在計算機芯片的世界中，許多參數都是“越大越好”。比如更多的內核、更高的GHz主頻、以及更大的浮點運算能力。不同的是，在工藝製程上，整個行業都在極力向更微小的目標前進。從10nm到7nm，直至5nm和更小的尺度。但在深入剖析原因之前，我們得先回顧下處理器的體系結構，以及工程師們是如何規劃和設計芯片的。

（題圖來自：TechSpot）

現在前頭：本文主要講述計算機芯片是如何被物理組裝的，涉及製造的光刻部分則簡略帶過。

在芯片行業裡，特徵尺寸與製程節點緊密相關，詳細內容可參考《如何設計CPU》的第三章節內容。

芯片內部的每個執行單元，都可完成數學運算和數據存儲，且性能上相當依賴於功效的工藝節點（特指同一製造商的每一次迭代）。

然而在營銷實踐中，這個術語用起來還是相當寬鬆的，取決於製造商愛用晶體管間的最小數值、或是平均數值。

在處理器世界中，任何改變都不會一蹴而就。更大的組件，意味著需要更長時間才能變更其狀態、信號需要更長的傳播時間、以及需要消耗更多的能量，更別提大芯片會佔用更多的物理空間了。

上圖中展示了英特爾的三款舊CPU，最左邊的是2006年的賽揚、中間的是2004年的奔騰移動處理器、最右邊的則是1995年的古老崩騰處理器。

三款芯片的製程節點分別為65、90、350 nm —— 24 年前的產品，其關鍵部件的體積是13 年前產品的五倍。

與此同時，較新的CPU 內部有大約2.9 億個晶體管，而老崩騰只有它的百分之一（略超300 萬個）。功耗方面，2006 款賽揚處理器的TDP 約30W，老奔騰只有12W 。

熱設計功耗的增加，主要是隨著電能在芯片中電路周圍的流動，能量因各種過程而損耗，且其中大部分以熱量的形式釋放。儘管30W 數倍於12W，但新CPU 的晶體管更是舊芯片將近百倍。

正因如此，採用較小的工藝節點，可使芯片更小、更快地切換晶體管、提升每秒的運算量、並減少能耗（熱量）的散失。

（圖自：Peellden，Wikimedia Commons）

那麼，為何我們不“一步到位”，直接讓所有芯片都使用最小的製程呢？說到這，就得提一下被稱作“光刻”的生產流程了。

光掩膜會遮擋某些區域的光線，被允許穿透的光線會集中在一個小點上，然後與芯片製造中使用的特殊層發生反應，以確定各個零件的位置。

你可想像給胳膊拍了一張X 光照片，骨頭擋住了光線（起到了光罩的作用），而肌肉組織允許X 射線的穿透，從而得出內部結構的圖像。而光刻工藝的迭代，與光的波長有關。

（圖自：Philip Ronan，Gringer）

可見光（380 ~ 750 nm）只是光譜的一部分，其它還有無線電波、微波、X射線等。你可從上圖中見到光波的尺寸，大約在10^ ^-7米左右（約0.000004英寸）。

言歸正傳，我們繼續聊聊芯片的製造工藝，比如舊賽揚採用了65nm 製程節點。那麼，我們又該如何製造比光波還細小的零件呢？答案是採用紫外（EV）、甚至極紫外光刻（EUV）。

光譜圖中，UV 始於380nm 左右，直到10nm 左右。英特爾、台積電、格羅方德等製造商，現在都已經摸到了極紫外（190 nm 左右）。

新工藝不僅能夠將組件本身造得更小，且整體品質也可能更好，從而將各個零件緊密封裝到一起，有助於縮小芯片的整體尺寸。

（製造缺陷特寫，圖自：Solid State Technology）

對於製程節點的規模，不同企業有著不同的宣稱。比如英特爾用P1274 指代當前的10nm 工藝，而台積電稱之為10FF 。

在將格羅方德售出之後，AMD現在靠的是台積電代工，並且用上了7nm的量產工藝。需要指出的是，儘管一些最小特徵的跨度僅為6nm，但其它多數特徵還是略大於此的。

為了讓普通人了解6nm 到底有多小，就必須提到矽原子本身的直徑為0.1nm 左右，而構成處理器主體的大部分矽原子的間距僅在0.5nm 。換言之，單個晶體管在各個方面都覆蓋了不到10 個矽原子。

拋開令人難以置信的事實，EUV 光刻技術還是引發了許多嚴重的工程和製造難題。英特爾一直努力使其10nm 產能趕上14nm 的水平，格羅方德更是在去年停止了7nm 及以下製程的研發。

問題在於，隨著電磁波長的越來越短，其攜帶的能量就越來越大，導致有更大的潛在可能性會損壞正在製造的芯片。此外，小規模製造對所用材料的污染和缺陷也高度敏感。

其它問題包括衍射極限和統計噪聲（EUV波傳遞的能量在其中沉積到芯片層中的自然變化），導致製造商無法實現100%完美的芯片製造目標。

還有一個問題是，在怪異的原子世界裡，我們無法再假定電流和能量的傳遞，會遵循經典的物理學系統規則。移動電子的時候，遇到的各種棘手的問題也會更多。

就英特爾和台積電而言，想要實現這一目標，將變得更加困難，因為絕緣層的厚度還遠遠不夠。不過目前的生產問題，幾乎都集中在EUV 光刻技術的固有缺陷上。

正因如此，我們要繼續等待多年，才能評判量子處理方案是否更具優勢。此外出於商業的考慮，更小的製程可節省更多的成本。

假如英特爾用28nm 工藝去製造Haswell 系列CPU（如i7-4790K），其成本將會翻一番。但通過在單個晶圓上切割出更多的芯片，能夠在很大程度上抵消多出來的成本。

過去幾年，以智能手機和家用/汽車為代表的芯片應用，已經呈現了近乎指數級的增長。芯片製造商也被迫承擔因轉向更小的製程節點而造成的財務損失，直到能夠大規模量產的行業配套更加成熟。

儘管格羅方德的放棄聽起來有些悲觀，但三星和台積電在7nm製程的投入/產出方面還是讓人感到有些欣慰。比如AMD最新發布的三代銳龍CPU，就給市場打了一針強心劑。

該系列高端PC 處理器採用了台積電7nm 工藝，並結合了格羅方德生產的14nm 芯片。前者可視作傳統的CPU 部件，而後者則是集成了DDR4 內存控制器與PCI Express 4.0 的SoC 橋接組件。

上圖顯示了英特爾在過去50 年裡的製程節點變化，X 軸從10 到10000 nm、Y 軸從1970 到2020 。從整體上來看，這家芯片巨頭大約每4.5 年迭代一次。

如果一切順利，其有望在2025 年推出5nm 產品線（希望10nm 產能別再拖後腿）。同時三星和台積電也在積極投入5nm 研究，但願該行業還能繼續給消費者帶來驚喜。