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芯片制造正在向原子級進發

2019-12-03
來源:cnBeta.COM
關鍵詞: 芯片制造

  在計算機芯片的世界中,許多參數都是 " 越大越好 "。比如更多的內核、更高的 GHz 主頻、以及更大的浮點運算能力。不同的是,在工藝制程上,整個行業都在極力向更微小的目標前進。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構,以及工程師們是如何規劃和設計芯片的。

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  (題圖 來自:TechSpot)

  現在前頭:本文主要講述計算機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。

  在芯片行業里,特征尺寸與制程節點緊密相關,詳細內容可參考《如何設計 CPU》的第三章節內容。

  芯片內部的每個執行單元,都可完成數學運算和數據存儲,且性能上相當依賴于功效的工藝節點(特指同一制造商的每一次迭代)。

  然而在營銷實踐中,這個術語用起來還是相當寬松的,取決于制造商愛用晶體管間的最小數值、或是平均數值。

  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、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。

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  上圖中展示了英特爾的三款舊 CPU,最左邊的是 2006 年的賽揚、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。

  三款芯片的制程節點分別為 65、90、350 nm —— 24 年前的產品,其關鍵部件的體積是 13 年前產品的五倍。

  與此同時,較新的 CPU 內部有大約 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 款賽揚處理器的 TDP 約 30W,老奔騰只有 12W 。

  熱設計功耗的增加,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,采用較小的工藝節點,可使芯片更小、更快地切換晶體管、提升每秒的運算量、并減少能耗(熱量)的散失。

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  (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 " 的生產流程了。

  光掩膜會遮擋某些區域的光線,被允許穿透的光線會集中在一個小點上,然后與芯片制造中使用的特殊層發生反應,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,從而得出內部結構的圖像。而光刻工藝的迭代,與光的波長有關。

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  (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,我們繼續聊聊芯片的制造工藝,比如舊賽揚采用了 65nm 制程節點。那么,我們又該如何制造比光波還細小的零件呢?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,現在都已經摸到了極紫外(190 nm 左右)。

  新工藝不僅能夠將組件本身造得更小,且整體品質也可能更好,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。

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  (制造缺陷特寫,圖自:Solid State Technology)

  對于制程節點的規模,不同企業有著不同的宣稱。比如英特爾用 P1274 指代當前的 10nm 工藝,而臺積電稱之為 10FF 。

  在將格羅方德售出之后,AMD 現在靠的是臺積電代工,并且用上了 7nm 的量產工藝。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,EUV 光刻技術還是引發了許多嚴重的工程和制造難題。英特爾一直努力使其 10nm 產能趕上 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。

  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,導致有更大的潛在可能性會損壞正在制造的芯片。此外,小規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),導致制造商無法實現 100% 完美的芯片制造目標。

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  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,會遵循經典的物理學系統規則。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,想要實現這一目標,將變得更加困難,因為絕緣層的厚度還遠遠不夠。不過目前的生產問題,幾乎都集中在 EUV 光刻技術的固有缺陷上。

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

  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。


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