知否|现实版"点石成金":芯片是怎样从沙子炼成的?

2019-05-21 07:32:30 来源: 知否 举报
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作者 | 易平

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)

如果要评选世界上近一百年最伟大的工业品,芯片无疑是其中最具代表性的产品。而芯片制造是真正意义上的“点石成金”,售价高昂的芯片,原材料就是普普通通的沙子,如何将沙子做成人类工业精华的芯片,就成了一个难题。

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如何在指甲盖大小的硅片上设计

无论做什么芯片,首先都需要对芯片进行设计,目前主流的电脑芯片大多采用X86架构,而手机移动端芯片基本都采用ARM架构,这是针对不同平台的需求进行的不同设计;相比之下X86更注重高性能,而ARM更注重低功耗

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移动端芯片设计可以利用类似arm这样的公司提供的“公版设计”方案再设计。我国在芯片厂商能设计目前世界上最先进的7nm制程芯片。尽管也是依据ARM的公版架构,但是仅仅拥有ARM的架构授权就好比你要建立一个小区,但只知道每个小房子怎么造,而这个小区建多少楼,建几层,如何通水通电,小区绿化这些都要设计公司去考虑。综合来看,说海思代表我国目前最高的芯片设计能力丝毫不为过。

不过在另一个重要的芯片制造领域,我国目前还距离最先进的水平有很大差距。

几十亿晶体管如何凝聚在芯片之中

芯片的制造是一个很复杂的过程,首先要从沙子中提炼出高纯度的硅。

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选择用主要成分是二氧化硅的沙子的原因有很多,比如,硅具有良好的半导体特性,而且高温下极其稳定。常温下硅的导电性能并不好,因为每个硅原子外层都有四个电子,而每个硅原子都与四个硅原子形成稳定的化学键,这样就没有额外的电子来用于导电。但是如果往硅单晶里掺入一点点杂质,比如或是,那么其导电性便会成几何级数倍地提高。磷原子外层有五个电子,当一个磷原子取代一个硅原子的位置后,那么就多出了一个可以自由移动的电子,这样导电性能就大大提升了。硼原子外层只有三个电子,当一个硼原子代替一个硅原子的位置之后,则多出了一个带正电荷的空穴,导电性同样也提高了。杂质浓度越高,导电性越好。

其次用来做的半导体材料需要极高的纯度,不能有别的杂质,而硅这种东西相对容易得到,其起始原料来源就是我们常见的沙,而且也比较容易提纯。

硅的氧化产物二氧化硅是一种绝佳的绝缘体,而且耐高温,这个特性让硅成为半导体材料的最佳选择,因为在集成电路中,除了需要容易导电的的介质,也需要容易加工制造的绝缘层,这样才不容易出现漏电现象

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将硅进行切割,成为晶圆,然后再经过:蚀刻、离子注入、电镀、抛光等,将极其复杂的电路结构,在晶圆上制造出来最后测试、切割、封装,就成为了我们平时能够看到的CPU芯片芯片制造的技术,之所以非常的困难,就在于要通过将近5000道工序,把数亿个晶体管,在一片只有指甲盖大小的硅晶片上制造出来,还要进行复杂的逻辑设计,难度不亚于把全国的路网,规划到这一点点的空间里面正是因为制造的流程非常复杂,研发投入大,回报周期长,失败率高,产业更新快,所以形成了非常高的行业门槛。

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当购买计算机或手机时我们常常关注处理器的制程和性能,商家也往往重点宣传这一方面,面对7nm,10nm这样的数字,我们消费者应该知道些什么呢?

作为消费者,你需要知道这个数字代表着处理器中晶体管的大小,晶体管是CPU和数字电路的构建模块。

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要知道根据摩尔定律,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这样的性能翻倍的带来重要就是靠制程的不断提升而带来的。

要理解缩小制程的用意,缩小电晶体的最主要目的,就是可以在更小的芯片中塞入更多的电晶体,让芯片不会因技术提升而变得更大;其次,可以增加处理器的运算效率;再者,减少体积也可以降低耗电量;最后,芯片体积缩小后,更容易塞入行动装置中,满足未来轻薄化的需求。

再回来探究纳米制程是什么,以14纳米为例,其制程是指在芯片中,线最小可以做到 14 纳米的尺寸,下图为传统电晶体的长相,以此作为例子。缩小电晶体的最主要目的就是为了要减少耗电量。

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不过,制程并不能无限制的缩小,当我们将电晶体缩小到 20 纳米左右时,就会遇到量子物理中的问题,让电晶体有漏电的现象。所以目前总会有目前工艺发展已经触碰到物理极限了这种说法,事实上,制程进步速度虽然会放缓,但是我们不断追求新工艺的热情是不会减少的。

最后

从设计到加工,这其中涉及的科学技术与工艺流程非常的高深繁杂,除了基础科学扎实的研究努力,芯片产业需要一种实实在在的精神和坚持不懈的意志力,需要一种沉稳与踏实。希望大家能在未来的生活中能多多关注这个产业,对芯片人的努力钻研多一份理解和尊重。

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乔俊婧 本文来源:知否 责任编辑:乔俊婧_NBJ11279
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