半導(dǎo)體魔法：從沙子到芯片

32納米處理器已出現(xiàn)在主流市場，這應(yīng)該歸功于Intel。在過去的三十多年里，Intel始終在半導(dǎo)體工藝方面保持領(lǐng)先地位，并精確地沿著摩爾定律前行。那么，半導(dǎo)體工藝是如何實現(xiàn)從沙子到芯片的魔法呢？
在某種意義上說，半導(dǎo)體制造工藝決定了IT業(yè)界的走向，它是我們所知一切計算設(shè)備最基礎(chǔ)的元素，倘若沒有半導(dǎo)體工藝的出現(xiàn)，就不會有像樣的計算機，當(dāng)然就更別指望互聯(lián)網(wǎng)了。同樣，半導(dǎo)體工藝也決定著芯片的計算性能：今天的芯片設(shè)計師可以毫無困難地設(shè)計出包含100億個晶體管的CPU或GPU芯片，但現(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝還無法承擔(dān)這個任務(wù)，即便是剛登場的32納米工藝，理論上它也是最多可制造出50億晶體管的芯片，當(dāng)然現(xiàn)在還沒有集成度這么高的。
     出于對提升競爭力的渴求，芯片廠商總是對半導(dǎo)體工藝孜孜以求，新工藝可以帶來更小的線寬，這就意味著芯片可以具有更低的發(fā)熱量、更高的工作頻率、更小的芯片尺寸、更高的集成度以及更低的制造成本，我們可以看到，在架構(gòu)升級的同時，半導(dǎo)體廠商總是在制造工藝領(lǐng)域進行激烈競爭，譬如CPU領(lǐng)域的Intel與AMD，GPU領(lǐng)域的NVIDIA與AMD，均是如此。
    Intel擁有世界上最強大的半導(dǎo)體工廠和相應(yīng)的研發(fā)能力，在很大程度上說，制造技術(shù)也是它一直能在CPU市場居于壟斷地位的關(guān)鍵。AMD在拆分半導(dǎo)體業(yè)務(wù)后成為無工廠半導(dǎo)體企業(yè)，產(chǎn)品制造依賴代工，同樣采取這種模式的還有NVIDIA。而在芯片制造領(lǐng)域，臺灣的TSMC實力最強，新生的GlobalFoundries囊括原AMD的半導(dǎo)體工廠和新加坡特許半導(dǎo)體，實力也不容小視，不過這些廠商都聚攏在IBM周圍，以聯(lián)盟的形式共同承擔(dān)高成本的技術(shù)研發(fā)。
    伴隨著Core i7/i5/i3的到來，Intel的半導(dǎo)體工藝正式進入到32納米時代，TSMC、IBM、GlobalFoundries陣營則直接從45納米向28納米發(fā)起沖擊，Intel的下一個目標(biāo)直接鎖定22納米，與此對應(yīng)，我們將會看到動輒包括幾十億晶體管的計算芯片尋?？梢?，而在32納米工藝下，一個晶體管的大小只相當(dāng)于一個感冒病毒。
半導(dǎo)體工藝的發(fā)明與摩爾定律
我們都熟知，半導(dǎo)體芯片所用的制造材料都是二氧化硅，而二氧化硅的來源基本上就是遍布河灘、海灘的沙子。大眾很難將沙子與高科技的芯片劃上等號，但事實就是如此。
現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)可以追溯到1959年，當(dāng)時的仙童公司和德州儀器同時發(fā)明了集成電路：通過一種特殊的平面處理技術(shù)讓硅晶體管大批量集中在同一塊芯片上，而不是像從前那樣只能一個個晶體管地生產(chǎn)組裝，這也就是我們今天所說的半導(dǎo)體制造技術(shù)。這項技術(shù)使計算產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深刻的改變，帶動了計算機的運算性能和存儲容量快速提升，為后來的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
    1964年，作為仙童公司創(chuàng)始人之一的摩爾博士在作統(tǒng)計圖表時發(fā)現(xiàn)一個奇特的規(guī)律：集成電路中的晶體管數(shù)目，每隔18個月都會往上翻一番。摩爾預(yù)言這種趨勢在未來將一直持續(xù)，這也就是著名的“摩爾定律”。1968年，摩爾與諾依斯、葛羅夫一道離開了仙童公司，創(chuàng)辦Intel公司，在Intel進軍X86處理器領(lǐng)域后，摩爾定律被Intel奉為企業(yè)發(fā)展的靈魂，并嚴(yán)格按照這個規(guī)律對半導(dǎo)體技術(shù)進行升級。同樣，秉承仙童血統(tǒng)的Intel一直都將半導(dǎo)體制造視為業(yè)務(wù)核心，奠定了它在芯片領(lǐng)域牢不可破的優(yōu)勢。
