詳細講就太複雜了,現在做一個晶片得幾百上千道工序。
簡單講就是這樣的:首先想象一條線,初中數學和物理告訴我們線沒有寬度,實際上這是不可能的!按人類現在的水平,一條線的寬度至少也是一個原子的直徑。那麼怎樣才能畫出一條很細很細細到與原子直徑一個量級的線呢?答案就是使用光束。
製造晶片必不可少的一個東西就是掩模版,它是一個玻璃基板,透過電子束等手段在上面畫出高精度的電路圖形。光束透過掩模版就能把電路圖形的陰影轉移到另一塊板子上,而且中間還會經過一塊凸透鏡,聚焦光束,起到把圖象縮小的作用。可能需要經過多級縮小。另一個必不可少的東西是光刻膠,光刻膠經過光照之後可能“變硬(不被化學試劑刻蝕)”或者“變軟(會被化學試劑刻蝕)”。
這樣,首先在矽片上塗一層光刻膠,然後把矽片放在掩模版下面,再用光束照射掩模版。經過一段時間的曝光,被照射的光刻膠區域發生變化,然後用化學試劑刻蝕,就在矽片上留下了想要的圖形。這個過程俗稱“光刻”。最後,再對矽片進行摻雜,也就是加入三族(硼)或者五族(磷)元素,形成相應的P型或者N型電晶體。如果矽片上面還殘留了光刻膠,那麼光刻膠就會阻擋摻雜元素進入下面的矽片,保護矽片不被摻雜;對於那些光刻膠被刻蝕的區域,摻雜元素就進入矽片,形成晶體管了。早期的摻雜手段是化學氣相沉澱,現在都是用離子注入機直接發射高速離子轟擊矽片,直接“撞”進矽片。電晶體是積體電路的基石,有了電晶體就能搭建成任何想要的電路。經過多次光刻後,一塊矽片上就形成了想要的圖形,也就是密密麻麻的電晶體組成的電路。
再說一下光束種類的重要性。根據波長=光速/頻率,頻率越高,光的波長越短。按高中物理的知識,波長越短的光,就越能直接穿過狹小的縫隙而不發生衍射。因此電晶體尺寸的縮小、線條的變細,離不開高頻的光束。所以在7nm工藝之後,為什麼都講極紫外光(EUV),因為極紫外光的波長是10-14nm,目前只有它才能刻出這麼細的線條(PS: IC製程節點的几几nm指的是電晶體溝道的寬度,溝道寬度越短越好,越短電晶體效能就越好,而且溝道是不摻雜的區域,需要光刻膠保護,所以電晶體效能的好壞,就取決於你能畫多細的一條線)。最早的製程節點是10微米,然後逐步發展到今天的7奈米。發展速度之快是人類所有產業中前所未有的,只能說摩爾定律牛逼!
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關於摩爾定律的終結:一條線不可能無限變細,所以摩爾定律必有終結的一天,只不過被無數科學家和工程師的努力拖延到今天還沒結束。理論上,極限寬度是3nm,而一個矽原子的直徑是0.5nm。按3年縮一半的速度,不出5年就到頭了(英特爾擠牙膏的日子越來越少了( ̄▽ ̄)")。
關於幾十上百億電晶體:你可能覺得這很神奇(其實真的很神奇,要知道摩爾等人做的第一個積體電路才6個電晶體,不到五十年時間翻了幾億、幾十億倍( ̄_ ̄|||)),其實如果瞭解版圖的話,你就知道刻幾條線就可能出來了成千上萬個電晶體。而且CPU超過60%的面積都是cache,這些都是很簡單的重複單元,隨便幾條線就出來很多。GPU就更不用說了,都是幾百上千個重複的小核心。而且現在製造處理器的一個很大挑戰是金屬導線的連線,電路越來越複雜,連線線也就越來越多。以前一個晶片只有兩三層金屬,現在都十幾二十層了。反倒是製造電晶體容易多了。
(a)圖是一個SRAM(cache)的常見版圖,裡面有6個電晶體,這6個電晶體能存1bit資訊,也就是一個0或者1;(b)圖是四個(a)的複製,想象一下把它拉長拉高,是不是幾根線條就造出了很多電晶體?
