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，在工藝制程上，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，涉及制造的光刻部分則簡略帶過。

在芯片行業里，特征尺寸與制程節點緊密相關，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，且性能上相當依賴于功效的工藝節點（特指同一制造商的每一次迭代）。

然而在營銷實踐中，這個術語用起來還是相當寬松的，取決于制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、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。

三款芯片的制程節點分別為 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。盡管 30W 數倍于 12W，但新 CPU 的晶體管更是舊芯片將近百倍。

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

（圖自：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，然后與芯片制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制造工藝，比如舊賽揚采用了 65nm 制程節點。那么，我們又該如何制造比光波還細小的零件呢？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、臺積電、格羅方德等制造商，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，有助于縮小芯片的整體尺寸。

（制造缺陷特寫，圖自：Solid State Technology）

對于制程節點的規模，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，而臺積電稱之為 10FF 。

在將格羅方德售出之后，AMD 現在靠的是臺積電代工，并且用上了 7nm 的量產工藝。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，單個晶體管在各個方面都覆蓋了不到 10 個硅原子。

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制造難題。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 及以下制程的研發。

問題在于，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制造的芯片。此外，小規模制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），導致制造商無法實現 100% 完美的芯片制造目標。

還有一個問題是，在怪異的原子世界里，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。

就英特爾和臺積電而言，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。此外出于商業的考慮，更小的制程可節省更多的成本。

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。芯片制造商也被迫承擔因轉向更小的制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。

盡管格羅方德的放棄聽起來有些悲觀，但三星和臺積電在 7nm 制程的投入 / 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 處理器采用了臺積電 7nm 工藝，并結合了格羅方德生產的 14nm 芯片。前者可視作傳統的 CPU 部件，而后者則是集成了 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 年里的制程節點變化，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 產能別再拖后腿）。同時三星和臺積電也在積極投入 5nm 研究，但愿該行業還能繼續給消費者帶來驚喜。