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為什么有人說CPU是人造物的巔峰?

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現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蓋的位置),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,實現表面平坦化。然后再進行切片、封裝、檢測就做成了一塊完整的芯片。

在整個芯片制造過程中的極限難度

在整個芯片制造過程中難度并不在于“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架次貨機才能運完,安裝調試也需要一年的時間。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調試到可用的精度。

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。


 

CPU之所以被稱之為人造物的巔峰,是因為生產CPU的高端光刻機是世界上任何一個國家無法單獨制造出來的,集合了世界上多個國家最先進的技術成果一起制造出來的高端光刻機,其高科技程度可以說完全不似地球產物。

量產光刻機生產企業全球只有三家

荷蘭的ASML,日本的尼康和佳能是全球量產光刻機的廠家,其中ASML生產高端光刻機,尼康和佳能主攻低端市場。中國也已經有了自己的光刻機產品,但是與高端光刻機差距較大。

ASML的光刻機產品由德國提供機械工藝,美國提供光源,德國蔡司提供鏡頭,歐美技術支撐為背景,可以說是整個世界上最先進的技術成果,包括三星,臺積電,英特爾,中芯國際等全球大型芯片生產企業都主要購買ASML的產品。

基本上高端光刻機市場被ASML壟斷,英特爾為了避免ASML一家獨大,一直在扶持尼康,尼康在中高端光刻機市場的份額也在逐漸加大。

CPU是如何制造出來的呢?

大家都知道CPU是由沙子為原材料制造出來的,沙子在地球上的資源是非常多的,為什么CPU還賣那么貴呢?

主要在于生產CPU過程十分復雜,需要先將沙子提煉成硅,再將硅進行處理提純并最終達到99.9999%的純度,然后制造成單晶硅錠,將其進行切割成片,然后進行研磨直至達到無缺陷的表層,這個就完成了基本的硅晶片。

對硅晶片表層刷光刻膠,使用紫外線對其進行曝光,曝光后進行顯影溶膠,使用化學藥劑按設計電路進行腐蝕刻,清除多余光刻膠,反復重復過程最終得晶體管,將離子注入清楚雜質,經過清理和絕緣處理,開始構建各晶體管之間的電路,基本上晶圓完整生產過程大致就是這樣。

完成后還需要對晶圓進行切割,測試,裝片和封裝,完成后進行測試,優質的為高端CPU,劣質的為低端CPU,所以市場上高中低端CPU,其實都是一塊晶圓中生產出來的。

總的來說,CPU確實可以稱之為現今人造物的巔峰,但是科技是在不斷發展之中,也許不久將來會有新的科技產品超越CPU。

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