芯片“特征尺寸”背后的秘密

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2019-06-26 · 10:45
[ 億歐導讀 ] 與芯片制造相關的最大營銷術語之一是特征尺寸。到底是10、7還是5?讓我們進入制程節點的世界一探究竟。
芯片,計算機芯片,半導體,芯片制造,英特爾,制程節點 圖片來自“123rf.com.cn”

在計算機芯片領域,往往數字越大越好。更多內核,更高GHz,更快的浮點運算,工程師和用戶都希望這樣。但現在有一個衡量標準火了,越小越好。它究竟是什么?為什么會這么重要?為什么以納米為單位測量?為什么我們要走進芝麻街,把這篇文章帶到你面前,數字到底是10、7還是5?讓我們進入制程節點的世界一探究竟。

在深入研究之前,值得花些時間研究一下CPU架構。在第一部分中,我們介紹了處理器的基本架構,在第二部分中,我們研究了工程師如何規劃和設計它們。

與本文相關的關鍵部分是解釋如何將計算機芯片物理地組合在一起。如果您想深入了解制造工藝,您需要仔細閱讀光刻部分,而在本章節中,我們將重點介紹以下幾點:

與芯片制造相關的最大營銷術語之一是特征尺寸。

在芯片工業中,特征尺寸與被稱為制程節點的東西有關。正如我們在第3部分“CPU的設計”中提到的,這是一個相當寬松的術語,因為不同的制造商使用這個短語來描述芯片本身的不同方面,但不久前它被用來描述晶體管兩個部分之間最小的間隙。

今天,它更像是一個營銷術語,對于比較生產方法不太有用。也就是說,晶體管是處理器的一個關鍵特性,由于它們的組執行所有的數字處理和數據存儲都在芯片內,因此非常需要來自同一制造商的更小的制程節點。顯而易見,你想問為什么?

在處理器的世界里,什么都不會立即發生,也不會在不需要電源的情況下發生。更大的元件需要更長的時間來改變它們的狀態,信號需要更長的時間來傳輸,并且需要更多的能量來移動處理器的電子。雖然聽起來不笨重,但更大的元器件占用更多的物理空間,因此芯片本身更大。

Intel CPU

在上圖中,我們看到的是三個舊的Intel CPU。從左邊開始,分別是2006年的賽揚,2004年的奔騰M以及1995年的舊奔騰。它們的制程節點分別為65、90和350納米。換言之,24年來設計中的關鍵部件比13年來設計中的關鍵部件大5倍以上。另一個重要的區別是,新的芯片內置了大約2.9億個晶體管,而原來的奔騰只有300多萬個,幾乎是幾百倍的差距。

雖然制程節點的減少只是最近設計的物理尺寸更小、晶體管數量更多的原因之一,但它確實在英特爾能夠提供這一功能方面發揮了重要作用。

真正的問題是:與奔騰的12W相比,賽揚產生了大約30W的熱量。這種熱量來自這樣一個事實:當電流(electricity)被推到芯片的電路上時,能量通過不同的過程而損失,絕大多數能量以熱量的形式釋放出來。是的,30是一個比12大的數字,但別忘了,賽揚芯片上的晶體管比奔騰多近100倍。

因此,如果擁有一個更小的制程節點的好處會是產生更小的芯片,能使更多的晶體管可以更快地轉換,實現更強的計算,以及減少能量作為熱量的損失。那么為題來了——為什么不是每一個芯片都使用盡可能最小的制程節點呢?

這就要從另一個方向談起——要有光!

At this point, we need to have a look a process called photolithography: light is passed through something called 在這一點上,我們需要看一個稱為光刻的過程:光通過一種稱為光掩模的東西,這個東西在某些區域阻擋光,并讓其通過其他區域。在經過的地方,光線會聚焦成一個小點,然后它會與芯片制造過程中使用的特殊層反應,幫助確定各個部件的位置。

想象一下,這就像是你手上的X光:骨頭阻擋了光線,充當光掩模,而肉體讓它通過,產生了手的內部結構的圖像。

光實際上并沒有被使用——即使是像舊奔騰這樣的芯片,它也太大了。你可能很想知道為什么光會有大小的說法,實際上它與波長有關。光是一種叫做電磁波的東西,是一種不斷循環的電場和磁場混合物。

雖然我們使用經典的正弦波來觀察形狀,但電磁波并沒有真正的形狀。更重要的是,當它們與某種事物發生交互時,它們產生的效果遵循這種模式。這種循環模式的波長是兩個相同點之間的物理距離:想象海浪在沙灘上滾動,波長是海浪頂部的距離。電磁波的波長范圍很廣,因此我們將它們放在一起并將其稱為光譜。

小,小,最小

在下面的圖片中,我們可以看到我們所說的光只是這個光譜中的一小部分。還有其他熟悉的名字:無線電波、微波、X射線等等。我們還可以看到波長的一些數字;光的大小大約是10-7米,或者大約是0.000004英寸!

