在計(jì)算機(jī)芯片領(lǐng)域，數(shù)字越大越好。例如更多內(nèi)核、更高 GHz、更大 FLOP，工程師和用戶(hù)都需要這些。但是現(xiàn)在有一種半導(dǎo)體測(cè)量方法很熱門(mén)，而且越小越好。那就是半導(dǎo)體制造和技術(shù)節(jié)點(diǎn)（又名工藝節(jié)點(diǎn)）。

　　但它究竟是什么，為什么如此重要？為什么它以納米為單位。在這篇文章中，我們用數(shù)字 10、7 和 5 吧這個(gè)詳情帶給你。

　　讓我們踏入流程節(jié)點(diǎn)的世界……

　　與芯片制造相關(guān)的最大營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)之一是特征尺寸。

　　在芯片行業(yè)，特征尺寸與所謂的工藝節(jié)點(diǎn)有關(guān)。事實(shí)上，這是一個(gè)相當(dāng)寬松的術(shù)語(yǔ)，因?yàn)椴煌闹圃焐淌褂眠@個(gè)短語(yǔ)來(lái)描述芯片本身的不同方面，但不久前它指的是一個(gè)晶體管兩個(gè)部分之間的最小間隙。

　　今天，它更像是一個(gè)營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，對(duì)于比較生產(chǎn)方法不是很有用。也就是說(shuō)，晶體管是任何處理器的關(guān)鍵特征，因?yàn)樗鼈兊慕M執(zhí)行芯片內(nèi)部完成的所有數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且非常需要來(lái)自同一制造商的更小的工藝節(jié)點(diǎn)。這里要問(wèn)的顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是為什么？

　　處理器世界中的任何事情都不會(huì)立即發(fā)生，也不會(huì)在不需要電源的情況下發(fā)生。更大的組件需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)改變它們的狀態(tài)，信號(hào)需要更長(zhǎng)時(shí)間的傳輸，并且需要更多的能量來(lái)在處理器周?chē)鷤鬏旊娏?。不要試圖聽(tīng)起來(lái)很鈍，更大的組件也會(huì)占用更多的物理空間，因此芯片本身更大。

　　在上圖中，我們看到的是三個(gè)舊的 Intel CPU。從左邊開(kāi)始，我們有 2006 年的賽揚(yáng)、2004 年的奔騰 M 和 1995 年的非常老的奔騰。它們的工藝節(jié)點(diǎn)分別為 65、90 和 350 nm。換句話說(shuō)，擁有更老歷史的設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件比相對(duì)年輕的設(shè)計(jì)要大 5 倍以上。另一個(gè)重要的區(qū)別是，較新的芯片內(nèi)部裝有大約 2.9 億個(gè)晶體管，而最初的奔騰只有 300 萬(wàn)多個(gè)；少了數(shù)百倍。

　　雖然工藝節(jié)點(diǎn)的減少只是最近設(shè)計(jì)在物理上更小并擁有更多晶體管的部分原因，但它確實(shí)在英特爾能夠提供這一點(diǎn)方面發(fā)揮了重要作用。

　　但真正的問(wèn)題是：賽揚(yáng)只產(chǎn)生大約 30 瓦的熱量，而奔騰只有 12瓦 。這種熱量來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)電流在芯片中的電路周?chē)苿?dòng)時(shí)，能量會(huì)因各種過(guò)程而損失，并且大部分以熱量形式釋放。是的，30 是一個(gè)比 12 更大的數(shù)字，但不要忘記該芯片有近 100 倍的晶體管。

　　因此，如果擁有更小的工藝節(jié)點(diǎn)的好處是將帶來(lái)更小的芯片，更多的晶體管，可以實(shí)現(xiàn)更快地切換——這讓我們可以在每秒內(nèi)進(jìn)行更多的計(jì)算——并且作為熱量損失的能量更少，它確實(shí)引出了另一個(gè)問(wèn)題：為什么不是世界上的每個(gè)芯片都使用盡可能小的工藝節(jié)點(diǎn)？

　　要有光！

　　在這一點(diǎn)上，我們需要看看一個(gè)叫做光刻的過(guò)程：光通過(guò)一種叫做光掩模的東西，它在某些區(qū)域阻擋光線，讓其他區(qū)域的光線通過(guò)。在它穿過(guò)的地方，光線會(huì)被集中成一個(gè)小點(diǎn)，然后它會(huì)與用于制造芯片的特殊層發(fā)生反應(yīng)，幫助確定各個(gè)部件的位置。

　　把它想象成你手的 X 光片：骨頭阻擋光線，充當(dāng)光罩，而肉體讓它通過(guò)，產(chǎn)生手內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。

