD来存储普通或偏冷的数据，最冷的归档数据以磁带来应对。他们之间在容量和性能上的差距最好都是10倍。但如果仔细判断研究这些分层，我们不难发现，无论从性能还是容量来看，内存与普通TLC闪存之间的差距都不符合前面提到“一九”原则，同样的问题还出现在TLC闪存与普通HDD硬盘存储之间。这种性能与容量上的断层使得总会有许多数据在两个断层之间来回迁移，这会浪费大量的时间、占用大量带宽，拖慢整个数据中心的性能。而傲腾内存与QLC闪存正是为解决这两大断层存在的问题而生的。在DRAM与TLC闪存之间，傲腾内存能够凭借微秒级的响应速度和10倍于普通内存的容量填充两者之间的空隙。而QLC则能够以更低的单位容量成本满足普通TLC与HDD之间对性能和容量的差异化需求。如果问题能够通过简单的置办新硬件来解决，那么本文也就该到此结束了。但实际的情况却是目前数据中心里运行的绝大多数应用都诞生于傲腾内存与QLC存储出现之前，并没有为这两种新产品做好准备，因此，填补数据中心存储间隙的工作就从简单的“买买买”变成了一个需要包括英特尔和合作伙伴在内的产业上下游通力协作的系统性大工程。面对这样一个系统性工程，企业用户的动力在于获得更好的性价比和更低的TCO。

通过使用傲腾持久内存，快手的Redis服务TCO降低了30%

在腾讯云Redis云数据库应用傲腾持久内存，内存容量扩大

在使用了傲腾内存+QLC存储之后，百度智能云的TCO获得了60%的降低

从上面的实际用户案例可见，无论用户从哪里下手，在何种层面上解决数据中心存储中的性能、容量断层问题，带来的收益都是十分可观的。用户有收益，工程便有价值，而实践这份价值的人正是英特尔及其庞大的生态合作伙伴，双方携手架起基础硬件和应用之间的桥梁，把复杂的系统性问题简单化、一站化。

对此，浪潮集团存储产品部副总经理孙斌表示：浪潮与英特尔始终紧密合作，此前不仅联合推出优化Ceph的方案，近期双方更共同开发以傲腾最新的双端口NVMe SSD作为高速缓存的全闪存存储平台，并基于金融、交通、政府、能源等不同行业背景推出行业场景化解决方案，推动以傲腾固态盘为代表的创新存储技术在企业级存储系统中的应用与推广。通过双方的合作，不难看出，通过傲腾内存、傲腾固态硬盘以及QLC固态硬盘在设备内的混合搭配使用，浪潮能够帮助用户通过简单的设备更新实现更大的容量、更好的性能。最终的结果便是用更少的设备完成原有应用负载。

从沙子到解决方案——一段神奇的旅程

从沙子到芯片，英特尔通过极端精密的技术使硅元素经历了一段堪比炼金术的身价飙升之旅；从芯片到解决方案，英特尔的合作伙伴通过芯片特性到用户价值的翻译转录实现了价值、获得了收益；而采用这些解决方案的用户则能够以更低的成本实现更好的性能，完成TCO的降低。纵观全局，这段从沙子到解决方案的“旅程”最神奇的地方则在于，它让参与环节的所有人都能够真正受益。当然，这还只是英特尔以数据为中心的六大支柱其中的内存&存储一环，在更大的范围内，这种神奇的操作每天都在大量发生，一个产业链的繁荣更是仰赖与此。

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