科學家和工程師更喜歡用一種稍有不同的方法來描述這么小的長度,即納米或nm。如果我們觀察光譜的擴展部分,我們可以看到光實際上在380納米到750納米之間。

光譜

圖片來源:Philip Ronan,Gringer

回顧一下這篇文章,重新閱讀關于舊賽揚芯片的部分 - 它是在65納米制程節點上制造的。那么,怎樣才能制造出比光小的零件呢?簡單:光刻工藝沒有使用光,而是使用紫外線(亦稱UV)。

在光譜圖中,UV從大約380 nm開始(光消失時)并一直縮小到大約10 nm。英特爾,臺積電和GlobalFoundries等制造商使用一種稱為EUV(極紫外線)的電磁波,大小約為190nm。這種微小的波動不僅意味著組件本身可以被制造得更小,而且它們的整體質量可能更好。這使得不同的部件可以緊密地封裝在一起,有助于縮小芯片的總體尺寸。

不同的公司為其使用的流程節點的規模提供不同的名稱。英特爾將他們最新的一款產品命名為p1274或“10nm”,而臺積電則簡單地稱之為“10FF”。AMD等處理器設計師為較小的制程節點創建布局( layout )和結構(structures),然后依靠臺積電這樣的公司來生產它們,后者在今年早些時候加快了他們的“7nm”產險的擴產步伐。在這種生產規模下,一些最小的特征點只有6納米寬(不過,大多數功能都比這大得多)。

為了真正了解6納米有多小,我們這樣看。構成處理器主體的硅原子間距大約為0.5納米,原子本身的直徑大約為0.1納米。因此,作為一個大概的數字,臺積電的工廠處理的晶體管覆蓋寬度小于10個硅原子。

瞄準原子的挑戰

撇開芯片制造商正在努力開發只有少數幾個原子寬的特征點這一令人難以置信的事實不談,EUV光刻技術已經引發了一系列嚴重的工程和制造問題。

英特爾一直在努力使其10納米的產量達到14納米的水平;去年,GlobalFoundries停止了7nm和更小的生產系統的所有開發進程。雖然英特爾和GF的問題可能不是由于EUV光刻固有的困難造成的,但不能說完全無關。

電磁波的波長越短,其承載的能量越多,這導致對制造的芯片的損壞的可能性更大; 非常小規模的制造對正在使用的材料中的污染和缺陷也非常敏感。其他問題,如衍射極限(diffraction limits )和統計噪聲( statistical noise :EUV波傳輸的能量沉積到芯片層的自然變化),也與實現100%完美芯片的目標相悖。

還有一個問題是,在原子這個奇怪的世界里,電流和能量轉移不能再假定為遵循經典的系統和規則。以運動的電子(構成原子的三個粒子之一)的形式保持電能沿著導體向下流動,在我們習慣的尺度上相對容易——只要用一層厚厚的絕緣層包裹導體。

從過年英特爾和臺積電的工作現狀看,這變得更難實現,因為絕緣層還不夠厚。不過,目前生產問題幾乎都與EUV光刻技術固有的問題有關,因此,我們還需要幾年的時間才能開始在論壇上討論Nvidia比AMD更好地處理量子行為或其他類似的胡說八道!

這是因為真正的問題,即生產困難背后的最終原因,是英特爾,臺積電及其所有制造伙伴都是純粹的商業企業,他們將原子用于創造未來收入作為唯一目的。但在Mentor的商業研究報告中,提供了以下概述,越小的制程節點就需要越高的晶圓成本。

制程節點與晶圓成本的關系.jpg

例如,如果我們假設28納米進程節點與英特爾用于生產其Haswell系列CPU的節點相同(如酷睿i7-4790K),那么他們的10納米系統的每片晶圓成本幾乎是前者的兩倍。每片晶圓能夠生產的芯片數量在很大程度上取決于每片芯片的大小,但采用較小的工藝規模意味著一片晶圓可能會產生更多的芯片來銷售,這有助于抵消成本的增加。最終,盡可能多的成本將通過提高產品零售價格推向消費者,但這必須與行業需求相平衡。

過去幾年智能手機銷量的增長,以及家庭和汽車智能技術的近乎指數級增長,意味著芯片制造商不得不承受因為進入較小的制程節點而遭受的財務損失,直到整個系統足夠成熟,能夠生產出高產量的晶圓(即那些含有盡可能少的缺陷的晶圓)。鑒于我們談論的是一項數十億美元的風險很大的業務,這也是GlobalFoundries退出先進制程競賽的原因之一。

前景

如果這一切聽起來有些悲觀,但我們不應該否認,眼前的未來看起來是積極的。三星和臺積電的7nm生產線不僅在數量和收入方面上實現了良好運營,而且芯片設計者也在計劃在其產品中使用多個節點。近來最著名的例子是AMD最近宣布的Ryzen 3900X CPU的芯片設計。

這款頂級臺式PC處理器將采用臺積電7納米節點來制造兩款芯片,以及由GlobalFoundries制造的一款14納米芯片。前者將是實際的處理器部件,而后者將處理連接到CPU的DDR4內存和PCI Express設備。假設這種設計按預期工作(并且沒有理由懷疑它應該如此),那么我們幾乎肯定會看到更多的公司遵循這個多節點設置。

英特爾制程節點的變化過程

上圖顯示了英特爾制程節點在過去50年中的變化。垂直軸以10倍的系數顯示節點大小,從10000 nm開始一直向上。該芯片巨頭已經遵循了4.5年的粗略節點半衰期(每次減少一半節點大小所花費的時間)。

那么,這是否意味著到2025年我們將看到5納米的英特爾?可能是的,盡管他們最近在10納米的技術上遇到了困難。但三星和臺積電一直在推進他們的5納米研究,因此未來對各種處理器都是有利的。

它們將越來越小,速度越來越快,能耗越來越低,性能也越來越高。它們將引領人們走向全自動汽車,具有當前智能手機的電量和電池壽命的智能手表,以及超過十年前數百萬美元電影中所見的游戲中的圖形。

未來確實很光明,因為未來很小。


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