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？

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emailuser_nanso LV1 2022年5月21日 09:25 编辑

<section id="nice" style="font-size: 16px; padding-right: 10px; padding-left: 10px; word-break: break-word; overflow-wrap: break-word; line-height: 1.25; font-family: Optima-Regular, Optima, PingFangTC-Light, PingFangSC-light, PingFangTC-light; letter-spacing: 2px; background-image: linear-gradient(90deg, rgba(50, 0, 0, 0.05) 3%, rgba(0, 0, 0, 0) 3%), linear-gradient(360deg, rgba(50, 0, 0, 0.05) 3%, rgba(0, 0, 0, 0) 3%); background-size: 20px 20px; background-position: center center;"><h2 style="font-weight: bold; font-size: 22px; margin-top: 20px; margin-right: 10px; margin-bottom: 0px;">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？</h2> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/447/w760h487/20220513/1796-17283175d6c2dac5670a9ffd94738590.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/335/w701h434/20220513/2abe-79d3d011e3e3cd73a9ede8339a2ebb1f.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/500/w1200h900/20220513/66c1-5547dc2ec54f60bbc5fa60c1a0fcce6a.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/400/w1200h800/20220513/f109-06d42204a420759f2e112ee00c866a6f.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/245/w1080h765/20220513/6665-69afbb12cd622fe51b6ce966ec672940.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/664/w1279h985/20220513/4040-43095e082d5f02e1fadad8a200f265a9.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/224/w1232h592/20220513/d0f6-f1787f059c0d9de028cda6391d12bcac.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/404/w1280h724/20220513/b582-35b27b30aaad5253285ab95fd5426efb.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。 <figure style="margin-top: 10px; margin-bottom: 10px; display: flex; flex-direction: column; justify-content: center; align-items: center;"><img src="https://n.sinaimg.cn/sinakd20220513ac/252/w1080h772/20220513/519b-83486975fbe4fa9b53ef395b1c562421.jpg" alt="" style="max-width: 100%; border-radius: 6px; display: block; margin: 20px auto; object-fit: contain; box-shadow: 2px 4px 7px #999;"></figure> 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。</section>

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