制造工藝提升有何用？

“XXX芯片采用了XXnm(納米)工藝，集成了X.X億個(gè)晶體管……”，這些內(nèi)容對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)好像只是一個(gè)參數(shù)而已，而且給人很陌生的感覺(jué)，誰(shuí)買東西還關(guān)心它是什么工藝、核心面積多大、里邊有多少晶體管什么的呀?但要是制造工藝沒(méi)用，為什么在產(chǎn)品介紹時(shí)會(huì)頻頻提及?而這些頂尖大廠為何又要不停地提升制造工藝呢?今天我們就來(lái)了解一下制造工藝對(duì)于半導(dǎo)體芯片產(chǎn)品的意義。

從制造談起

在解析工藝秘密之前，先來(lái)簡(jiǎn)單了解一下芯片產(chǎn)品的制造流程。CPU也好，GPU也罷，還有諸如內(nèi)存、閃存芯片等等，它們芯片核心部分的主要原料都是硅，制造過(guò)程也大體上相似。經(jīng)過(guò)篩選、高溫融化提純后，硅原料變成了高度純凈的單晶硅。然后在高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將原料取出，形成固定表面積的圓柱體硅錠。接著將硅錠切成圓形薄片，新的切片中要摻入一些物質(zhì)。使之成為真正的半導(dǎo)體材料，而后在上邊刻畫代表著各種邏輯功能的晶體管電路。再將每一個(gè)切片放入高溫爐中加熱，通過(guò)控制加溫時(shí)間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。隨后再通過(guò)光刻蝕、摻雜等一系列復(fù)雜工藝，一個(gè)內(nèi)部擁有復(fù)雜晶體管電路網(wǎng)絡(luò)、多層結(jié)構(gòu)的晶圓已成形。晶圓將被進(jìn)一步切割成獨(dú)立的核心芯片單元并經(jīng)檢測(cè)合格，進(jìn)行封裝、插接，進(jìn)而再檢測(cè)以決定它們的額定頻率，電壓等參數(shù)，最終的產(chǎn)品即告出爐。

等會(huì)兒，這里邊好像并沒(méi)有提到“nm工藝”這個(gè)關(guān)鍵詞。而它實(shí)際上是代表了芯片內(nèi)部晶體管電路之間的距離。晶體管電路密集程度越高，單位面積內(nèi)可以容納的晶體管電路越密集、越復(fù)雜，構(gòu)建同樣結(jié)構(gòu)的晶體管電路所需要的空間越小，或者相同大小的空間能夠容納更為復(fù)雜，晶體管數(shù)量更多的晶體管電路。

講到這里，我們又要把摩爾定律作為權(quán)威理論擺出來(lái)了。1965年到1975年，Intel的創(chuàng)始人之一戈登-摩爾先后提出并完善了摩爾定律：芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每24個(gè)月會(huì)翻番，原因是工程師可以小斷縮小品體管的體積。這就意味著，半導(dǎo)體的性能與容量將以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，并且這種增長(zhǎng)趨勢(shì)將繼續(xù)延續(xù)下去。而摩爾定律中晶體管數(shù)量翻倍帶來(lái)的好處可以總結(jié)為：更快，更小，更便宜。而制造工藝的提升則是晶體管數(shù)量提升的前提。

提升工藝 降低成本

工藝的提升對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)最直觀的感覺(jué)就是產(chǎn)品售價(jià)的下降。由于芯片是由最初的硅錠逐步切割為一個(gè)個(gè)小的方形薄片，那么一旦工藝提升，晶體管電路變得更為密集，單個(gè)芯片所需的厚度、表面積也會(huì)隨之降低，同樣多原料就能生產(chǎn)出更多的芯片產(chǎn)品。同時(shí)，更先進(jìn)的工藝也能夠進(jìn)一步保證產(chǎn)品的良品率，大大減少了報(bào)廢產(chǎn)品的產(chǎn)生。當(dāng)年NVIDIAGeForce 7600GT/GS最初采用的90nmT藝的G73-N-A2核心，售價(jià)直徘徊在千元附近。而在80nm工藝的G73-B1核心被廣泛運(yùn)用后，GeForce 7600GT/GS的售價(jià)才出現(xiàn)了大幅下調(diào)，599到799元的售價(jià)讓它們最終成為了紅極一時(shí)的主流產(chǎn)品。同時(shí)，目前NVIDIA G80和G92兩款核心顯卡產(chǎn)品的巨大的售價(jià)差距也讓人們看到了65nm工藝的優(yōu)勢(shì)。

提升工藝 提升性能

再來(lái)看Intel最新的45nm工藝的Penryn核心處理器吧，產(chǎn)品的雙核心版本內(nèi)建4.1億個(gè)晶體管，四核心則有8.2億個(gè)晶體管(65nm Core 2 Duo處理器雙核心晶體管數(shù)量為291億)，微架構(gòu)經(jīng)強(qiáng)化后，在相同頻率下較上代65nm產(chǎn)品擁有更高性能，同時(shí)L2Cache容量亦提升50％，明顯提高數(shù)據(jù)讀取執(zhí)行的命中率。47條全新Intel SSE4指令，提高媒體性能和實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)算應(yīng)用。正是由于晶體管電路更為密集，因而產(chǎn)品可以在更小的空間內(nèi)融入數(shù)量更多、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的晶體管電路，相信不久的將來(lái)，我們就能享受到如此強(qiáng)大的處理器產(chǎn)品。

