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小小芯片上的上千万个晶体管是怎么装上去的?

科技影响生活,人类创造力总是让人惊喜

按照现在7纳米工艺计算,一块芯片内部大约有“上百亿”根晶体管,而不是落后的“上千万”根晶体管,可能第一次听到这个数字会觉得很难以置信那么多的晶体管能够放在那么小一块芯片上,但别忘了,永远别小看人类的“创造力”

一团沙子的蜕变之旅

想要制造出一块芯片,就离不开“硅”也就是沙子,虽然地球表面上有取之不尽的沙子资源,但晶圆体可不是任何国家都能制造出来的!

首先要将二氧化硅矿石经过提炼,氯化,再蒸馏,这样才会形成高纯度的多晶硅,纯度极高,甚至这个要求比“99金”还要高出不少。

提纯出来了也不能直接用,还要经过切削和再次加工才能出厂,才能到下一阶段变成芯片。

EDA和“光刻机”

很多人都认为制造芯片没有光刻机是不行的,实际上,EDA软件也是制造芯片不可或缺的一环,就比如一个四肢发达巨人和一个聪明的谋士配合好了才能够发挥最大的战斗力,芯片也是如此,只有设计好了,才能制造出性能强悍的产品。

这个设计过程叫做IC设计,芯片设计分为前端和后端,主要区分就是逻辑设计和物理设计,没有严格标准,芯片设计也要运用到专业的EDA工具,就像是建筑业的CAD一样应用广泛,先设计出来看合不合理再准备“流片”

在EDA领域,来自西方的公司占据了绝大多数的市场份额,在西方围堵华为的时候,Synopsys/Cadence/Mentor这三家EDA公司就已停止对华为的合作,对华为也造成了一定的损失,因为一旦设计不合理,流片的数十亿也都打了水漂。

当芯片设计好了之后,就要准备流片了,晶体管也不是一个个“镶上去”的,而是要通过切割晶圆----影印----蚀刻----重复、分层才能得到一块完美的芯片和上百亿被“刻上去”的晶体管。

这几步每一项都非常重要,所谓的切割晶圆就是用机器从单晶硅棒上切割一片特定规格的硅晶片,并且对其进行细分,每一个区域都是一个CPU的内核,一般来说,晶圆切割的越薄,制造出来的CPU成品就越多。

举个例子,就像是平时生活中的切蛋糕一样,原来是对半分,两个人吃,后来用上了小刀,切的都是一厘米一厘米的“小块”,那是不是吃的人就变多了?

硅晶片得到了之后,就需要在上面涂抹一种光阻物质,并送入光刻机中,光刻机中的紫外线就会通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片,被紫外线照射的地方光阻物质溶解。

而为了避免让不需要照射的地方也受到溶解,就必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程。

在这个工序中,电路就会被逐渐“规划出”自己的道路,接下来就交给蚀刻了

这是CPU工业中的重头戏,在这个工序中是全世界对于光的顶级应用,其中大多都是世界顶级的镜头公司和软件公司。

蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头,短波长的光通过孔洞就会照射在光敏抗蚀膜上,使之曝光,接下来就会移除遮挡,在使用溶液清洗,再次重复蚀刻,制造出N井或者是P井借此形成阻挡层或接触电位差

就这样,CPU的门电路就完成了,接下来就是封装成品了,计算机发展到今天,由笨重的晶体管发展到今天的集成电路不可谓不快,但发展到今天,传统电子计算机的发展潜力其实已经挖掘“殆尽”,业内也比较看好量子或者是光子计算机,相信如果发展到下一代计算机CPU制造技术,在一块小小的CPU上也能够集成上千亿甚至上万亿的“晶体管”

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