　　光實(shí)際上并沒(méi)有被使用——即使是像舊的奔騰這樣的芯片，它也太大了。

　　您可能想知道地球上的光如何具有任意大小，但它與波長(zhǎng)有關(guān)。光是一種叫做電磁波的東西，一種不斷循環(huán)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的混合物。

　　雖然我們使用經(jīng)典的正弦波來(lái)可視化形狀，但電磁波并沒(méi)有真正的形狀。更重要的是，當(dāng)他們與某物交互時(shí)產(chǎn)生的效果遵循該模式。這種循環(huán)模式的波長(zhǎng)是兩個(gè)相同點(diǎn)之間的物理距離：想象海浪滾到海灘上，波長(zhǎng)是這些海浪的頂部相距多遠(yuǎn)。電磁波的可能波長(zhǎng)范圍很廣，因此我們將它們放在一起稱(chēng)為頻譜。

　　小，小，最小

　　在下圖中，我們可以看到我們所說(shuō)的光只是這個(gè)光譜的一小部分。還有其他熟悉的名稱(chēng)：無(wú)線電波、微波、X 射線等。

　　我們還可以看到波長(zhǎng)的一些數(shù)字；光的大小約為 10 -7米或大約 0.000004 英寸！

　　科學(xué)家和工程師更喜歡使用稍微不同的方法來(lái)描述這么小的長(zhǎng)度，它是納米或簡(jiǎn)稱(chēng)“nm”。如果我們查看光譜的擴(kuò)展部分，我們可以看到光的范圍實(shí)際上從 380 nm 到 750 nm。

　　回到這篇文章并重新閱讀有關(guān)舊賽揚(yáng)芯片的部分——它是在 65 納米工藝節(jié)點(diǎn)上制造的。那么如何制造比光還小的部件呢？簡(jiǎn)單：光刻工藝不使用光，它使用紫外線（又名 UV）。

　　在光譜圖中，紫外線從大約 380 nm（光結(jié)束的地方）開(kāi)始，一直縮小到大約 10 nm。英特爾、臺(tái)積電和三星等制造商使用一種稱(chēng)為 EUV（極紫外）的電磁波，其尺寸約為 190 納米。這種微小的波不僅意味著組件本身可以做得更小，而且它們的整體質(zhì)量可能會(huì)更好。這使得各個(gè)部分可以更緊密地包裝在一起，有助于縮小芯片的整體尺寸。

　　不同的公司為其使用的流程節(jié)點(diǎn)的規(guī)模提供了不同的名稱(chēng)。AMD 等處理器設(shè)計(jì)人員為較小的工藝節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建布局和結(jié)構(gòu)，然后依靠臺(tái)積電等公司來(lái)生產(chǎn)它們。

　　臺(tái)積電一直在努力開(kāi)發(fā)更小的節(jié)點(diǎn)（7nm、5nm，很快就會(huì)有 3nm），并為其最大的客戶(hù)制造芯片，包括蘋(píng)果、聯(lián)發(fā)科、高通、英偉達(dá)和 AMD。在這種生產(chǎn)規(guī)模下，一些最小的特征只有 6 納米（不過(guò)，大多數(shù)都比這大得多）。為了了解 6 nm 到底有多小，我們舉個(gè)例子。如構(gòu)成處理器主體的硅原子間隔大約 0.5 nm，原子本身的直徑大約為 0.1 nm。因此，作為一個(gè)大概的數(shù)字，臺(tái)積電的工廠處理的晶體管的寬度小于 10 個(gè)硅原子。

　　瞄準(zhǔn)原子的挑戰(zhàn)

　　撇開(kāi)令人難以置信的事實(shí)，即芯片制造商正在努力實(shí)現(xiàn)只有少數(shù)原子的特征，EUV 光刻技術(shù)引發(fā)了一系列嚴(yán)重的工程和制造問(wèn)題。

　　電磁波的波長(zhǎng)越短，它攜帶的能量就越多，這對(duì)正在制造的芯片造成更大的損壞可能性；非常小規(guī)模的制造對(duì)所用材料中的污染和缺陷也非常敏感。其他問(wèn)題，例如衍射極限和統(tǒng)計(jì)噪聲（EUV 波傳輸?shù)哪芰砍练e到芯片層的自然變化），也與實(shí)現(xiàn) 100% 完美芯片的目標(biāo)相悖。

　　還有一個(gè)問(wèn)題是，在這個(gè)怪異的原子世界中，電流和能量的傳遞不能再假設(shè)遵循經(jīng)典的系統(tǒng)和規(guī)則。以移動(dòng)電子（構(gòu)成原子的三個(gè)粒子之一）的形式保持電流沿著緊密間隔的導(dǎo)體向下流動(dòng)在我們習(xí)慣的規(guī)模上相對(duì)容易 - 只需用厚厚的絕緣層包裹導(dǎo)體。

