为什么说CPU是人造物的巅峰?做一块芯片有多难?

 问蕊      

手机芯片、电脑芯片现在已经不再是人们陌生的词汇,虽然不完全知道它们究竟是在怎么制造出来的但是方寸之间强悍的运算能力却有一种叫人望而生畏的感觉。有人说,咱们人类创造的最巅峰的事物之一就是:芯片。如果我们用肉眼看的话,一块封装完成的芯片又轻又小,漂亮的点整排列但是却似乎内敛着无尽的能量。



说起芯片现在人们最熟悉的可能就是5nm这样的数字。你知道吗,1纳米差不多是1/100000的头发丝的直径。很显然这个单位我们用肉眼已经观察不到。但是当我们使用高倍仪器的时候,那些集成在芯片上的"高楼大厦"开始一点一点展现出真容的时候你可能才会发现,原来在这一个厘米见方的小东西上,有着比一座城市还要复杂的"建筑"和管道。



你知道吗,CPU的最原始材料就是几乎纯净度最高的硅片,进行一系列的打磨和数百道工艺之后才能进行封装。而如果我们将这片核心放大的时候就能看见一层又一层的晶体管排布,越接近器件层就越大,而最上层则越小。现在技术,一枚绣花针的针尖大小,人们可以放3000万个晶体管进去。



而芯片之上的晶体管通俗地讲他是有一个所谓的相邻宽度的,我们叫做栅极长度。最早这个数值可能在21纳米,然后变成16纳米,进而变成10纳米、7纳米,到了今年就变成了5纳米制式。这意味着什么呢?在面积不变间距不变的情况下,5纳米的晶体管排列数量会比21纳米呈几何倍数的番升。



很显然,这样量级的密度简单依靠人工和一般的精密仪器已经很难达到了。但是有一个事物却可以帮助我们一瞬间就完成这些复杂链路的投影和保留,它就是光。而上面所说的投影和保留就是:光刻。这个词想必大家也不陌生,著名的麒麟9000芯片就被这个光刻技术折磨得成为绝唱。



从芯片领域我们就能知道,作为人类我们在宏观上开始探索宇宙,在微观上也能筑起精密复杂的工程。而微观上的设计和实施受制于面积给人带来的感觉就是难度极高。毕竟很多精密仪器本身也离不开所谓的芯片支持。我们现在的手机内部空间有限,但是人们又追求性能。所以芯片会越做越小。但是并不是所有的领域都在空间上如此局促,那么当空间大空间遇见现在芯片技术的时候就意味着人类总体实力的提升。



设计一个芯片无异于设计一个庞大而又复杂的工程,所幸的是在这一点上咱们中国做得非常出色。华为用自己的设计能力告诉世界5G芯片的模板是什么样子,引发的震动到现在都还没有平息。只希望未来,这个难关会被度过而我们的芯片实力也能进一步的飞跃。


人造物的巅峰之作:CPU


CPU是普通人能接触到的人造物巅峰。是因为生产CPU的高端光刻机是世界上任何一个国家无法单独制造出来的,集合了世界上多个国家最先进的技术成果一起制造出来的高端光刻机,其高科技程度可以说完全不似地球产物。此外,CPU的制造工具光刻机也是人类当今先进科技的结晶。不仅仅只有手机和电脑中有CPU,像汽车,飞机,舰船,卫星等这些设备中也有CPU,几乎如今所享受到科技带来的便捷离开了CPU就运行不了,而芯片则是众多科技的结晶。



半导体芯片生产技术涉及了材料学+化学+物理+光学+自动化等诸多领域。当然了,很多产品都可能涉及了众多领域,但大部分民用产品都不需要每一项都做到极端。而半导体芯片都需要用到各个领域最高端的天顶星技术。


半导体芯片基本都是建立在硅晶圆的基础之上的。虽然都说晶圆是沙子造的,但沙子到芯片需要动用人类所能做到的最高材料提纯技术。首先石英砂与碳粉在电炉中加热,二氧化硅被还原得到粗硅。而后与氯气反应得到四氯化硅或者三氯氢硅,这两种硅的氯化物都是液体,对于液体,我们可以采用精馏的手段来进一步提纯。最后用高纯氢气还原得到高纯硅。得到高纯硅后,还需要拉出单晶硅棒。化学反应看上去很简单,但其实对于过程设备要求极高,需要避免一切可能存在的原子级污染。


硅晶圆目前还是人类所掌握的纯度最高表面最光滑的材料,纯度能达到99.999999999%,表面能做到原子级的光滑。为提高纯度而这么大费周章的材料,我们不自然的能想到的就是是核武器用的浓缩铀。同样需要超高纯度的还有生产用的各种气体,很多纯度要达到ppb以下。


目前芯片普遍采用的是铜互联工艺,简单来说就是在蚀刻出的沟槽中填满铜,然后采用化学机械研磨将多余的铜去除,沟槽内的铜形成了互联的导线,然后化学机械研磨用来去除多余的铜。通过研磨颗粒的机械作用将表面氧化铜去掉。最终能把厚度控制在几个纳米的范围内。也就是说几个原子层的浮动范围。而这一精度却是用宏观机台来实现的。有个很不恰当的比喻,好比是开着挖掘机用微型吸管吸出整个细胞核,同时不能破坏细胞其他结构。


CPU是人类数学、物理、化学研究的最高结晶:人类可以按照自己的意志,将物质的尺度控制在7nm的宽度,或者说,50个原子的宽度,并且,实现量产。这绝对是人类有史以来最黑的黑科技,没有之一。为了实现这样的黑科技,人类历史上最伟大的灵魂直接或间接的为之做出过巨大的贡献,他们包括但不限于:阿基米德、牛顿、爱因斯坦、高斯、法拉第、麦克斯韦、焦耳、安培、普朗克、薛定谔、玻尔、海森堡、傅里叶、拉普拉斯、图灵、冯诺依曼……


CPU还有一个伟大的地方就在它能够批量化生产,能够工业化生产,能够把价格降到你我都能享受的地步。而且,一颗CPU的商业化生产,需要全球化的产业链和消费市场。它背后所代表的一切,才是人类社会的巅峰。



一颗AMD Ryzen 9 3950X,利用7nm工艺汇聚16个物理核心、IO核心和外围元器件在一个四厘米见方的PCB上,用1331根针脚跟你PC上其他部件交互。它汇聚了多少个世界上最聪明的头头脑脑的智力成果,经过全球产业链的鼎力合作,到最后在淘宝和天猫上以5800元左右的价格让你能够购买,这本身是现代化工业流水线和国际贸易的产物,这才是CPU最伟大最巅峰的东西。


CPU的作用是空前强大的。CPU作为人类的第二大脑,帮助人类完成了这件事。把CPU放在工厂的机械臂上,机器人上,CPU可以24小时不停工,不停产,不感到厌烦的工作和生产,源源不断的产出GDP。CPU解放了人脑中所不愿意承担的工作:计算和重复。当这些被解放之后,人类会把大脑更多的运用在创造和发明上。推动社会更上一个台阶。所以,CPU应该就是人类最好的发明了,是人造物的巅峰。


来源:知识酷儿、北纬已北2020

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