在計算機芯片領域，數字越大越好。例如更多內核、更高 GHz、更大 FLOP，工程師和用戶都需要這些。但是現在有一種半導體測量方法很熱門，而且越小越好。那就是半導體制造和技術節點（又名工藝節點）。

　　但它究竟是什么，為什么如此重要？為什么它以納米為單位。在這篇文章中，我們用數字 10、7 和 5 吧這個詳情帶給你。

　　讓我們踏入流程節點的世界……

　　與芯片制造相關的最大營銷術語之一是特征尺寸。

　　在芯片行業，特征尺寸與所謂的工藝節點有關。事實上，這是一個相當寬松的術語，因為不同的制造商使用這個短語來描述芯片本身的不同方面，但不久前它指的是一個晶體管兩個部分之間的最小間隙。

　　今天，它更像是一個營銷術語，對于比較生產方法不是很有用。也就是說，晶體管是任何處理器的關鍵特征，因為它們的組執行芯片內部完成的所有數字運算和數據存儲，并且非常需要來自同一制造商的更小的工藝節點。這里要問的顯而易見的問題是為什么？

　　處理器世界中的任何事情都不會立即發生，也不會在不需要電源的情況下發生。更大的組件需要更長的時間來改變它們的狀態，信號需要更長時間的傳輸，并且需要更多的能量來在處理器周圍傳輸電力。不要試圖聽起來很鈍，更大的組件也會占用更多的物理空間，因此芯片本身更大。

　　在上圖中，我們看到的是三個舊的 Intel CPU。從左邊開始，我們有 2006 年的賽揚、2004 年的奔騰 M 和 1995 年的非常老的奔騰。它們的工藝節點分別為 65、90 和 350 nm。換句話說，擁有更老歷史的設計關鍵部件比相對年輕的設計要大 5 倍以上。另一個重要的區別是，較新的芯片內部裝有大約 2.9 億個晶體管，而最初的奔騰只有 300 萬多個；少了數百倍。

　　雖然工藝節點的減少只是最近設計在物理上更小并擁有更多晶體管的部分原因，但它確實在英特爾能夠提供這一點方面發揮了重要作用。

　　但真正的問題是：賽揚只產生大約 30 瓦的熱量，而奔騰只有 12瓦 。這種熱量來自這樣一個事實：當電流在芯片中的電路周圍推動時，能量會因各種過程而損失，并且大部分以熱量形式釋放。是的，30 是一個比 12 更大的數字，但不要忘記該芯片有近 100 倍的晶體管。

　　因此，如果擁有更小的工藝節點的好處是將帶來更小的芯片，更多的晶體管，可以實現更快地切換——這讓我們可以在每秒內進行更多的計算——并且作為熱量損失的能量更少，它確實引出了另一個問題：為什么不是世界上的每個芯片都使用盡可能小的工藝節點？

　　要有光！

　　在這一點上，我們需要看看一個叫做光刻的過程：光通過一種叫做光掩模的東西，它在某些區域阻擋光線，讓其他區域的光線通過。在它穿過的地方，光線會被集中成一個小點，然后它會與用于制造芯片的特殊層發生反應，幫助確定各個部件的位置。

　　把它想象成你手的 X 光片：骨頭阻擋光線，充當光罩，而肉體讓它通過，產生手內部結構的圖像。

　　光實際上并沒有被使用——即使是像舊的奔騰這樣的芯片，它也太大了。

　　您可能想知道地球上的光如何具有任意大小，但它與波長有關。光是一種叫做電磁波的東西，一種不斷循環的電場和磁場的混合物。

　　雖然我們使用經典的正弦波來可視化形狀，但電磁波并沒有真正的形狀。更重要的是，當他們與某物交互時產生的效果遵循該模式。這種循環模式的波長是兩個相同點之間的物理距離：想象海浪滾到海灘上，波長是這些海浪的頂部相距多遠。電磁波的可能波長范圍很廣，因此我們將它們放在一起稱為頻譜。

　　小，小，最小

　　在下圖中，我們可以看到我們所說的光只是這個光譜的一小部分。還有其他熟悉的名稱：無線電波、微波、X 射線等。

　　我們還可以看到波長的一些數字；光的大小約為 10 -7米或大約 0.000004 英寸！

　　科學家和工程師更喜歡使用稍微不同的方法來描述這么小的長度，它是納米或簡稱“nm”。如果我們查看光譜的擴展部分，我們可以看到光的范圍實際上從 380 nm 到 750 nm。

　　回到這篇文章并重新閱讀有關舊賽揚芯片的部分——它是在 65 納米工藝節點上制造的。那么如何制造比光還小的部件呢？簡單：光刻工藝不使用光，它使用紫外線（又名 UV）。

　　在光譜圖中，紫外線從大約 380 nm（光結束的地方）開始，一直縮小到大約 10 nm。英特爾、臺積電和三星等制造商使用一種稱為 EUV（極紫外）的電磁波，其尺寸約為 190 納米。這種微小的波不僅意味著組件本身可以做得更小，而且它們的整體質量可能會更好。這使得各個部分可以更緊密地包裝在一起，有助于縮小芯片的整體尺寸。

