为什么有人说CPU是人造物的巅峰？

Posted 2021-10-21 一口Linux

CPU是人造物的巅峰，这样说并不准确，应该说CPU是普通人能够接触到的人造物巅峰。因为不好与航空发动机、生物技术等比较那一个技术含量更高，毕竟是跨领域，难点各不相同。

芯片的本质是将大规模的集成电路小型化

小到可谓在头发丝上建造万丈高楼，在方寸之间建造一座微缩的大型城市。

我们通常所说10nm、7nm、5nm的芯片中的纳米（nm）是指晶体管栅极的长度。1纳米相当于4倍原子大小，是一根头发丝直径的10万分之一，比单个细菌（5微米）长度还要小得多。

能工巧匠通过手工操作的最小尺度大概是在1粒米上刻字。当然超高精度的机床，加工精度能够达到0.01-0.001微米（μm）。

这就意味着通过双手和普通的工具很难达到纳米级的尺度。在纳米级的尺度上建高楼大厦，同时要使晶体管、铜导线及其他材料泾渭分明，就需要使用特殊的刻刀，用光来做刻刀。

光刻的原理其实特别简单，就像我们在沙滩晒太阳，阳光能够照射到的皮肤呈现一种状态，而阳光不能照射到的皮肤呈现另一种状态。

芯片的制造原理

芯片想要做的越小，在单位面积内容纳更多的晶体管来实现更多的功能同时降低能耗，使用更短波长的光源是最直接的手段。

芯片的图纸设计好后，会制作成一层层的光罩（芯片是由几十层电路构成，一层一个光罩）。然后让光透过光罩射到晶圆上，被光罩上的电路图挡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会被化学腐蚀反应分解出去（或用等离子体轰击晶圆表面的方式去除没有被光覆盖的位置），电路就会被刻在晶圆上了。

再通过离子注入把杂质离子轰进半导体晶格中，使晶格中的原子排列混乱或变成非晶区。将离子注入后的半导体放在一定温度下进行加热，恢复晶体的结构、消除缺陷，从而激活半导体材料的不同电学性能。

再通过气相沉积、电镀的方式形成金属连线或绝缘层。

• 物理气相沉积用于形成各种金属层，连通不同的器件和电路，以便进行逻辑和模拟计算。
• 化学气相沉积用于形成不同金属层之间的绝缘层。
• 电镀用于生长铜连线金属层。

已经制作好的晶圆在经过化学腐蚀、机械研磨相结合的方式对晶圆表面进行磨抛，实现表面平坦化。然后再进行切片、封装、检测就做成了一块完整的芯片。

在整个芯片制造过程中的极限难度

在整个芯片制造过程中难度并不在于“如何制备高纯度硅？”、“如何画芯片电路图？”、“如何制作光刻胶？”、“繁琐的工序”等，极限难度在于如何将电路刻画到晶圆上，同时又保持晶体管和电路的泾渭分明，并且在纳米的尺度上保持多层光刻电路的对齐。

这就是为什么AMSL的EUV坐在光刻机的巅峰，一枝独秀形成高端光刻机市场的绝对垄断地位。

为了控制光刻机精度的EUV光刻机系统采用极紫光作为光源，拥有10万个零件、4万个螺栓、3千条电线、2公里长软管，绝大多数零件都是集全人类智慧大成的产物，如：美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等。每台EUV造价达1亿美元，重达180吨，每次运输要动用40个货柜、20辆卡车，每次运输需要3架次货机才能运完，安装调试也需要一年的时间。所以注定了ASML的EUV一年最高产量只有30部。

光刻机的原理虽然简单，但要能制造出7nm、5nm芯片的光刻机难度可以想象，就算给你全部的零件和图纸也很难调试到可用的精度。

这并不是一个普通人能够仰望的高度，甚至是一个国家难以仰望的高度。好在我国早已布局芯片产业，虽然存在技术代差，但这种技术代差在不断缩小，也并不是所有的芯片都需要做小，目前7nm、5nm芯片也仅仅用于手机。