爱读书 探索 1平方毫米如何集成上亿晶体管?为何造CPU比造原子弹还难?

1平方毫米如何集成上亿晶体管?为何造CPU比造原子弹还难?

你知道吗?你手上拿的智能手机,集成了人类最先进的科技,它是人类智力的最尖端成果之一。人手一个的智能手机,科技含量这么高,说出来很多人可能都不信?

看起来似乎有钱就能造手机,不过这主要得益于手机产业链比较发达健全,其实很多手机厂商本质上就是组装厂,并没有掌握多少核心科技,一旦关键零部件被禁用,就会被卡脖子。因为手机上核心零件的生产需要很高的技术,不是你想模仿就能模仿的。

智能手机本质上就是一台移动电脑,最核心的部位就是CPU了,它就像人的大脑一样重要,智能手机的性能也主要取决于它。

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世界上第1台计算机的大小相当于一座小房子,而现在指甲盖大小的CPU的计算性能就已远超那时。之所以会有如此翻天覆地的变化,这主要得益于单位面积上集成的晶体管数量越来越多。

一般来说,晶体管的数量越多,芯片的性能也就越强。一些厂商在宣传它们的CPU的性能时,就会宣扬他们的CPU集成了多少晶体管。

1平方毫米如何集成上亿晶体管?为何造CPU比造原子弹还难?

晶体管连接在一起,就能构成复杂的逻辑电路, CPU就是封装起来且具有特定功能的超大规模集成电路, 它的主要能力就是处理海量的数据。

现在计算机依旧采用的是冯·诺依曼架构,而CPU就是最关键的部位,它主要包含高速缓冲存储器、控制器和运算器三大部分。以手机为例,除了CPU和内部存储器,手机的屏幕、 麦克风、喇叭、传感器等则属于输入输出设备。

如果把晶体管的尺寸缩小,单位面积上就能集成更多的晶体管,这样就能在保持高性能的同时实现低功耗。所以CPU的更新升级,除了架构,往往就是在制程工艺上下功夫。

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现在世界上最先进的手机CPU的量产工艺已经到了5纳米水平,不过晶体管的尺寸已经快接近物理极限了。因为硅原子的物理尺寸在0.1纳米的级别,硅晶体管的尺寸再怎么缩小,也不可能比硅原子还小吧!

现在一块手机CPU已经能够容纳100多亿个晶体管,算下来每平方毫米上大约集成了上亿个晶体管。这么小的空间范围内,塞下这么多晶体管,这是难以想象的,所以有的人甚至认为这种技术来源于外星文明,可它真的是人类发明的。

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现在的集成电路普遍基于硅基半导体,那么这么多晶体管是如何装到一个小小的硅基晶片上的呢?

其实这么小的芯片并不是直接制造出来,然后再组装到一块的,而是直接在晶圆上像搭积木那样制造出来的,或者说是用光刻出来的。而且以人类现有的技术水平,单个制造再组装,根本就完成不了。

说到芯片的制造,大家一定会想到光刻机。要想在纳米尺度制造晶体管,用镊子、烙铁等工具肯定是不行的,需要用到光,通常采用的是极紫外光。光刻机就是据此设计出来专门用来制造大规模集成电路的设备,主要起到了一个刻刀的作用。刻刀越先进,蚀刻精度越高,所能制造出来的CPU的制程也就越小。目前这种先进的设备全球只有少数几家公司才掌握。而在整个芯片生产过程中,光刻部分也是最为复杂的和重要的了。

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制造CPU的天然材料其实就是沙子,沙子的主要成分是二氧化硅,我们要的则是几乎接近100%纯度的硅,用来制造硅晶圆片。

晶圆的直径一般为200毫米或300毫米,厚0.5~1.5毫米。制造晶圆是制造CPU的第1步,但很多都被卡在这一步了,这是因为生产过程中对硅的纯度、硅晶片的抛光精度要求非常高。

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芯片的逻辑电路是由晶体管组合起来构成的,一般是mos管,中文全名叫做金属氧化物半导体场效应晶体管。这种晶体管由栅极、源极和漏极三部分组成。

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晶圆制造好了之后,还需要通过高温加热在其表面沉积一层二氧化硅膜,然后再均匀地涂上光刻胶,这样就能用来曝光蚀刻了。光刻胶主要起到了一个保护作用,而被紫外线照射后的光刻胶在此后的过程中就能够被冲洗掉。

通过专业的软件设计好芯片的电路图,再据此设计出光罩。一块芯片通常包含很多层电路,所以需要很多光罩,而每一块光罩都十分复杂。

光线穿过光罩,经透镜缩小数倍后,会照射到晶圆上,被紫外线照射到的光刻胶会被冲洗掉,这样电路图就被刻到晶圆上了。然后还要将暴露出的二氧化硅层和部分晶圆蚀刻掉,形成沟槽,并使用离子注入工艺在特定区域掺杂,形成PN节。由于晶体管是3D的,有3个极,需要刻蚀很多次,才能将晶体管制作完成。

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并且在一个平面上仅做一层电路太浪费了,我们通常会叠加很多层,每一层之间用绝缘层隔离,而层一层之间、晶体管与晶体管之间会通过金属导线进行连接。金属导线也是通过蚀刻、沉积等流程制造出来的。重复很多次上述步骤,芯片电路就基本完成了。

最后对晶圆进行切割、封装,经过成品测试,只要性能符合要求,基本上就可以打包出库了。

1平方毫米如何集成上亿晶体管?为何造CPU比造原子弹还难?

从上面可以了解到,制造手机CPU的难度确实比造原子弹的难度大。要不是有《核不扩散条约》的限制,相信全世界很多国家都能够造原子弹。而不管是制造CPU还是制造原子弹,原理基本上都公开了,难就难在造CPU所需要的精度非常高,任何一个环节不过关,都能把你卡住。

其实,除了芯片的制造,芯片的设计也是一门很深、很重要的学问,设都设计不出来,就更不要谈制造了。

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