以原子为目标：使芯片更小的艺术

一般来说，在计算机芯片领域，更大的数字意味着更好的性能。更多的核心、更高的频率、更高的浮点计算能力等等，这些是所有工程师和用户都希望看到的。但有一种技术现在很热门，而且规模越小越好。它到底是什么，为什么如此重要？为什么它是以纳米为单位测量的？为什么是特定的数字 10、7 和 5？让我们进入工艺节点的世界…

在深入研究之前，我们需要花一些时间来研究一下最近的 CPU 体系结构。在第一部分，我们介绍了处理器的基本架构，在第二部分，我们研究了工程师如何规划和设计这些处理器。

本文将会解释计算机芯片是如何物理地组合在一起。如果想深入了解制造工艺，需要仔细阅读光刻部分，而在这些特性中，我们将重点介绍这一点：

与芯片制造相关的最大营销术语之一是特征尺寸。

在芯片工业中，特征尺寸与工艺节点有关。正如我们所说，这是一个相当宽松的术语，因为不同制造商使用这个术语描述芯片的不同方面，但就在不久前，它提出了晶体管两个部分之间最小的尺寸差距。

今天，它更像是一个营销术语，并不是非常有用的比较生产方法。也就是说，晶体管是任何处理器的一个关键特性，因为它们中的一组执行芯片内部完成所有数字运算和数据存储，并且来自同一制造商的较小工艺节点是非常需要的。这里要问的一个显而易见的问题是为什么？

在处理器的世界里，任何事情都不会立刻发生，也不会在不需要电能的情况下发生。较大的组件需要更长的时间来改变它们的状态，信号需要更长的时间才能传输，并且需要更多的能量来移动处理器中的电子。较大的组件也占用更多的物理空间，因此芯片本身更大。

上图是三个旧英特尔 CPU，从左往右，分别为2006 年的赛扬，2004 年的奔腾 M，还有 1995 年的老奔腾。它们的工艺节点分别为 65, 90 和 350 nm。换句话说，这个老奔腾的关键部分比赛扬的设计要大 5 倍以上。另一个重要的区别是，较新的芯片内部封装了大约 2.9 亿个晶体管，而原来的奔腾只有 300 多万个，几乎减少了几百倍。

虽然工艺节点的减少只是最近设计体积更小且晶体管更多的部分原因，但它确实在英特尔能够提供这一功能方面起着重要作用。

但真正让人吃惊的是：赛扬只产生大约 30 瓦的热量，相比奔腾 12 瓦的热量来说，这种热量来自于当芯片周围的电路被电推动时，能量由于各种过程而丢失，绝大多数的能量被释放为热量。的确，30 比 12 大，但别忘了赛扬芯片上的晶体管密度是奔腾的 100 倍。

因此，如果拥有一个更小的工艺节点的好处便会产生更小的芯片，使更多的晶体管能够更快地转换——这使芯片每秒计算的更多并且减少能量作为热量的损失，那么思考另一个问题：为什么世界上的每一个芯片都不使用尽可能最小的工艺节点呢？

什么是光刻

在这一点上，我们需要看一个叫做光刻技术的过程：光通过一种叫做光掩膜的东西,它阻止某些区域的光,让它通过在另一些区域，当它经过时,光线会高度聚焦到一个小点上,然后与芯片制造中使用的特殊层发生反应,帮助确定各个部件的位置。

想象它就像你的手的 X 光图：骨头挡住了光线，就像光掩膜一样，而 X 光穿过肌肉，产生了手的内部结构的图像。

图片来源：Peellden, Wikimedia Commons

光实际上并没有被使用——即使是像老奔腾这样的芯片，它也太大了。地球上的光是如何有任何大小的，这有关于波长。光被称为电磁波，是电场和磁场不断循环的混合物。

虽然我们使用经典的正弦波来观察形状，但电磁波并没有真正的形状。更重要的是，当它们与某物互动时，所产生的效果会遵循这种模式。这个循环模式的波长是两个相同的点之间的物理距离：想象海浪滚到海滩上，波长是这些波的顶部有多远。电磁波在可能的波长上有很大的范围，所以我们把它们放在一起，称之为光谱。

越缩越小

在下面的图片中，我们可以看到我们所说的光只是光谱的一小部分。还有其他大家熟悉的名字：无线电波、微波、x 射线等等。也可以看到一些波长的数字；光的大小大约是 10-7 米，或者 0.000004 英寸！

科学家和工程师喜欢用稍微不同的方法来描述这么小的长度，纳米或简称为 nm。看光谱的扩展部分，我们可以看到光的范围从 380 纳米到 750 纳米。

图片来源： Philip Ronan, Gringer

回到这篇文章，重读赛扬芯片的部分—它是在 65 纳米工艺节点上制造的。那么，怎样才能制造出比可见光波长更小的部件呢？简单来说：光刻工艺不使用可见光，而是使用紫外线(又名 UV)。

在光谱图中，紫外线开始于 380 纳米左右(光线结束的地方)，然后一路缩小到 10 纳米左右。英特尔、台积电和格罗方德等制造商使用一种名为 EUV(极限紫外线)的电磁波，波长约为 190 纳米。这种微小的波动不仅意味着组件本身可以被创建得更小，而且它们的整体质量可能会更好。这使得不同的组件可以更紧密地组装在一起，有助于缩小芯片整体尺寸。