　　不同的公司為其使用的流程節點的規模提供了不同的名稱。AMD 等處理器設計人員為較小的工藝節點創建布局和結構，然后依靠臺積電等公司來生產它們。

　　臺積電一直在努力開發更小的節點（7nm、5nm，很快就會有 3nm），并為其最大的客戶制造芯片，包括蘋果、聯發科、高通、英偉達和 AMD。在這種生產規模下，一些最小的特征只有 6 納米（不過，大多數都比這大得多）。為了了解 6 nm 到底有多小，我們舉個例子。如構成處理器主體的硅原子間隔大約 0.5 nm，原子本身的直徑大約為 0.1 nm。因此，作為一個大概的數字，臺積電的工廠處理的晶體管的寬度小于 10 個硅原子。

　　瞄準原子的挑戰

　　撇開令人難以置信的事實，即芯片制造商正在努力實現只有少數原子的特征，EUV 光刻技術引發了一系列嚴重的工程和制造問題。

　　電磁波的波長越短，它攜帶的能量就越多，這對正在制造的芯片造成更大的損壞可能性；非常小規模的制造對所用材料中的污染和缺陷也非常敏感。其他問題，例如衍射極限和統計噪聲（EUV 波傳輸的能量沉積到芯片層的自然變化），也與實現 100% 完美芯片的目標相悖。

　　還有一個問題是，在這個怪異的原子世界中，電流和能量的傳遞不能再假設遵循經典的系統和規則。以移動電子（構成原子的三個粒子之一）的形式保持電流沿著緊密間隔的導體向下流動在我們習慣的規模上相對容易 - 只需用厚厚的絕緣層包裹導體。

　　在英特爾和臺積電正在努力的水平上，這變得更難實現，因為絕緣層不夠厚。不過，就目前而言，生產問題幾乎完全與 EUV 光刻固有的問題有關，因此我們還需要幾年時間才能在論壇上開始爭論 Nvidia 比 AMD 或其他類似的廢話更好地處理量子行為！

　　這是因為真正的問題，生產困難背后的最終原因，是英特爾、臺積電和他們所有的制造密友都是企業，他們瞄準原子的唯一目的是創造未來的收入。在Mentor 的一篇研究論文中，提供了以下概述關于較小的工藝節點需要多少晶圓成本……

　　例如，如果我們假設 28 納米工藝節點與英特爾用于制造其 Haswell 系列 CPU（例如 Core i7-4790K）的工藝節點相同，那么他們的 10 納米系統每個晶圓的成本幾乎是其兩倍。每個晶圓可以生產的芯片數量在很大程度上取決于每個芯片的大小，但采用更小的工藝規模意味著晶圓可能會產生更多的芯片可供銷售，從而有助于抵消成本的增加。不過，最終，通過提高產品零售價將盡可能多的成本轉嫁給消費者，但這必須與行業需求相平衡。

　　過去幾年智能手機銷量的增長，以及家庭和汽車中智能技術的近乎指數級增長，意味著芯片制造商不得不從更小的工藝節點中吸收財務損失，直到整個系統足夠成熟大批量生產高產量晶圓（即那些缺陷盡可能少的晶圓）。鑒于我們在這里談論的是數十億美元，這是一項有風險的業務，也是 GlobalFoundries 退出工藝節點競賽的一個重要原因。

　　前景

　　如果這一切聽起來有些悲觀，那么我們不應該忘記，不久的將來確實看起來是積極的。就數量和收入而言，三星和臺積電的 5納米生產線已經運行了一段時間，利潤率很高，芯片設計人員也在提前計劃，在他們的產品中使用多個節點。

　　AMD 在其第三代銳龍CPU上首次亮相的小芯片設計和策略正在被其他芯片制造商復制。在這種情況下，AMD 的臺式 PC 處理器使用了兩顆臺積電 7 納米節點制造的芯片，以及一顆 GlobalFoundries 制造的 14 納米芯片。前者是實際的處理器部件，而后者處理連接到 CPU 的 DDR4 內存和 PCI Express 設備。

　　上圖顯示了英特爾過去 50 年的工藝節點變化。縱軸以 10 為因子顯示節點大小，從 10 000 nm 開始一直向上。這家芯片巨頭遵循了 4.5 年的粗略節點半衰期（每次將節點大小減少一半所需的時間）。

　　那么這是否意味著到 2025 年我們將看到英特爾的 5 納米工藝？可能是的，盡管他們在 10 nm 上跌跌撞撞，但他們正在努力回歸。三星和臺積電一直在推進 5 納米及以上的生產，因此各種處理器的未來看起來確實不錯。

　　它們將更小、更快、使用更少的能源并提供更高的性能。它們將引領全自動駕駛汽車、具有當前智能手機功率和電池壽命的智能手表，以及十年前價值數百萬美元的電影中無法看到的游戲圖形。未來確實是光明的，因為未來很小。