提升工藝 提升電氣性能

先進(jìn)的工藝同樣也意味著電氣性能的提升，即產(chǎn)品的供電環(huán)境要求下降，發(fā)熱量更低，功耗更低，更易于超頻。記得Core 2 Duo剛上市時(shí)，大家都感覺(jué)難以置信，因?yàn)槟J(rèn)外頻已高達(dá)266MHz的處理器產(chǎn)品大部分都可以在額定工作電壓僅為1.35V(實(shí)際工作電壓為1.248V)的情況下超頻到400MHz以上。

對(duì)于現(xiàn)在熱門的Radeon HD3850/3870顯卡，恐怕我們很難想象，作為AMD-ATi新一代中高端產(chǎn)品的代表，并且是第一款對(duì)DirectX 10.1 API提供支持的RadeonHD3850/3870，它們的供電部分設(shè)計(jì)居然看上去如此的簡(jiǎn)單。但要知道，RadeonHD3850/3870采用的可是目前顯卡領(lǐng)域最前沿的55nm制造工藝啊!AMD-ATi借著55nm先進(jìn)工藝，將6.66億個(gè)晶體管融入到了表面積僅為190mm²的顯示核心當(dāng)中，同時(shí)將Rv670xT和RV670Pro的TDP功耗控制在132W和104W。因此，兩款產(chǎn)品在供電設(shè)計(jì)方面均不會(huì)有過(guò)高的要求。還有另外一條令人振奮的消息：采用RV670XT的Radeon HD3870顯卡，假如在PCB背面的核心電壓控制部分的一個(gè)空焊位焊接一個(gè)500毫歐的電阻，就能顯著提升RV670的工作電壓。通過(guò)這個(gè)改造，Radeon HD3870顯卡的核心工作頻率可以穩(wěn)定超頻到1GHz左右，性能將在原有基礎(chǔ)上大幅提升。

制造工藝與產(chǎn)業(yè)關(guān)系

看到這么多制造工藝提升帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，恐怕大家會(huì)感到奇怪：“不是說(shuō)最新的工藝生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品最節(jié)省成本、性價(jià)比最高么?但為什么最新工藝的新款CPU剛開(kāi)始發(fā)售時(shí)售價(jià)都那么高呢?”“為什么都到了45nm工藝了，還有些廠商仍然在堅(jiān)持使用90nm甚至更老舊的和造工藝呢?”這就要涉及到產(chǎn)業(yè)關(guān)系的內(nèi)容了。

眾所周知，目前工藝上最領(lǐng)先的仍舊是CPU制造，以Intel、AMD為代表的一線領(lǐng)導(dǎo)地位的廠商不斷努力開(kāi)發(fā)更新，但技術(shù)更新也是需要相當(dāng)大的成本投入的，即便能夠以更低廉的成本生產(chǎn)出產(chǎn)品，它們也不會(huì)降低產(chǎn)品的售價(jià)。以較高的價(jià)格銷售全新的產(chǎn)品不僅能夠讓它們迅速回收工藝更新的成本同時(shí)，也賺取工藝更新的利潤(rùn)。

在收回足夠多的成本和利潤(rùn)后，更加先進(jìn)的工藝已經(jīng)出爐，而后相對(duì)老舊的技術(shù)被用于生產(chǎn)價(jià)格適中的主流產(chǎn)品，這往往就是主流用戶們最終能夠接受的產(chǎn)品了，不過(guò)它們?nèi)匀粩[脫不了被淘汰的命運(yùn)。但另一方面，對(duì)于處在中下游的廠商來(lái)說(shuō)，一線廠商淘汰下來(lái)的技術(shù)仍然是非常有利用價(jià)值的。于是它們也會(huì)以一個(gè)相對(duì)合理價(jià)格收購(gòu)一線廠商淘汰不用的工藝技術(shù)，繼續(xù)發(fā)揮它們的生產(chǎn)價(jià)值。例如，我們會(huì)看到處理器的生產(chǎn)工藝已經(jīng)發(fā)展到了45nm，實(shí)際上主流的處理器產(chǎn)品依舊采用的是65nm工藝，而諸如內(nèi)存、閃存等半導(dǎo)體產(chǎn)品卻仍然在采用90nm甚至更老的工藝。

新的工藝不斷被Intel、AMD、臺(tái)電等一線廠商開(kāi)發(fā)出來(lái)，幫助它們賺取產(chǎn)品、技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面的利潤(rùn)，而一線廠商淘汰下來(lái)的技術(shù)被二線廠商回收后進(jìn)一步利用。這就形成了制造工藝的單向循環(huán)。所以我們才能夠看到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)工藝技術(shù)的不斷更新。

說(shuō)到最后

看似陌生的制造工藝卻意義非凡。它對(duì)于業(yè)界不僅是一個(gè)掙錢的技術(shù)，同時(shí)新舊工藝的不斷更迭也推動(dòng)了整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對(duì)于廣人消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，雖然可能無(wú)法直觀感受到工藝的進(jìn)步，但工藝進(jìn)步后帶來(lái)的是產(chǎn)品售價(jià)、功耗的降低，也讓消費(fèi)者們能夠最大程度受益。所以，大家還是密切關(guān)注一下廣告詞里諸如“XXXnm工藝”、“X.X億個(gè)晶體管”、“核心面積XXXmm²”……這些關(guān)鍵詞吧，它們其實(shí)是真正能夠給大家?guī)?lái)實(shí)惠的東西。