在計算機芯片的世界中,，許多參數(shù)都是 " 越大越好 ",。比如更多的內核、更高的 GHz 主頻,、以及更大的浮點運算能力,。不同的是,，在工藝制程上，整個行業(yè)都在極力向更微小的目標前進,。從 10nm 到 7nm,，直至 5nm 和更小的尺度。但在深入剖析原因之前,，我們得先回顧下處理器的體系結構,，以及工程師們是如何規(guī)劃和設計芯片的。

　?。}圖 來自：TechSpot）

　　現(xiàn)在前頭：本文主要講述計算機芯片是如何被物理組裝的,，涉及制造的光刻部分則簡略帶過。

　　在芯片行業(yè)里,，特征尺寸與制程節(jié)點緊密相關,，詳細內容可參考《如何設計 CPU》的第三章節(jié)內容。

　　芯片內部的每個執(zhí)行單元,，都可完成數(shù)學運算和數(shù)據(jù)存儲,，且性能上相當依賴于功效的工藝節(jié)點（特指同一制造商的每一次迭代）。

　　然而在營銷實踐中,，這個術語用起來還是相當寬松的,，取決于制造商愛用晶體管間的最小數(shù)值、或是平均數(shù)值,。

　　在處理器世界中,，任何改變都不會一蹴而就。更大的組件,，意味著需要更長時間才能變更其狀態(tài),、信號需要更長的傳播時間、以及需要消耗更多的能量,，更別提大芯片會占用更多的物理空間了,。

　　上圖中展示了英特爾的三款舊 CPU，最左邊的是 2006 年的賽揚,、中間的是 2004 年的奔騰移動處理器,、最右邊的則是 1995 年的古老崩騰處理器。

　　三款芯片的制程節(jié)點分別為 65,、90,、350 nm —— 24 年前的產品，其關鍵部件的體積是 13 年前產品的五倍,。

　　與此同時,，較新的 CPU 內部有大約 2.9 億個晶體管，而老崩騰只有它的百分之一（略超 300 萬個）,。功耗方面,，2006 款賽揚處理器的 TDP 約 30W,，老奔騰只有 12W 。

　　熱設計功耗的增加,，主要是隨著電能在芯片中電路周圍的流動,，能量因各種過程而損耗，且其中大部分以熱量的形式釋放,。盡管 30W 數(shù)倍于 12W,，但新 CPU 的晶體管更是舊芯片將近百倍。

　　正因如此,，采用較小的工藝節(jié)點,，可使芯片更小、更快地切換晶體管,、提升每秒的運算量,、并減少能耗（熱量）的散失。

　?。▓D自：Peellden,，Wikimedia Commons）

　　那么，為何我們不 " 一步到位 ",，直接讓所有芯片都使用最小的制程呢,？說到這，就得提一下被稱作 " 光刻 " 的生產流程了,。

　　光掩膜會遮擋某些區(qū)域的光線,，被允許穿透的光線會集中在一個小點上，然后與芯片制造中使用的特殊層發(fā)生反應,，以確定各個零件的位置,。

　　你可想象給胳膊拍了一張 X 光照片，骨頭擋住了光線（起到了光罩的作用）,，而肌肉組織允許 X 射線的穿透,，從而得出內部結構的圖像。而光刻工藝的迭代,，與光的波長有關。

　?。▓D自：Philip Ronan,，Gringer）

　　可見光（380 ~ 750 nm）只是光譜的一部分，其它還有無線電波,、微波,、X 射線等。你可從上圖中見到光波的尺寸,，大約在 10^-7 米左右（約 0.000004 英寸）,。

　　言歸正傳,，我們繼續(xù)聊聊芯片的制造工藝，比如舊賽揚采用了 65nm 制程節(jié)點,。那么,，我們又該如何制造比光波還細小的零件呢？答案是采用紫外（EV）,、甚至極紫外光刻（EUV）,。

　　光譜圖中，UV 始于 380nm 左右,，直到 10nm 左右,。英特爾、臺積電,、格羅方德等制造商,，現(xiàn)在都已經摸到了極紫外（190 nm 左右）。

　　新工藝不僅能夠將組件本身造得更小,，且整體品質也可能更好,，從而將各個零件緊密封裝到一起，有助于縮小芯片的整體尺寸,。

　?。ㄖ圃烊毕萏貙懀瑘D自：Solid State Technology）

　　對于制程節(jié)點的規(guī)模,，不同企業(yè)有著不同的宣稱,。比如英特爾用 P1274 指代當前的 10nm 工藝，而臺積電稱之為 10FF ,。

　　在將格羅方德售出之后,，AMD 現(xiàn)在靠的是臺積電代工，并且用上了 7nm 的量產工藝,。需要指出的是,，盡管一些最小特征的跨度僅為 6nm，但其它多數(shù)特征還是略大于此的,。

　　為了讓普通人了解 6nm 到底有多小,，就必須提到硅原子本身的直徑為 0.1nm 左右，而構成處理器主體的大部分硅原子的間距僅在 0.5nm ,。換言之,，單個晶體管在各個方面都覆蓋了不到 10 個硅原子。

　　拋開令人難以置信的事實,，EUV 光刻技術還是引發(fā)了許多嚴重的工程和制造難題,。英特爾一直努力使其 10nm 產能趕上 14nm 的水平，格羅方德更是在去年停止了 7nm 及以下制程的研發(fā)。

　　問題在于,，隨著電磁波長的越來越短,，其攜帶的能量就越來越大，導致有更大的潛在可能性會損壞正在制造的芯片,。此外,，小規(guī)模制造對所用材料的污染和缺陷也高度敏感。

　　其它問題包括衍射極限和統(tǒng)計噪聲（EUV 波傳遞的能量在其中沉積到芯片層中的自然變化）,，導致制造商無法實現(xiàn) 100% 完美的芯片制造目標,。

　　還有一個問題是，在怪異的原子世界里,，我們無法再假定電流和能量的傳遞,，會遵循經典的物理學系統(tǒng)規(guī)則。移動電子的時候,，遇到的各種棘手的問題也會更多,。

　　就英特爾和臺積電而言，想要實現(xiàn)這一目標,，將變得更加困難,，因為絕緣層的厚度還遠遠不夠。不過目前的生產問題,，幾乎都集中在 EUV 光刻技術的固有缺陷上,。

　　正因如此，我們要繼續(xù)等待多年,，才能評判量子處理方案是否更具優(yōu)勢,。此外出于商業(yè)的考慮，更小的制程可節(jié)省更多的成本,。

　　假如英特爾用 28nm 工藝去制造 Haswell 系列 CPU（如 i7-4790K）,，其成本將會翻一番。但通過在單個晶圓上切割出更多的芯片,，能夠在很大程度上抵消多出來的成本,。