不同的公司为它们使用的工艺节点规模都取了不同的名称。英特尔急切地将他们最新的工艺称为 P1274或“10nm”，而台积电则简单地称其为“10FF”。AMD 等处理器设计人员为较小的工艺节点创建了布局和结构，然后依靠台积电等厂商生产它们，并在今年早些时候增加了 “7nm”大批量生产线。 在这种生产规模上，一些最小的工艺只有 6nm (不过，大多数工艺都比这个大得多)。

为了了解 6 nm 的实际尺寸，构成处理器主体的硅原子间距大约为 0.5 nm，原子本身的直径大约为 0.1 nm。因此，大致说来，台积电的工厂处理的晶体管的宽度小于 10 个硅原子。

瞄准原子的挑战

抛开芯片制造商正致力于实现只有几个原子的功能这一令人难以置信的事实不谈，EUV 光刻技术已经引发了一系列严重的工程和制造问题。

英特尔一直在努力将其 10nm 制程的产量提高到与 14nm 制程相同的水平。去年，格罗方德停止了对其 7nm 制程及更小制程系统的开发。虽然英特尔和格罗方德的问题可能不是由于 EUV 光刻固有的困难，但也有一部分原因与它相关。

电磁波的波长越短，所携带的能量就越多，这导致对制造的芯片的损坏的可能性更大；非常小规模的制造对所使用的材料中的污染和缺陷也非常敏感。其他问题，如衍射极限和统计噪声(EUV 波传递的能量在哪里沉积到芯片层的自然变化)，也不利于实现 100% 完美芯片的目标。

芯片中的两个制造缺陷 来源：Source: Solid State Technology

还有一个问题，在原子的奇异世界里，电流和能量的传递不是遵循经典的系统和规则。以移动电子(构成原子的三种粒子之一)的形式保持电的流动，在我们习惯的尺度下，沿着紧密排列在一起的导体向下流动相对容易——只需用一层厚厚的绝缘层包裹导体。

在英特尔和台积电的工作水平上，这变得更难实现，因为绝缘层还不够厚。不过，就目前而言，生产问题几乎完全与 EUV 光刻固有有关，因此，我们还需要几年的时间才能开始在论坛上讨论 Nvidia 比 AMD 更好地处理量子行为。

这是真正的问题，也是制造困难背后的根本原因，英特尔、台积电及其所有制造伙伴都是企业，他们的目标是将尺寸缩小，唯一的目的是创造未来的收入。从下表中我们也可以看到，实现越小制程的成本反而越高。

例如，如果我们假设 28 nm 工艺节点与英特尔用于制造 Haswell 系列 cpu 的节点相同(例如 Core i7-4790K)，那么他们的 10 nm 系统每个晶片的成本几乎是前者的两倍。每个晶圆片所能生产的晶片数量在很大程度上取决于每个晶圆片的大小，但采用较小的工艺规模意味着一个晶圆片可能会生产更多的晶片出售，这有助于抵消成本的增加。不过，最终，通过提高产品零售价格，尽可能多的成本将通过提高产品零售价格推向消费者，但这必须与行业需求相平衡。

过去几年智能手机销量的增长，加上家庭和汽车智能技术的近乎指数级增长，意味着芯片制造商不得不从小型工艺节点吸收资金冲击，直到整个系统足够成熟，能够生产出高产量的晶圆（即含铁的晶圆）更多的缺陷。考虑到我们在这里谈论的是数十亿美元，这是一项有风险的业务，也是格罗方德退出流程节点竞争的原因之一。

未来前景

如果这一切听起来有点悲观，那么我们不应该忘记，近期的未来确实看起来是积极的。三星和台积电不仅在产量和收入方面将其 7nm 生产线运营到一个健康的利润率，而且芯片设计师也在提前规划，在他们的产品中使用多个节点。最引人注目的例子是 AMD 最近发布的 Ryzen 3900X CPU 芯片设计。

这个高端桌面 PC 处理器将搭载两个 TSMC 7nm 节点上制造的芯片，以及一个由格罗方德制造的 14nm 芯片。前者将是实际的处理器部件，而后者是将处理连接到 CPU 的 DDR4 内存和 PCI Express 设备。假设这种设计按预期工作，那么我们会看到更多的公司采用这种多节点设置。

上图显示了英特尔的进程节点在过去 50 年的变化。纵轴表示以 10 的因子显示节点大小，从 10000 nm 开始一直向上。这家芯片巨头已经遵循了 4.5 年的粗略节点半衰期（每次减少节点大小所需的时间）。

那么，这是否意味着我们将在 2025 年看到英特尔的 5nm？也许会，尽管他们最近在 10nm 制程上遭遇挫折。三星和台积电一直在推进其 5nm 制程的研究，因此，对各种处理器来说，未来前景都不错。

它们体积更小，速度更快，能耗更低，性能更好。它们将引领全自动汽车，具有当前智能手机的电量和电池寿命的智能手表，以及超过十年前数百万美元电影中所见的游戏中的图形。

未来确实是光明的，因为未来很“小”。

内容由与非网编译

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