芯片制造向更小的目標(biāo)前進(jìn)

在計算機(jī)芯片的世界中，許多參數(shù)都是 “ 越大越好 ”。比如更多的內(nèi)核、更高的 GHz 主頻、以及更大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。不同的是，在工藝制程上，整個行業(yè)都在極力向更微小的目標(biāo)前進(jìn)。從 10nm 到 7nm，直至 5nm 和更小的尺度。但在深入剖析原因之前，我們得先回顧下處理器的體系結(jié)構(gòu)，以及工程師們是如何規(guī)劃和設(shè)計芯片的。

（題圖 來自：TechSpot）

現(xiàn)在前頭：本文主要講述計算機(jī)芯片是如何被物理組裝的，涉及制造的光刻部分則簡略帶過。

在芯片行業(yè)里，特征尺寸與制程節(jié)點(diǎn)緊密相關(guān)，詳細(xì)內(nèi)容可參考《如何設(shè)計 CPU》的第三章節(jié)內(nèi)容。

芯片內(nèi)部的每個執(zhí)行單元，都可完成數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲，且性能上相當(dāng)依賴于功效的工藝節(jié)點(diǎn)（特指同一制造商的每一次迭代）。

然而在營銷實(shí)踐中，這個術(shù)語用起來還是相當(dāng)寬松的，取決于制造商愛用晶體管間的最小數(shù)值、或是平均數(shù)值。

在處理器世界中，任何改變都不會一蹴而就。更大的組件，意味著需要更長時間才能變更其狀態(tài)、信號需要更長的傳播時間、以及需要消耗更多的能量，更別提大芯片會占用更多的物理空間了。

上圖中展示了英特爾的三款舊 CPU，最左邊的是 2006 年的賽揚(yáng)、中間的是 2004 年的奔騰移動處理器、最右邊的則是 1995 年的古老崩騰處理器。

三款芯片的制程節(jié)點(diǎn)分別為 65、90、350 nm —— 24 年前的產(chǎn)品，其關(guān)鍵部件的體積是 13 年前產(chǎn)品的五倍。

與此同時，較新的 CPU 內(nèi)部有大約 2.9 億個晶體管，而老崩騰只有它的百分之一（略超 300 萬個）。功耗方面，2006 款賽揚(yáng)處理器的 TDP 約 30W，老奔騰只有 12W 。

熱設(shè)計功耗的增加，主要是隨著電能在芯片中電路周圍的流動，能量因各種過程而損耗，且其中大部分以熱量的形式釋放。盡管 30W 數(shù)倍于 12W，但新 CPU 的晶體管更是舊芯片將近百倍。

正因如此，采用較小的工藝節(jié)點(diǎn)，可使芯片更小、更快地切換晶體管、提升每秒的運(yùn)算量、并減少能耗（熱量）的散失。

（圖自：Peellden，Wikimedia Commons）

那么，為何我們不 “ 一步到位 ”，直接讓所有芯片都使用最小的制程呢？說到這，就得提一下被稱作 “ 光刻 ” 的生產(chǎn)流程了。

光掩膜會遮擋某些區(qū)域的光線，被允許穿透的光線會集中在一個小點(diǎn)上，然后與芯片制造中使用的特殊層發(fā)生反應(yīng)，以確定各個零件的位置。

你可想象給胳膊拍了一張 X 光照片，骨頭擋住了光線（起到了光罩的作用），而肌肉組織允許 X 射線的穿透，從而得出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。而光刻工藝的迭代，與光的波長有關(guān)。

（圖自：Philip Ronan，Gringer）

可見光（380 ~ 750 nm）只是光譜的一部分，其它還有無線電波、微波、X 射線等。你可從上圖中見到光波的尺寸，大約在 10^-7 米左右（約 0.000004 英寸）。

言歸正傳，我們繼續(xù)聊聊芯片的制造工藝，比如舊賽揚(yáng)采用了 65nm 制程節(jié)點(diǎn)。那么，我們又該如何制造比光波還細(xì)小的零件呢？答案是采用紫外（EV）、甚至極紫外光刻（EUV）。

光譜圖中，UV 始于 380nm 左右，直到 10nm 左右。英特爾、臺積電、格羅方德等制造商，現(xiàn)在都已經(jīng)摸到了極紫外（190 nm 左右）。

