更小的芯片制造艺术,行业正艰难地向原子级进发

芯片硬件生态
cnBeta.COM
摩尔芯闻
2019-11-30 · 13:37
[ 亿欧导读 ] 本文主要讲述计算机芯片是如何被物理组装。
芯片,计算机芯片,工艺制程,晶体管 图片来自“123RF”

【编者按】在计算机芯片的世界中,许多参数都是“越大越好”。比如更多的内核、更高的 GHz 主频、以及更大的浮点运算能力。不同的是,在工艺制程上,整个行业都在极力向更微小的目标前进。从 10nm 到 7nm,直至 5nm 和更小的尺度。但在深入剖析原因之前,我们得先回顾下处理器的体系结构,以及工程师们是如何规划和设计芯片的。


写在前头:本文主要讲述计算机芯片是如何被物理组装的,涉及制造的光刻部分则简略带过。

在芯片行业里,特征尺寸与制程节点紧密相关,详细内容可参考《如何设计 CPU》的第三章节内容。

芯片内部的每个执行单元,都可完成数学运算和数据存储,且性能上相当依赖于工艺节点(特指同一制造商)的每一次迭代)。

然而在营销实践中,这个术语用起来还是相当宽松的,取决于制造商爱用晶体管间的最小数值、或是平均数值。

在处理器世界中,任何改变都不会一蹴而就。更大的组件,意味着需要更长时间才能变更其状态、信号需要更长的传播时间、以及需要消耗更多的能量,更别提大芯片会占用更多的物理空间了。

上图中展示了英特尔的三款旧 CPU,最左边的是 2006 年的赛扬、中间的是 2004 年的奔腾移动处理器、最右边的则是 1995 年的古老奔腾处理器。

三款芯片的制程节点分别为 65、90、350 nm —— 24 年前的产品,其关键部件的体积是 13 年前产品的五倍。

与此同时,较新的 CPU 内部有大约 2.9 亿个晶体管,而老奔腾只有它的百分之一(略超 300 万个)。功耗方面,2006 款赛扬处理器的 TDP 约 30W,老奔腾只有 12W 。

热设计功耗的增加,主要是随着电能在芯片中电路周围的流动,能量因各种过程而损耗,且其中大部分以热量的形式释放。尽管 30W 数倍于 12W,但新 CPU 的晶体管更是旧芯片将近百倍。

正因如此,采用较小的工艺节点,可使芯片更小、更快地切换晶体管、提升每秒的运算量、并减少能耗(热量)的散失。

那么,为何我们不“一步到位”,直接让所有芯片都使用最小的制程呢?说到这,就得提一下被称作“光刻”的生产流程了。

光掩膜会遮挡某些区域的光线,被允许穿透的光线会集中在一个小点上,然后与芯片制造中使用的特殊层发生反应,以确定各个零件的位置。

你可想象给胳膊拍了一张 X 光照片,骨头挡住了光线(起到了光罩的作用),而肌肉组织允许 X 射线的穿透,从而得出内部结构的图像。而光刻工艺的迭代,与光的波长有关。

光刻工艺的迭代,与光的波长有关

(图自:Philip Ronan,Gringer)

可见光(380 ~ 750 nm)只是光谱的一部分,其它还有无线电波、微波、X 射线等。你可从上图中见到光波的尺寸,大约在 10^-7 米左右(约 0.000004 英寸)。

言归正传,我们继续聊聊芯片的制造工艺,比如旧赛扬采用了 65nm 制程节点。那么,我们又该如何制造比光波还细小的零件呢?答案是采用紫外(EV)、甚至极紫外光刻(EUV)。

光谱图中,UV 始于 380nm 左右,直到 10nm 左右。英特尔、台积电、格罗方德等制造商,现在都已经摸到了极紫外(190 nm 左右)。

新工艺不仅能够将组件本身造得更小,且整体品质也可能更好,从而将各个零件紧密封装到一起,有助于缩小芯片的整体尺寸。

对于制程节点的规模,不同企业有着不同的宣称。比如英特尔用 P1274 指代当前的 10nm 工艺,而台积电称之为 10FF 。

在将格罗方德售出之后,AMD 现在靠的是台积电代工,并且用上了 7nm 的量产工艺。需要指出的是,尽管一些最小特征的跨度仅为 6nm,但其它多数特征还是略大于此的。

为了让普通人了解 6nm 到底有多小,就必须提到硅原子本身的直径为 0.1nm 左右,而构成处理器主体的大部分硅原子的间距仅在 0.5nm 。换言之,单个晶体管在各个方面都覆盖了不到 10 个硅原子。

抛开令人难以置信的事实,EUV 光刻技术还是引发了许多严重的工程和制造难题。英特尔一直努力使其 10nm 产能赶上 14nm 的水平,格罗方德更是在去年停止了 7nm 及以下制程的研发。