原理：從沙子到芯片的過程
以今天的目光來看，仙童時代的集成電路是非常簡陋的，它只能在一枚芯片內(nèi)容納幾百個晶體管，而今天的32納米工藝將這個數(shù)量推高到幾十億。盡管數(shù)字如此懸殊，但它們的原理、設(shè)備與生產(chǎn)流程并沒有本質(zhì)性的不同。
制造晶圓是生產(chǎn)芯片的第一步，晶圓的成分就是純度達99.99%以上的硅晶體，它的原始材料就是二氧化硅，經(jīng)過提純、拉晶等多道復(fù)雜的工序后成為超高純度的晶圓棒，之后晶圓棒再被切割為一個個均勻的薄片，這些硅薄片就是我們所說的晶圓。
    在接下來的工序中，這些硅晶圓會被劃分為一個個矩形的區(qū)域，它們與一枚枚芯片相對應(yīng)，邏輯電路便在這里生成。生成邏輯電路的工序與照相非常類似，它們都是將影像顯示在底片上，對半導(dǎo)體生產(chǎn)來說，這個影像就是芯片邏輯的縮微電路圖，具體地說，芯片的邏輯圖會以電路磁帶的方式提交給芯片工廠，工廠再利用電子束曝光系統(tǒng)將磁帶上存儲的電路圖形以金屬鉻膜的形態(tài)制作在玻璃或石英上，這樣就制造出了“光罩”。接下來，“光罩”被放置在硅晶圓表面，工程人員則操作光刻機，利用規(guī)定波長的紫外線照射硅片。有“光罩”金屬鉻膜的地方，光線被遮擋，而在沒有金屬鉻膜的地方，紫外線就透過玻璃或石英到達硅片上，形成所需要的圖形，這個過程也被稱為“顯影”。
    “顯影”工序只是將芯片的電路圖形顯示在硅片上，接下來要進行的就是電路圖的永久固定生成，它主要包括蝕刻、離子植入和金屬濺鍍等幾個步驟，蝕刻的任務(wù)是將硅片上不需要的部分去掉，形成容納導(dǎo)線的凹槽，目前主流技術(shù)是采用電子束垂直轟擊的方式進行。
    蝕刻工作完成后，就產(chǎn)生了線路凹槽，電路圖樣被固化在硅片中，下一步工作就是進行離子植入和金屬濺鍍，構(gòu)建出半導(dǎo)體組件和連接的線路。這樣，芯片的關(guān)鍵制造工作就完成了。不過我們還需要將它封裝起來。封裝有兩個作用，一是用堅硬的外殼來保護芯片；二就是建立信號引腳，使得芯片能夠與主板通訊。
障礙：漏電流令摩爾定律一度停滯
從1956年一直到2003年，摩爾定律的運行沒有遭遇任何強有力的挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體工業(yè)很精確地按照這個規(guī)律前進。但從2004年的90納米工藝開始，摩爾定律就遇到麻煩，此時晶體管的一個關(guān)鍵部件即將達到極限，這個部件就是位于柵極、源極和漏極電子流通道之間的二氧化硅絕緣層。在采用90納米工藝時，這個絕緣層的厚度僅有1.2納米，相當(dāng)于5個原子的厚度。
    如此之薄的絕緣層讓漏電流變得越來越嚴(yán)重，并成為一種災(zāi)難。此時為了保證信號的穩(wěn)定性，制造商不得不通過提高門電壓或增大驅(qū)動電流的方式加以補償，而這就意味著發(fā)熱量激增，芯片的穩(wěn)定性也變差。顯而易見，漏電流問題如果不得到妥善的解決，那么摩爾定律將不再有效，半導(dǎo)體工藝也會因此陷入停滯。
    盡管加厚絕緣層可以緩解漏電流，但它會令芯片尺寸增大，幾乎抵消了新工藝帶來的好處。既然此路不通，而二氧化硅材料也達到了極限，那么采用新的材料就成為突破口。這種新材料要求具有更高的K值（介電常數(shù)值），在同樣厚度下仍可起到良好的絕緣作用，避免漏電流的發(fā)生。Intel的工程人員成功地研發(fā)出可滿足要求的高K材料，這種材料加入了鉿基成分，同時為了解決工藝兼容問題，Intel還引入一種新的金屬柵極。最終，新的晶體管技術(shù)使源極－漏極的漏電流降低5倍以上，柵極漏電流減少了10多倍，這相當(dāng)于將傳統(tǒng)絕緣層的厚度“增加”了10倍。
    就這樣，高K材料讓摩爾定律可以繼續(xù)前行，這項技術(shù)被Intel成功地應(yīng)用于45納米工藝中，新到來的32納米工藝同樣受益于此。如你所見，新一代芯片都具有優(yōu)良的能耗特性，漏電流不再成為困擾。
    在Intel之后，IBM與日本的一些半導(dǎo)體企業(yè)也先后披露了類似的成果，IBM同樣將在新一代工藝中采用這項技術(shù)。
封裝：芯片的保護與電氣性能
半導(dǎo)體芯片都采用多層結(jié)構(gòu)，不同的邏輯電路層再通過專門的線路連接在一起，早期半導(dǎo)體工業(yè)采用鋁互聯(lián)，大約在2000年前后改用電阻率更低的金屬銅，目前Intel的處理器廣泛采用9層銅互連結(jié)構(gòu)。盡管銅互連技術(shù)能夠一直滿足到15納米階段的需要，但業(yè)界均認為光互連將成為銅互連技術(shù)的天然替代者。
