科技猎知否|现实版"点石成金"：芯片是怎样从沙子炼成的？
作者 | 易平
出品 | 网易科技《知否》栏目组（公众号：tech_163）
如果要评选世界上近一百年最伟大的工业品，芯片无疑是其中最具代表性的产品。而芯片制造是真正意义上的“点石成金”，售价高昂的芯片，原材料就是普普通通的沙子，如何将沙子做成人类工业精华的芯片，就成了一个难题。
如何在指甲盖大小的硅片上设计
无论做什么芯片，首先都需要对芯片进行设计，目前主流的电脑芯片大多采用 X86 架构 ，而手机移动端芯片基本都采用 ARM 架构 ，这是针对不同平台的需求进行的不同设计；相比之下X86更注重 高性能 ，而ARM更注重 低功耗 。
移动端芯片设计可以利用类似arm这样的公司提供的“公版设计”方案再设计。我国在芯片厂商能设计目前世界上最先进的7nm制程芯片。尽管也是依据ARM的公版架构，但是仅仅拥有ARM的架构授权就好比你要建立一个小区，但只知道每个小房子怎么造，而这个小区建多少楼，建几层，如何通水通电，小区绿化这些都要设计公司去考虑。综合来看，说海思代表我国目前最高的芯片设计能力丝毫不为过。
不过在另一个重要的芯片制造领域，我国目前还距离最先进的水平有很大差距。
几十亿晶体管如何凝聚在芯片之中
芯片的制造是一个很复杂的过程，首先要从沙子中提炼出高纯度的硅。
选择用主要成分是二氧化硅的沙子的原因有很多，比如，硅具有 良好的半导体特性 ，而且高温下 极其稳定 。常温下硅的导电性能并不好，因为每个硅原子外层都有四个电子，而每个硅原子都与四个硅原子形成稳定的化学键，这样就没有额外的电子来用于导电。但是如果往硅单晶里掺入一点点杂质，比如 硼 或是 磷 ，那么其导电性便会成几何级数倍地提高。磷原子外层有五个电子，当一个磷原子取代一个硅原子的位置后，那么就多出了一个可以自由移动的电子，这样导电性能就大大提升了。硼原子外层只有三个电子，当一个硼原子代替一个硅原子的位置之后，则多出了一个带正电荷的空穴，导电性同样也提高了。杂质浓度越高，导电性越好。
其次 用来做的半导体材料需要 极高的纯度 ，不能有别的杂质，而硅这种东西相对容易得到，其起始原料来源就是我们常见的沙，而且也比较容易提纯。
硅的氧化产物二氧化硅是一种 绝佳的绝缘体 ，而且耐高温，这个特性让硅成为半导体材料的最佳选择，因为在集成电路中，除了需要容易导电的的介质，也需要容易加工制造的绝缘层，这样才 不容易出现漏电现象 。
将硅进行 切割 ，成为晶圆，然后再经过： 蚀刻、离子注入、电镀、抛光 等，将极其复杂的电路结构，在晶圆上制造出来 最后测试、切割、封装 ，就成为了我们平时能够看到的CPU芯片芯片制造的技术，之所以非常的困难，就在于要通过将近5000道工序，把数亿个晶体管，在一片只有指甲盖大小的硅晶片上制造出来，还要进行复杂的逻辑设计，难度不亚于把全国的路网，规划到这一点点的空间里面正是因为制造的流程非常复杂，研发投入大，回报周期长，失败率高，产业更新快，所以形成了非常高的行业门槛。
当购买计算机或手机时我们常常关注处理器的制程和性能，商家也往往重点宣传这一方面，面对7nm，10nm这样的数字，我们消费者应该知道些什么呢？
作为消费者，你需要知道这个数字代表着处理器中晶体管的大小，晶体管是CPU和数字电路的构建模块。
要知道根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约 每隔 18-24 个月便会增加一倍 ，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这样的性能翻倍的带来重要就是靠制程的不断提升而带来的。
要理解缩小制程的用意，缩小电晶体的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的电晶体，让芯片不会因技术提升而变得更大；其次，可以增加处理器的运算效率；再者，减少体积也可以降低耗电量；最后，芯片体积缩小后，更容易塞入行动装置中，满足未来轻薄化的需求。
再回来探究纳米制程是什么，以14纳米为例，其制程是指在芯片中，线最小可以做到 14 纳米的尺寸，下图为传统电晶体的长相，以此作为例子。缩小电晶体的最主要目的就是为了要减少耗电量。
不过，制程并不能无限制的缩小，当我们将电晶体缩小到 20 纳米左右时，就会遇到量子物理中的问题，让电晶体有漏电的现象。所以目前总会有目前工艺发展已经触碰到物理极限了这种说法，事实上，制程进步速度虽然会放缓，但是我们不断追求新工艺的热情是不会减少的。
最后
从设计到加工，这其中涉及的科学技术与工艺流程非常的高深繁杂，除了基础科学扎实的研究努力，芯片产业需要一种实实在在的精神和坚持不懈的意志力，需要一种沉稳与踏实。希望大家能在未来的生活中能多多关注这个产业，对芯片人的努力钻研多一份理解和尊重。
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