新工藝不僅能夠?qū)⒔M件本身造得更小，且整體品質(zhì)也可能更好，從而將各個零件緊密封裝到一起，有助于縮小芯片的整體尺寸。

（制造缺陷特寫，圖自：Solid State Technology）

對于制程節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，不同企業(yè)有著不同的宣稱。比如英特爾用 P1274 指代當(dāng)前的 10nm 工藝，而臺積電稱之為 10FF 。

在將格羅方德售出之后，AMD 現(xiàn)在靠的是臺積電代工，并且用上了 7nm 的量產(chǎn)工藝。需要指出的是，盡管一些最小特征的跨度僅為 6nm，但其它多數(shù)特征還是略大于此的。

為了讓普通人了解 6nm 到底有多小，就必須提到硅原子本身的直徑為 0.1nm 左右，而構(gòu)成處理器主體的大部分硅原子的間距僅在 0.5nm 。換言之，單個晶體管在各個方面都覆蓋了不到 10 個硅原子。

拋開令人難以置信的事實(shí)，EUV 光刻技術(shù)還是引發(fā)了許多嚴(yán)重的工程和制造難題。英特爾一直努力使其 10nm 產(chǎn)能趕上 14nm 的水平，格羅方德更是在去年停止了 7nm 及以下制程的研發(fā)。

問題在于，隨著電磁波長的越來越短，其攜帶的能量就越來越大，導(dǎo)致有更大的潛在可能性會損壞正在制造的芯片。此外，小規(guī)模制造對所用材料的污染和缺陷也高度敏感。

其它問題包括衍射極限和統(tǒng)計噪聲（EUV 波傳遞的能量在其中沉積到芯片層中的自然變化），導(dǎo)致制造商無法實(shí)現(xiàn) 100% 完美的芯片制造目標(biāo)。

還有一個問題是，在怪異的原子世界里，我們無法再假定電流和能量的傳遞，會遵循經(jīng)典的物理學(xué)系統(tǒng)規(guī)則。移動電子的時候，遇到的各種棘手的問題也會更多。

就英特爾和臺積電而言，想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將變得更加困難，因?yàn)榻^緣層的厚度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不過目前的生產(chǎn)問題，幾乎都集中在 EUV 光刻技術(shù)的固有缺陷上。

正因如此，我們要繼續(xù)等待多年，才能評判量子處理方案是否更具優(yōu)勢。此外出于商業(yè)的考慮，更小的制程可節(jié)省更多的成本。

假如英特爾用 28nm 工藝去制造 Haswell 系列 CPU（如 i7-4790K），其成本將會翻一番。但通過在單個晶圓上切割出更多的芯片，能夠在很大程度上抵消多出來的成本。

過去幾年，以智能手機(jī)和家用 / 汽車為代表的芯片應(yīng)用，已經(jīng)呈現(xiàn)了近乎指數(shù)級的增長。芯片制造商也被迫承擔(dān)因轉(zhuǎn)向更小的制程節(jié)點(diǎn)而造成的財務(wù)損失，直到能夠大規(guī)模量產(chǎn)的行業(yè)配套更加成熟。

盡管格羅方德的放棄聽起來有些悲觀，但三星和臺積電在 7nm 制程的投入 / 產(chǎn)出方面還是讓人感到有些欣慰。比如 AMD 最新發(fā)布的三代銳龍 CPU，就給市場打了一針強(qiáng)心劑。

該系列高端 PC 處理器采用了臺積電 7nm 工藝，并結(jié)合了格羅方德生產(chǎn)的 14nm 芯片。前者可視作傳統(tǒng)的 CPU 部件，而后者則是集成了 DDR4 內(nèi)存控制器與 PCI Express 4.0 的 SoC 橋接組件。

上圖顯示了英特爾在過去 50 年里的制程節(jié)點(diǎn)變化，X 軸從 10 到 10000 nm、Y 軸從 1970 到 2020 。從整體上來看，這家芯片巨頭大約每 4.5 年迭代一次。

如果一切順利，其有望在 2025 年推出 5nm 產(chǎn)品線（希望 10nm 產(chǎn)能別再拖后腿）。同時三星和臺積電也在積極投入 5nm 研究，但愿該行業(yè)還能繼續(xù)給消費(fèi)者帶來驚喜。