封裝是芯片生產(chǎn)中的最后一個制造工序，封裝本身并不影響芯片的性能，但它依然十分重要，不僅起著安放、固定、密封、保持芯片和增強電熱性能的作用，也對芯片的工作穩(wěn)定性、安全性有著很大的影響。
    首先，芯片的信號接觸點必須用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳或觸點上，這些引腳或觸點又通過PCB板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接，從而實現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。對于高頻率的芯片來說，封裝技術(shù)會影響到它們工作的穩(wěn)定性。
    芯片面積與封裝面積的比值，是封裝時主要考慮的因素。為提高封裝的效率，二者要盡量接近1:1，同時引腳要盡量短以減少延遲，引腳間的距離則要求盡量遠，以保證互不干擾、提高性能?；谏岬囊?，封裝越薄越好。不難看出，上述的若干要求之間是存在矛盾的，半導(dǎo)體廠商則會根據(jù)芯片的實際情況選擇不同的封裝方式。
    Intel從Prescott時代引入的LGA封裝曾備受爭議，這種封裝以信號觸點代替?zhèn)鹘y(tǒng)的針腳，以提高信號質(zhì)量、滿足高頻運作的要求。AMD的高端桌面和服務(wù)器芯片現(xiàn)在也都采用類似的技術(shù)。不過移動型計算芯片都還是沿用傳統(tǒng)的針腳方式，這樣做主要是考慮空間占用的因素。而在封裝尺寸上，我們可以看到，桌面芯片總是比移動型芯片大得多，芯片表面也覆蓋著具有保護作用的金屬蓋；移動芯片尺寸則小，同時也沒有金屬保護蓋，原因在于桌面芯片經(jīng)常拆換，必須有嚴(yán)密的保護；而移動芯片都是在筆記本電腦的內(nèi)部，除非專業(yè)維修人員，其他人是不會輕易去動它們的。
未來：28納米到光芯片
Intel Core i5和i3充分展現(xiàn)了32納米的風(fēng)采。作為主流定位的處理器，這兩款產(chǎn)品都展現(xiàn)出了一流的性能，同時功耗和芯片尺寸控制得非常好，并在封裝內(nèi)集成了一枚GPU芯片。這兩個系列的到來，也意味著Intel處理器將開始全部轉(zhuǎn)入32納米體系，這個過渡階段將在2010年內(nèi)宣告完成。
    與Intel相比，作為競爭對手的AMD剝離了半導(dǎo)體業(yè)務(wù)而輕裝上陣，但這也意味著AMD默認了在工藝上落后的事實。現(xiàn)在，AMD剛剛完成45納米工藝的過渡，在未來一年它仍然是主角。不過到明年底，TSMC和GlobalFoundries就能夠?qū)崿F(xiàn)28納米工藝的生產(chǎn)，屆時AMD GPU與CPU都將開始直接跳到28納米階段，雖然此時45納米產(chǎn)品還是市場主力，但這已經(jīng)能夠?qū)ntel的32納米工藝產(chǎn)品形成制衡。
    這種錯位發(fā)展的策略非常英明，不過它并非AMD的杰作，而是IBM芯片技術(shù)聯(lián)盟的共識，幾乎除Intel外的所有半導(dǎo)體廠商都聚攏在IBM周圍，對未來的半導(dǎo)體工藝進行合作研發(fā)，以此實現(xiàn)分攤高昂研發(fā)成本。
    按照Intel的路線圖，32納米工藝將一直活躍到2011年，之后更先進的22納米技術(shù)便登臺亮相，再往后的兩年，便達到15納米階段，此時，半導(dǎo)體工藝也將迎來自己的極限，也許Intel還可以通過新技術(shù)延長它的壽命，但潛力已經(jīng)越來越小。業(yè)界普遍認為，硅光技術(shù)將取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片成為新的王者，以光信號為介質(zhì)的計算芯片離我們越來越近。顯然，在未來的光芯片時代，或許將有新的法則來取代摩爾定律。
    在半導(dǎo)體工藝前進的同時，IC設(shè)計的思想也在不斷地發(fā)生變化，從最早的頻率至上，到現(xiàn)在已成標(biāo)準(zhǔn)的多核心設(shè)計，業(yè)界一致認為，擁有大量專用加速單元的多核心設(shè)計將成為未來，而CPU與GPU的結(jié)合趨勢也初步顯現(xiàn)。我們相信，在未來的十年，半導(dǎo)體工業(yè)將進入一個全新的階段。

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