為什么有人說“CPU是人造物的巔峰”？

時(shí)間：2021-10-11 14:23:48

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[導(dǎo)讀]“CPU是人造物的巔峰”這樣說其實(shí)并不準(zhǔn)確，應(yīng)該說“CPU是普通人能夠接觸到的人造物巔峰”。因?yàn)椴缓门c航空發(fā)動(dòng)機(jī)、生物技術(shù)等比較那一個(gè)技術(shù)含量更高，畢竟是跨領(lǐng)域，難點(diǎn)各不相同。芯片的本質(zhì)是將大規(guī)模的集成電路小型化小到可謂在頭發(fā)絲上建造萬丈高樓，在方寸之間建造一座微縮的大型城市。我...

“CPU是人造物的巔峰”這樣說其實(shí)并不準(zhǔn)確，應(yīng)該說“CPU是普通人能夠接觸到的人造物巔峰”。因?yàn)椴缓门c航空發(fā)動(dòng)機(jī)、生物技術(shù)等比較那一個(gè)技術(shù)含量更高，畢竟是跨領(lǐng)域，難點(diǎn)各不相同。

芯片的本質(zhì)是將大規(guī)模的集成電路小型化

小到可謂在頭發(fā)絲上建造萬丈高樓，在方寸之間建造一座微縮的大型城市。

我們通常所說10nm、7nm、5nm的芯片中的納米（nm）是指晶體管柵極的長度。1納米相當(dāng)于4倍原子大小，是一根頭發(fā)絲直徑的10萬分之一，比單個(gè)細(xì)菌（5微米）長度還要小得多。

能工巧匠通過手工操作的最小尺度大概是在1粒米上刻字。當(dāng)然，超高精度的機(jī)床，加工精度能夠達(dá)到0.01-0.001微米（μm）。

這就意味著，通過雙手和普通的工具很難達(dá)到納米級(jí)的尺度。在納米級(jí)的尺度上建高樓大廈，同時(shí)要使晶體管、銅導(dǎo)線及其他材料涇渭分明，就需要使用特殊的刻刀，用光來做刻刀。

光刻的原理其實(shí)特別簡單，就像我們?cè)谏碁裉?，陽光能夠照射到的皮膚呈現(xiàn)一種狀態(tài)，而陽光不能照射到的皮膚呈現(xiàn)另一種狀態(tài)。

芯片的制造原理

芯片想要做的越小，在單位面積內(nèi)容納更多的晶體管來實(shí)現(xiàn)更多的功能同時(shí)降低能耗，使用更短波長的光源是最直接的手段。

芯片的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)好后，會(huì)制作成一層層的光罩（芯片是由幾十層電路構(gòu)成，一層一個(gè)光罩）。然后讓光透過光罩射到晶圓上，被光罩上的電路圖擋住找不到光的部分留下，而被光照到的空余部分的感光材料會(huì)被化學(xué)腐蝕反應(yīng)分解出去（或用等離子體轟擊晶圓表面的方式去除沒有被光覆蓋的位置），電路就會(huì)被刻在晶圓上了。

再通過離子注入把雜質(zhì)離子轟進(jìn)半導(dǎo)體晶格中，使晶格中的原子排列混亂或變成非晶區(qū)。將離子注入后的半導(dǎo)體放在一定溫度下進(jìn)行加熱，恢復(fù)晶體的結(jié)構(gòu)、消除缺陷，從而激活半導(dǎo)體材料的不同電學(xué)性能。

再通過氣相沉積、電鍍的方式形成金屬連線或絕緣層。

物理氣相沉積用于形成各種金屬層，連通不同的器件和電路，以便進(jìn)行邏輯和模擬計(jì)算。
化學(xué)氣相沉積用于形成不同金屬層之間的絕緣層。
電鍍用于生長銅連線金屬層。

已經(jīng)制作好的晶圓在經(jīng)過化學(xué)腐蝕、機(jī)械研磨相結(jié)合的方式對(duì)晶圓表面進(jìn)行磨拋，實(shí)現(xiàn)表面平坦化。然后再進(jìn)行切片、封裝、檢測就做成了一塊完整的芯片。

在整個(gè)芯片制造過程中的極限難度

在整個(gè)芯片制造過程中難度并不在于“如何制備高純度硅？”、“如何畫芯片電路圖？”、“如何制作光刻膠？”、“繁瑣的工序”等，極限難度在于如何將電路刻畫到晶圓上，同時(shí)又保持晶體管和電路的涇渭分明，并且在納米的尺度上保持多層光刻電路的對(duì)齊。

這就是為什么AMSL的EUV坐在光刻機(jī)的巔峰，一枝獨(dú)秀形成高端光刻機(jī)市場的絕對(duì)壟斷地位。

為了控制光刻機(jī)精度的EUV光刻機(jī)系統(tǒng)采用極紫光作為光源，擁有10萬個(gè)零件、4萬個(gè)螺栓、3千條電線、2公里長軟管，絕大多數(shù)零件都是集全人類智慧大成的產(chǎn)物，如：美國的光柵、德國的鏡頭、瑞典的軸承、法國的閥件等。每臺(tái)EUV造價(jià)達(dá)1億美元，重達(dá)180噸，每次運(yùn)輸要?jiǎng)佑?0個(gè)貨柜、20輛卡車，每次運(yùn)輸需要3架次貨機(jī)才能運(yùn)完，安裝調(diào)試也需要一年的時(shí)間。所以注定了ASML的EUV一年最高產(chǎn)量只有30部。