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為什么有人說CPU是人造物的巔峰?

2021-10-04 08:34:15 軟體設計

CPU是人造物的巔峰,這樣說并不準確,應該說CPU是普通人能夠接觸到的人造物巔峰,因為不好與航空發動機、生物技術等比較那一個技術含量更高,畢竟是跨領域,難點各不相同,

芯片的本質是將大規模的集成電路小型化

小到可謂在頭發絲上建造萬丈高樓,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納米相當于4倍原子大小,是一根頭發絲直徑的10萬分之一,比單個細菌(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,當然超高精度的機床,加工精度能夠達到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到納米級的尺度,在納米級的尺度上建高樓大廈,同時要使晶體管、銅導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,

光刻的原理其實特別簡單,就像我們在沙灘曬太陽,陽光能夠照射到的皮膚呈現一種狀態,而陽光不能照射到的皮膚呈現另一種狀態,

芯片的制造原理

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

芯片的圖紙設計好后,會制作成一層層的光罩(芯片是由幾十層電路構成,一層一個光罩),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被化學腐蝕反應分解出去(或用等離子體轟擊晶圓表面的方式去除沒有被光覆寫的位置),電路就會被刻在晶圓上了,

再通過離子注入把雜質離子轟進半導體晶格中,使晶格中的原子排列混亂或變成非晶區,將離子注入后的半導體放在一定溫度下進行加熱,恢復晶體的結構、消除缺陷,從而激活半導體材料的不同電學性能,

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,以便進行邏輯和模擬計算,
  • 化學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,

已經制作好的晶圓在經過化學腐蝕、機械研磨相結合的方式對晶圓表面進行磨拋,實作表面平坦化,然后再進行切片、封裝、檢測就做成了一塊完整的芯片,

在整個芯片制造程序中的極限難度

在整個芯片制造程序中難度并不在于“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齊,

這就是為什么AMSL的EUV坐在光刻機的巔峰,一枝獨秀形成高端光刻機市場的絕對壟斷地位,

為了控制光刻機精度的EUV光刻機系統采用極紫光作為光源,擁有10萬個零件、4萬個螺栓、3千條電線、2公里長軟管,絕大多數零件都是集全人類智慧大成的產物,如:美國的光柵、德國的鏡頭、瑞典的軸承、法國的閥件等,每臺EUV造價達1億美元,重達180噸,每次運輸要動用40個貨柜、20輛卡車,每次運輸需要3架次歡訓才能運完,安裝除錯也需要一年的時間,所以注定了ASML的EUV一年最高產量只有30部,

光刻機的原理雖然簡單,但要能制造出7nm、5nm芯片的光刻機難度可以想象,就算給你全部的零件和圖紙也很難除錯到可用的精度,

這并不是一個普通人能夠仰望的高度,甚至是一個國家難以仰望的高度,好在我國早已布局芯片產業,雖然存在技術代差,但這種技術代差在不斷縮小,也并不是所有的芯片都需要做小,目前7nm、5nm芯片也僅僅用于手機,

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