這是最新的Intel Xeon Platinum 8180處理器的版圖。
這是上一張圖片的分解,可以看到有28個核心,2個記憶體控制器,6個DDR通道,3條UPI匯流排,48個PCI-E通道,4條DMI3匯流排。
詳細講就太複雜了,現在做一個晶片得幾百上千道工序。
簡單講就是這樣的:首先想象一條線,初中數學和物理告訴我們線沒有寬度,實際上這是不可能的!按人類現在的水平,一條線的寬度至少也是一個原子的直徑。那麼怎樣才能畫出一條很細很細細到與原子直徑一個量級的線呢?答案就是使用光束。
製造晶片必不可少的一個東西就是掩模版,它是一個玻璃基板,透過電子束等手段在上面畫出高精度的電路圖形。光束透過掩模版就能把電路圖形的陰影轉移到另一塊板子上,而且中間還會經過一塊凸透鏡,聚焦光束,起到把圖象縮小的作用。可能需要經過多級縮小。另一個必不可少的東西是光刻膠,光刻膠經過光照之後可能“變硬(不被化學試劑刻蝕)”或者“變軟(會被化學試劑刻蝕)”。
這樣,首先在矽片上塗一層光刻膠,然後把矽片放在掩模版下面,再用光束照射掩模版。經過一段時間的曝光,被照射的光刻膠區域發生變化,然後用化學試劑刻蝕,就在矽片上留下了想要的圖形。這個過程俗稱“光刻”。最後,再對矽片進行摻雜,也就是加入三族(硼)或者五族(磷)元素,形成相應的P型或者N型電晶體。如果矽片上面還殘留了光刻膠,那麼光刻膠就會阻擋摻雜元素進入下面的矽片,保護矽片不被摻雜;對於那些光刻膠被刻蝕的區域,摻雜元素就進入矽片,形成晶體管了。早期的摻雜手段是化學氣相沉澱,現在都是用離子注入機直接發射高速離子轟擊矽片,直接“撞”進矽片。電晶體是積體電路的基石,有了電晶體就能搭建成任何想要的電路。經過多次光刻後,一塊矽片上就形成了想要的圖形,也就是密密麻麻的電晶體組成的電路。
再說一下光束種類的重要性。根據波長=光速/頻率,頻率越高,光的波長越短。按高中物理的知識,波長越短的光,就越能直接穿過狹小的縫隙而不發生衍射。因此電晶體尺寸的縮小、線條的變細,離不開高頻的光束。所以在7nm工藝之後,為什麼都講極紫外光(EUV),因為極紫外光的波長是10-14nm,目前只有它才能刻出這麼細的線條(PS: IC製程節點的几几nm指的是電晶體溝道的寬度,溝道寬度越短越好,越短電晶體效能就越好,而且溝道是不摻雜的區域,需要光刻膠保護,所以電晶體效能的好壞,就取決於你能畫多細的一條線)。最早的製程節點是10微米,然後逐步發展到今天的7奈米。發展速度之快是人類所有產業中前所未有的,只能說摩爾定律牛逼!
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關於摩爾定律的終結:一條線不可能無限變細,所以摩爾定律必有終結的一天,只不過被無數科學家和工程師的努力拖延到今天還沒結束。理論上,極限寬度是3nm,而一個矽原子的直徑是0.5nm。按3年縮一半的速度,不出5年就到頭了(英特爾擠牙膏的日子越來越少了( ̄▽ ̄)")。
關於幾十上百億電晶體:你可能覺得這很神奇(其實真的很神奇,要知道摩爾等人做的第一個積體電路才6個電晶體,不到五十年時間翻了幾億、幾十億倍( ̄_ ̄|||)),其實如果瞭解版圖的話,你就知道刻幾條線就可能出來了成千上萬個電晶體。而且CPU超過60%的面積都是cache,這些都是很簡單的重複單元,隨便幾條線就出來很多。GPU就更不用說了,都是幾百上千個重複的小核心。而且現在製造處理器的一個很大挑戰是金屬導線的連線,電路越來越複雜,連線線也就越來越多。以前一個晶片只有兩三層金屬,現在都十幾二十層了。反倒是製造電晶體容易多了。
(a)圖是一個SRAM(cache)的常見版圖,裡面有6個電晶體,這6個電晶體能存1bit資訊,也就是一個0或者1;(b)圖是四個(a)的複製,想象一下把它拉長拉高,是不是幾根線條就造出了很多電晶體?
這是最新的Intel Xeon Platinum 8180處理器的版圖。
這是上一張圖片的分解,可以看到有28個核心,2個記憶體控制器,6個DDR通道,3條UPI匯流排,48個PCI-E通道,4條DMI3匯流排。