计算机芯片的发展

计算机基础课第 39 期分享

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01

芯片的核心都是一小片 IC

之前的例子 只做了一个晶体管,但现实中光刻法一次会做上百万个细节芯片放大是这样的,导线上下交错,连接各个元件。尽管可以把光掩膜投影到一整片晶圆上但光可以投射成任意大小,就像投影仪可以投满荧幕一样。我们可以把光掩膜 聚焦到极小的区域,制作出非常精细的细节,一片晶圆可以做很多 IC整块都做完后,可以切割然后包进微型芯片。微型芯片就是在电子设备中那些小长方体,记住,芯片的核心都是一小片 IC。

随着光刻技术发展,晶体管变小 密度变高1960 年代初,IC 很少超过 5 个晶体管,因为塞不下。但 1960 年代中期 市场上开始出现超过 100 个晶体管的 IC。1965年,戈登·摩尔看到了趋势:每两年左右,得益于材料和制造技术的发展同样大小的空间,能塞进两倍数量的晶体管!这叫 摩尔定律。然而这个名字不太对因为它不是定律,只是一种趋势,但它是对的芯片的价格也急剧下降1962年平均50美元,下降到1968年2美元左右。如今几美分就能买到 IC。

晶体管更小密度更高 还有其他好处。晶体管越小,要移动的电荷量就越少能更快切换状态 耗电更少,电路更紧凑 还意味着信号延迟更低, 导致时钟速度更快。

02

微型处理器

1968年,罗伯特·诺伊斯 和 戈登·摩尔联手成立了一家新公司,结合 Intergrated(集成) 和 Electronics(电子) 两个词,取名 Intel, 如今最大的芯片制造商。Intel 4004 CPU,之前介绍过是个重要里程碑。发布于1971年 是第一个用 IC 做的处理器,也叫微型处理器。因为真的非常小!它有2300个晶体管。人们惊叹于它的整合水平整个 CPU 在一个芯片里。

而仅仅 20 年前,用分立元件会占满整个屋子,集成电路的出现尤其是用来做微处理器,开启了计算 3.0。而 Intel 4004 只是个开始,CPU 晶体管数量爆发增长,1980年,3 万晶体管;1990年,100 万晶体管;2000年,3000 万个晶体管;2010年,10亿个晶体管。在一个芯片里!我的天啊!

为了达到这种密度,光刻的分辨率从大约一万纳米,大概是人类头发直径的 1/10,发展到如今的 14 纳米比血红细胞小 400 倍!

当然,CPU 不是唯一受益的元件大多数电子器件都在指数式发展:内存,显卡,固态硬盘,摄像头感光元件,等等。如今的处理器,比如 iPhone 7 的 A10 CPU 有33亿个晶体管。面积仅有 1cm x 1cm,比一张邮票还小。现代工程师设计电路时,当然不是手工一个个设计晶体管这不是人力能做到的。

03

2 个大问题

1970年代开始,超大规模集成(VLSI)软件用来自动生成芯片设计,用比如 "逻辑综合" 这种技术可以放一整个高级组件,比如内存缓存,软件会自动生成电路,做到尽可能高效。许多人认为这是计算 4.0 的开始,坏消息是,专家们几十年来一直在预言摩尔定律的终结。现在可能终于接近了,进一步做小,会面临 2 个大问题:

  1. 用光掩膜把图案弄到晶圆上因为光的波长,精度已达极限,所以科学家在研制波长更短的光源,投射更小的形状。
  2. 当晶体管非常小,电极之间可能只距离几个原子电子会跳过间隙,这叫量子隧道贯穿,如果晶体管漏电,就不是好开关。

科学家和工程师在努力找解决方法,实验室中已造出小至1纳米的晶体管,能不能商业量产依然未知,未来也许能解决。

原文发布于微信公众号 - 程序员成长充电站(qianpangzi8)

原文发表时间:2019-08-28

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