在計(jì)算機(jī)芯片的世界中,，許多參數(shù)都是 " 越大越好 "。比如更多的內(nèi)核、更高的 GHz 主頻,、以及更大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。不同的是,，在工藝制程上,，整個(gè)行業(yè)都在極力向更微小的目標(biāo)前進(jìn)。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(jié)構(gòu),，以及工程師們是如何規(guī)劃和設(shè)計(jì)芯片的,。
（題圖 來(lái)自：TechSpot）
現(xiàn)在前頭：本文主要講述計(jì)算機(jī)芯片是如何被物理組裝的,，涉及制造的光刻部分則簡(jiǎn)略帶過(guò),。
在芯片行業(yè)里，特征尺寸與制程節(jié)點(diǎn)緊密相關(guān),，詳細(xì)內(nèi)容可參考《如何設(shè)計(jì) CPU》的第三章節(jié)內(nèi)容,。
芯片內(nèi)部的每個(gè)執(zhí)行單元，都可完成數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),，且性能上相當(dāng)依賴于功效的工藝節(jié)點(diǎn)（特指同一制造商的每一次迭代）,。
然而在營(yíng)銷實(shí)踐中，這個(gè)術(shù)語(yǔ)用起來(lái)還是相當(dāng)寬松的,，取決于制造商愛用晶體管間的最小數(shù)值,、或是平均數(shù)值。
在處理器世界中,，任何改變都不會(huì)一蹴而就,。更大的組件，意味著需要更長(zhǎng)時(shí)間才能變更其狀態(tài),、信號(hào)需要更長(zhǎng)的傳播時(shí)間,、以及需要消耗更多的能量，更別提大芯片會(huì)占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(yáng)、中間的是 2004 年的奔騰移動(dòng)處理器,、最右邊的則是 1995 年的古老崩騰處理器,。
三款芯片的制程節(jié)點(diǎn)分別為 65、90、350 nm —— 24 年前的產(chǎn)品,，其關(guān)鍵部件的體積是 13 年前產(chǎn)品的五倍,。
與此同時(shí)，較新的 CPU 內(nèi)部有大約 2.9 億個(gè)晶體管,，而老崩騰只有它的百分之一（略超 300 萬(wàn)個(gè)）,。功耗方面，2006 款賽揚(yáng)處理器的 TDP 約 30W,，老奔騰只有 12W ,。
熱設(shè)計(jì)功耗的增加，主要是隨著電能在芯片中電路周圍的流動(dòng),，能量因各種過(guò)程而損耗,，且其中大部分以熱量的形式釋放。盡管 30W 數(shù)倍于 12W,，但新 CPU 的晶體管更是舊芯片將近百倍,。
正因如此，采用較小的工藝節(jié)點(diǎn),，可使芯片更小,、更快地切換晶體管、提升每秒的運(yùn)算量,、并減少能耗（熱量）的散失,。
?。▓D自：Peellden,，Wikimedia Commons）
那么，為何我們不 " 一步到位 ",，直接讓所有芯片都使用最小的制程呢,？說(shuō)到這，就得提一下被稱作 " 光刻 " 的生產(chǎn)流程了,。
光掩膜會(huì)遮擋某些區(qū)域的光線,，被允許穿透的光線會(huì)集中在一個(gè)小點(diǎn)上，然后與芯片制造中使用的特殊層發(fā)生反應(yīng),，以確定各個(gè)零件的位置,。
你可想象給胳膊拍了一張 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(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。而光刻工藝的迭代,，與光的波長(zhǎng)有關(guān),。
（圖自：Philip Ronan，Gringer）
可見光（380 ~ 750 nm）只是光譜的一部分,，其它還有無(wú)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(xù)聊聊芯片的制造工藝,，比如舊賽揚(yáng)采用了 65nm 制程節(jié)點(diǎn)。那么,，我們又該如何制造比光波還細(xì)小的零件呢,？答案是采用紫外（EV）、甚至極紫外光刻（EUV）,。
光譜圖中,，UV 始于 380nm 左右，直到 10nm 左右,。英特爾,、臺(tái)積電、格羅方德等制造商,，現(xiàn)在都已經(jīng)摸到了極紫外（190 nm 左右）,。
新工藝不僅能夠?qū)⒔M件本身造得更小，且整體品質(zhì)也可能更好,，從而將各個(gè)零件緊密封裝到一起,，有助于縮小芯片的整體尺寸。
?。ㄖ圃烊毕萏貙?，圖自：Solid State Technology）
對(duì)于制程節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，不同企業(yè)有著不同的宣稱,。比如英特爾用 P1274 指代當(dāng)前的 10nm 工藝,，而臺(tái)積電稱之為 10FF 。
在將格羅方德售出之后,，AMD 現(xiàn)在靠的是臺(tái)積電代工,，并且用上了 7nm 的量產(chǎn)工藝。需要指出的是,，盡管一些最小特征的跨度僅為 6nm,，但其它多數(shù)特征還是略大于此的。
為了讓普通人了解 6nm 到底有多小,，就必須提到硅原子本身的直徑為 0.1nm 左右,，而構(gòu)成處理器主體的大部分硅原子的間距僅在 0.5nm ,。換言之，單個(gè)晶體管在各個(gè)方面都覆蓋了不到 10 個(gè)硅原子,。
拋開令人難以置信的事實(shí),，EUV 光刻技術(shù)還是引發(fā)了許多嚴(yán)重的工程和制造難題。英特爾一直努力使其 10nm 產(chǎn)能趕上 14nm 的水平,，格羅方德更是在去年停止了 7nm 及以下制程的研發(fā),。
問(wèn)題在于，隨著電磁波長(zhǎng)的越來(lái)越短,，其攜帶的能量就越來(lái)越大,，導(dǎo)致有更大的潛在可能性會(huì)損壞正在制造的芯片。此外,，小規(guī)模制造對(duì)所用材料的污染和缺陷也高度敏感,。
其它問(wèn)題包括衍射極限和統(tǒng)計(jì)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(dǎo)致制造商無(wú)法實(shí)現(xiàn) 100% 完美的芯片制造目標(biāo),。
還有一個(gè)問(wèn)題是,，在怪異的原子世界里，我們無(wú)法再假定電流和能量的傳遞,，會(huì)遵循經(jīng)典的物理學(xué)系統(tǒng)規(guī)則,。移動(dòng)電子的時(shí)候，遇到的各種棘手的問(wèn)題也會(huì)更多,。
就英特爾和臺(tái)積電而言,，想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將變得更加困難,，因?yàn)榻^緣層的厚度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,。不過(guò)目前的生產(chǎn)問(wèn)題，幾乎都集中在 EUV 光刻技術(shù)的固有缺陷上,。
正因如此,，我們要繼續(xù)等待多年,，才能評(píng)判量子處理方案是否更具優(yōu)勢(shì),。此外出于商業(yè)的考慮，更小的制程可節(jié)省更多的成本,。
假如英特爾用 28nm 工藝去制造 Haswell 系列 CPU（如 i7-4790K）,，其成本將會(huì)翻一番。但通過(guò)在單個(gè)晶圓上切割出更多的芯片,，能夠在很大程度上抵消多出來(lái)的成本,。