　　在英特爾和臺(tái)積電正在努力的水平上，這變得更難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榻^緣層不夠厚。不過(guò)，就目前而言，生產(chǎn)問(wèn)題幾乎完全與 EUV 光刻固有的問(wèn)題有關(guān)，因此我們還需要幾年時(shí)間才能在論壇上開(kāi)始爭(zhēng)論 Nvidia 比 AMD 或其他類(lèi)似的廢話更好地處理量子行為！

　　這是因?yàn)檎嬲膯?wèn)題，生產(chǎn)困難背后的最終原因，是英特爾、臺(tái)積電和他們所有的制造密友都是企業(yè)，他們瞄準(zhǔn)原子的唯一目的是創(chuàng)造未來(lái)的收入。在Mentor 的一篇研究論文中，提供了以下概述關(guān)于較小的工藝節(jié)點(diǎn)需要多少晶圓成本……

　　例如，如果我們假設(shè) 28 納米工藝節(jié)點(diǎn)與英特爾用于制造其 Haswell 系列 CPU（例如 Core i7-4790K）的工藝節(jié)點(diǎn)相同，那么他們的 10 納米系統(tǒng)每個(gè)晶圓的成本幾乎是其兩倍。每個(gè)晶圓可以生產(chǎn)的芯片數(shù)量在很大程度上取決于每個(gè)芯片的大小，但采用更小的工藝規(guī)模意味著晶圓可能會(huì)產(chǎn)生更多的芯片可供銷(xiāo)售，從而有助于抵消成本的增加。不過(guò)，最終，通過(guò)提高產(chǎn)品零售價(jià)將盡可能多的成本轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者，但這必須與行業(yè)需求相平衡。

　　過(guò)去幾年智能手機(jī)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)，以及家庭和汽車(chē)中智能技術(shù)的近乎指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，意味著芯片制造商不得不從更小的工藝節(jié)點(diǎn)中吸收財(cái)務(wù)損失，直到整個(gè)系統(tǒng)足夠成熟大批量生產(chǎn)高產(chǎn)量晶圓（即那些缺陷盡可能少的晶圓）。鑒于我們?cè)谶@里談?wù)摰氖菙?shù)十億美元，這是一項(xiàng)有風(fēng)險(xiǎn)的業(yè)務(wù)，也是 GlobalFoundries 退出工藝節(jié)點(diǎn)競(jìng)賽的一個(gè)重要原因。

　　前景

　　如果這一切聽(tīng)起來(lái)有些悲觀，那么我們不應(yīng)該忘記，不久的將來(lái)確實(shí)看起來(lái)是積極的。就數(shù)量和收入而言，三星和臺(tái)積電的 5納米生產(chǎn)線已經(jīng)運(yùn)行了一段時(shí)間，利潤(rùn)率很高，芯片設(shè)計(jì)人員也在提前計(jì)劃，在他們的產(chǎn)品中使用多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　AMD 在其第三代銳龍CPU上首次亮相的小芯片設(shè)計(jì)和策略正在被其他芯片制造商復(fù)制。在這種情況下，AMD 的臺(tái)式 PC 處理器使用了兩顆臺(tái)積電 7 納米節(jié)點(diǎn)制造的芯片，以及一顆 GlobalFoundries 制造的 14 納米芯片。前者是實(shí)際的處理器部件，而后者處理連接到 CPU 的 DDR4 內(nèi)存和 PCI Express 設(shè)備。

　　上圖顯示了英特爾過(guò)去 50 年的工藝節(jié)點(diǎn)變化?？v軸以 10 為因子顯示節(jié)點(diǎn)大小，從 10 000 nm 開(kāi)始一直向上。這家芯片巨頭遵循了 4.5 年的粗略節(jié)點(diǎn)半衰期（每次將節(jié)點(diǎn)大小減少一半所需的時(shí)間）。

　　那么這是否意味著到 2025 年我們將看到英特爾的 5 納米工藝？可能是的，盡管他們?cè)?10 nm 上跌跌撞撞，但他們正在努力回歸。三星和臺(tái)積電一直在推進(jìn) 5 納米及以上的生產(chǎn)，因此各種處理器的未來(lái)看起來(lái)確實(shí)不錯(cuò)。

　　它們將更小、更快、使用更少的能源并提供更高的性能。它們將引領(lǐng)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)、具有當(dāng)前智能手機(jī)功率和電池壽命的智能手表，以及十年前價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的電影中無(wú)法看到的游戲圖形。未來(lái)確實(shí)是光明的，因?yàn)槲磥?lái)很小。