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为什么中国有最顶级的超级计算机,却没有一个能用的消费级CPU?

用戶范振濤
2021/5/4 13:07:25
为什么中国有最顶级的超级计算机,却没有一个能用的消费级CPU?

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    2021/5/7 2:14:37

    CPU是人造物的巅峰,这样说并不准确,应该说CPU是普通人能够接触到的人造物巅峰。因为不好与航空发动机、生物技术等比较那一个技术含量更高,毕竟是跨领域,难点各不相同。

    芯片的本质是将大规模的集成电路小型化

    小到可谓在头发丝上建造万丈高楼,在方寸之间建造一座微缩的大型城市。

    我们通常所说10nm、7nm、5nm的芯片中的纳米(nm)是指晶体管栅极的长度。1纳米相当于4倍原子大小,是一根头发丝直径的10万分之一,比单个细菌(5微米)长度还要小得多。

    能工巧匠通过手工操作的最小尺度大概是在1粒米上刻字。当然超高精度的机床,加工精度能够达到0.01-0.001微米(μm)。

    这就意味着通过双手和普通的工具很难达到纳米级的尺度。在纳米级的尺度上建高楼大厦,同时要使晶体管、铜导线及其他材料泾渭分明,就需要使用特殊的刻刀,用光来做刻刀。

    光刻的原理其实特别简单,就像我们在沙滩晒太阳,阳光能够照射到的皮肤呈现一种状态,而阳光不能照射到的皮肤呈现另一种状态。

    芯片的制造原理

    芯片想要做的越小,在单位面积内容纳更多的晶体管来实现更多的功能同时降低能耗,使用更短波长的光源是最直接的手段。

    芯片的图纸设计好后,会制作成一层层的光罩(芯片是由几十层电路构成,一层一个光罩)。然后让光透过光罩射到晶圆上,被光罩上的电路图挡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会被化学腐蚀反应分解出去(或用等离子体轰击晶圆表面的方式去除没有被光覆盖的位置),电路就会被刻在晶圆上了。

    再通过离子注入把杂质离子轰进半导体晶格中,使晶格中的原子排列混乱或变成非晶区。将离子注入后的半导体放在一定温度下进行加热,恢复晶体的结构、消除缺陷,从而激活半导体材料的不同电学性能。

    再通过气相沉积、电镀的方式形成金属连线或绝缘层。

    • 物理气相沉积用于形成各种金属层,连通不同的器件和电路,以便进行逻辑和模拟计算。
    • 化学气相沉积用于形成不同金属层之间的绝缘层。
    • 电镀用于生长铜连线金属层。

    已经制作好的晶圆在经过化学腐蚀、机械研磨相结合的方式对晶圆表面进行磨抛,实现表面平坦化。然后再进行切片、封装、检测就做成了一块完整的芯片。

    在整个芯片制造过程中的极限难度

    在整个芯片制造过程中难度并不在于“如何制备高纯度硅?”、“如何画芯片电路图?”、“如何制作光刻胶?”、“繁琐的工序”等,极限难度在于如何将电路刻画到晶圆上,同时又保持晶体管和电路的泾渭分明,并且在纳米的尺度上保持多层光刻电路的对齐。

    这就是为什么AMSL的EUV坐在光刻机的巅峰,一枝独秀形成高端光刻机市场的绝对垄断地位。

    为了控制光刻机精度的EUV光刻机系统采用极紫光作为光源,拥有10万个零件、4万个螺栓、3千条电线、2公里长软管,绝大多数零件都是集全人类智慧大成的产物,如:美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等。每台EUV造价达1亿美元,重达180吨,每次运输要动用40个货柜、20辆卡车,每次运输需要3架次货机才能运完,安装调试也需要一年的时间。所以注定了ASML的EUV一年最高产量只有30部。

    光刻机的原理虽然简单,但要能制造出7nm、5nm芯片的光刻机难度可以想象,就算给你全部的零件和图纸也很难调试到可用的精度。

    这并不是一个普通人能够仰望的高度,甚至是一个国家难以仰望的高度。好在我国早已布局芯片产业,虽然存在技术代差,但这种技术代差在不断缩小,也并不是所有的芯片都需要做小,目前7nm、5nm芯片也仅仅用于手机。


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