没耐心做不了！ 小小芯片的诞生故事 | 酷酷酷科技

撰文 ： Max Chafkin、Ian King

编辑：刘馨蔚

翻译：许诺

新款微处理器的开发和制造是商业上成本最高、风险最大的冒险行动之一

“如果你想短时间内获得满足感，还是不要选择芯片设计师这一行”

在美国俄勒冈州希尔斯伯勒市，有一家体量达48万立方米的微处理器工厂，这就是英特尔的D1D芯片厂。在进入D1D芯片厂的清洁室之前，你最好仔细清洗一下手和脸，可能还应该去一趟洗手间。因为清洁室里没有洗手间。此外，参观者还严禁使用化妆品和香水一类的东西。书写工具可以带进去，不过笔需要经过特殊的无菌处理，而会散落微小颗粒的纸张绝对禁止。如果你想在里面写点儿什么，你只能用一种业内人士所称的“高性能档案材料”，这是一种类似纸张但是不会掉落纤维的材料。

戴上发网后，下一站是设在加压房里的更衣站。加压房位于从室外进入清洁室之前的位置。当你进入清洁室时，从相当于四个半足球场大小的清洁系统送出的一股强风迎面吹来，把你身上的零星杂物一吹而净，不论是灰尘、线头，还是狗毛、细菌。你戴上罩袍手套，穿上带兜帽和类似手术室用口罩的紧身衣，然后再戴上第二副手套、第二副鞋套，然后是防护镜。 不过，所有这一切防护措施并不是为了保护你，相反，是为了防止你“污染”那些芯片。

你在清洁室里呼吸到的恐怕是你曾经接触过的最纯净的空气。从参数上讲，它的洁净度是10级，相当于每立方英尺的空气中含有不超过10个直径大于半微米的微粒（与一个小细菌的尺寸差不多）。相比之下，即使在一间超级清洁的医院手术室里，每单位空间里不小于细菌大小的微粒数也会有1万个，而这个水平已经不存在细菌感染的特别风险。而在室外，单位空间里的微粒数大约有300万个之多。

清洁室里近乎绝对安静，只听到各种机器发出的低沉的嗡嗡声。这些机器在英特尔内部被称作“器械”，它们从外观上看像是一台台巨大的复印机，每台的成本可高达5000万美元。这些器械安装在跟清洁室的建筑框架相连的钢质底座上，从而保证室内的任何振动都不会影响到芯片，比如其他“器械”发出的振动或人走动时脚步产生的振动等等。即便如此，你最好还是放轻脚步。因为这些器械有些精确度极高，可以控制在半个纳米的范围内，也就是两个硅原子排在一起的宽度。

除了极度洁净之外，清洁室里光线之暗也让人感到意外。几十年来，英特尔清洁室的照明一直搞得像暗房一样，浸没在一种暗沉的黄色调里。身材瘦小、表情严肃的英特尔制造工艺首席科学家马克玻尔(Mark Bohr)说，“这是历史遗留问题，虽然已经不合潮流，但没人有勇气去改变它。”在38年的职业生涯中，玻尔一直从事芯片制造业。

芯片制造的基本过程是，在一片经过抛光处理的12英寸硅晶圆片上刻出细微的图案，所采用的手法包括采用平版照相蚀刻技术、并将超细材料层留在晶圆表面。这些晶圆会封装在微波炉大小的被称为“前开式芯片盒”的容器里，然后被机器人运走。这些机器人安装在头顶上方的轨道上，总共会有数百只，它们将晶圆运往各种不同的“器械”，进入下一步工序。芯片盒里的空气是1级，也就是说，里面可能完全没有一点杂质。这些晶圆会定期用一种自然界里不存在的高纯度水进行冲洗。由于极度纯净，这种水高度致命。如果你饮用足够量的这种水，它会带走你身体细胞里的矿物质，进而造成器官衰竭死亡。

接下来的3个月时间里，这些晶圆将被加工成微处理器金这个过程是波音公司制造一架Dreamliner所需时间的三倍。它们要经过总共超过2000道工序，包括印刷、蚀刻、附加材料，然后是又一轮蚀刻等等。经过这些工序，每片晶圆被切割成100只左右指甲盖大小的单元裸片，然后，每只裸片会封装在陶瓷材质的封套里。如果一切运转正常，在整个加工过程中，英特尔总计10万名左右的员工中，没有任何人会触碰这些单元片。这一奇迹般的加工过程最终带来的产品是英特尔“至强”(Xeon) E5 v4芯片，这是该公司最新一款服务器芯片，也是互联网的核心动力所在。