问题在于,随着电磁波长的越来越短,其携带的能量就越来越大,导致有更大的潜在可能性会损坏正在制造的芯片。此外,小规模制造对所用材料的污染和缺陷也高度敏感。

其它问题包括衍射极限和统计噪声(EUV 波传递的能量在其中沉积到芯片层中的自然变化),导致制造商无法实现 100% 完美的芯片制造目标。

EUV 波传递的能量在其中沉积到芯片层中的自然变化

还有一个问题是,在怪异的原子世界里,我们无法再假定电流和能量的传递,会遵循经典的物理学系统规则。移动电子的时候,遇到的各种棘手的问题也会更多。

就英特尔和台积电而言,想要实现这一目标,将变得更加困难,因为绝缘层的厚度还远远不够。不过目前的生产问题,几乎都集中在 EUV 光刻技术的固有缺陷上。

正因如此,我们要继续等待多年,才能评判量子处理方案是否更具优势。此外出于商业的考虑,更小的制程可节省更多的成本。

假如英特尔用 28nm 工艺去制造 Haswell 系列 CPU(如 i7-4790K),其成本将会翻一番。但通过在单个晶圆上切割出更多的芯片,能够在很大程度上抵消多出来的成本。

过去几年,以智能手机和家用 / 汽车为代表的芯片应用,已经呈现了近乎指数级的增长。芯片制造商也被迫承担因转向更小的制程节点而造成的财务损失,直到能够大规模量产的行业配套更加成熟。

尽管格罗方德的放弃听起来有些悲观,但三星和台积电在 7nm 制程的投入 / 产出方面还是让人感到有些欣慰。比如 AMD 最新发布的三代锐龙 CPU,就给市场打了一针强心剂。

该系列高端 PC 处理器采用了台积电 7nm 工艺,并结合了格罗方德生产的 14nm 芯片。前者可视作传统的 CPU 部件,而后者则是集成了 DDR4 内存控制器与 PCI Express 4.0 的 SoC 桥接组件。

上图显示了英特尔在过去 50 年里的制程节点变化,X 轴从 10 到 10000 nm、Y 轴从 1970 到 2020 。从整体上来看,这家芯片巨头大约每 4.5 年迭代一次。

如果一切顺利,其有望在 2025 年推出 5nm 产品线(希望 10nm 产能别再拖后腿)。同时三星和台积电也在积极投入 5nm 研究,但愿该行业还能继续给消费者带来惊喜。

本文已标注来源和出处,版权归原作者所有,如有侵权,请联系我们。

各工作岗位将被AI取代的概率

选择岗位,查看结果

制图员和摄影师

87.9%

参与评论

最新文章

1、 若贵平台是网站或者APP,在进行单篇原创文章转载时,需在文章标题或者导语下方,注明文章来源以及作者名称;若寻求5篇及以上的长期内容合作,需与亿欧公司内容运营部门取得联系,并签订转载合作协议。

【若贵司平台转载亿欧公司原创文章已经超过5篇,请及时与我们联系补签转载合作协议,计算时间以2019年2月10日之后为准】

2、 若贵平台是微信公众号,在进行单篇原创文章转载时,请联系亿欧公司内容运营人员进行单篇文章的白名单开通,同样需要注明文章来源及作者名称;若寻求2篇及以上的长期内容合作,需与亿欧公司内容运营部门取得联系,并签订转载合作协议。可将公司全称(简称)、公司网址、微信公众号、微信或者电话等信息发送至hezuo@iyiou.com,会有工作人员与您取得联系。

关闭

快来扫描二维码,参与话题讨论吧!

快捷登录 密码登录
获取验证码

新用户登录后自动创建账号

登录表示你已阅读并同意《亿欧用户协议》

快捷登录 密码登录

账号为用户名/邮箱的用户 选择人工找回

关联已有账户

新用户或忘记密码请选择,快捷绑定

账号为用户名/邮箱的用户 选择人工找回

快速注册

获取验证码

创建关联新账户

发送验证码

找回密码

获取验证码
账号为用户名 / 邮箱的用户 选择人工找回

未完成注册的用户需设置密码

如果你遇到下面的问题

我在注册/找回密码的过程中无法收到手机短信消

我先前用E-mail注册过亿欧网但是现在没有办法通过它登录,我想找回账号

其他问题导致我无法成功的登录/注册

请发送邮箱到service@iyiou.com,说明自己在登录过程中遇到的问题,工作人员将会第一时间为您提供帮助

账号密码登录

乐乐呵呵@微信昵称

该亿欧账号尚未关联亿欧网账户

关联已有账户

曾经使用手机注册过亿欧网账户的用户

创建并关联新账户

曾用微信登录亿欧网但没有用手机注册过亿欧的用户

没有注册过亿欧网的新用户

先前使用邮箱注册亿欧网的老用户,请点击这里进入特别通道
意见反馈
意见反馈
亿欧公众号 亿欧公众号
小程序-亿欧plus 小程序-亿欧plus
返回顶部