这只12英尺晶圆将被切成122只“至强”E5芯片。每只芯片售价可高达4115美元

一直以来，英特尔公司很少谈及它如何制造新芯片。《彭博商业周刊》(Bloomberg Businessweek)今年5月到希尔斯伯勒工厂采访时，英特尔为我们安排的参观内容是自奥巴马总统2011年访问该公司以来涉及范围最广的。 英特尔如此谨慎可以理解，毕竟，新款微处理器的开发和制造是商业上成本最高、风险最大的冒险行动之一。

据市场研究公司Gartner的数据称，仅建造能生产类似E5这样的芯片的工厂，就需要耗资85亿美元。这还不包括芯片研发成本（20多亿美元）和集成电路平面设计成本（超过3亿美元）。一旦发生“偏差”（这是英特尔对项目失败的委婉说法），即便是最小程度的偏差，就要额外耗费掉数百亿美元的费用，而整个过程要花费5年甚至更多的时间。VMware首席执行官、曾在英特尔长期供职、前不久还在担任英特尔首席技术官的派特盖尔辛格(Pat Gelsinger)说， “如果你想短时间内获得满足感，还是不要选择芯片设计师这一行……很少有什么职业像它这样的。”

顶级的E5系列微处理器零售价在4115美元，它外观仅相当于一枚邮票大小，但一年耗费的能源比一台大容量惠而浦冰箱(Whirlpool)还要多出60%左右。不论你在谷歌(Google)上搜索，还是用优步(Uber)叫车，或是让你的孩子在你车里用流媒体看情景喜剧《打不倒的金咪》(Unbreakable Kimmy Schmidt)第三集，你都要用到这些芯片。 上述这些电脑科技领域的杰出应用成果往往被归功于智能手机的兴起，但实际上，难度最大的工作都是通过数千台服务器完成的，而这些服务器几乎全部用的都是英特尔制造的芯片。

1971年，英特尔公司造出了世界上第一只微处理器，在安迪葛洛夫(Andy Grove)的带领下，到上世纪90年代，总部位于加州圣克拉拉的英特尔已成为一个家喻户晓的名字，全世界大部分个人电脑用的都是英特尔的芯片。但是过去五年来，随着智能手机日渐普及，个人电脑的销售量一路下滑，英特尔在适合智能手机的低能耗芯片的开发方面进展缓慢。为实现公司现任CEO布莱恩克里扎尼奇(Brian Krzanich)所说的“自我再造”，该公司前不久宣布，将裁减11%的员工。

英特尔目前仍是全世界最大的芯片制造商，据市场研究机构国际数据公司(IDC)称，全世界电脑服务器所用芯片有99%来自英特尔。去年，英特尔的数据中心业务部门实现收入约160亿美元，利润率接近五成。英特尔之所以能获得这样的霸主地位，一方面是由于竞争对手的不力，同时，也因为英特尔为确保其产品每一年都能实现显著的、可预见的改善，不计代价地大力投入所需资金。“我们的客户期待他们能以他们上一年所付的同样价格，在产品性能上实现20%的提升，”英特尔执行副总裁、公司数据中心业务总经理戴恩布莱恩特(Diane Bryant)说，“这也是我们的信条。”

不过，对于个人电脑和手机类芯片来说，这一战略效果有限，因为，速度和能耗效率达到一定程度之后，个人用户对进一步改善提高就没那么在乎了。但服务器行业不同，眼下，诸如亚马逊(Amazon.com)和微软(Microsoft)这样的大公司经营的数据中心正在竞相为全世界类似网飞(Netflix)和优步之类的公司处理数据，而对于数据中心来说，芯片的性能至关重要。在通常的服务器集聚场，服务器运行和冷却所需要的电力是其所需各种成本中最大的一块。如果英特尔能以同样的能耗实现更高的运算能力，数据中心拥有方就可以一次次地升级系统。

有很多东西取决于这一假设。 每一年，英特尔的管理人士都会设想公司能不断推进集成电路、电子、硅原子的设计极限，在长时间难以盈利的前提下仍不惜花费数十亿美元。最终，随着时间的推移，芯片会重复白炽灯、喷气式客机和几乎每一种其他发明所经历的兴衰过程；性能改进的速度会明显慢下来。对此，克里扎尼奇充满信心地表示，“到一定阶段硅晶片技术也会像那样，不过，至少接下来的20年之内还不会……我们的任务是尽量推后这个过程，直到最后一刻。”

微处理器可谓无处不在。你的电视机、汽车、Wi-Fi路由器里都有；如果你的冰箱和空调机不算很旧，里面应该也会有。现在，甚至与互联网相联的照明装置和一些运动鞋里面也有芯片。虽然你可能不认为这些装置属于电脑，但在一定程度上它们的确是电脑，也就是说它们用到了半导体芯片。

半导体实际上是一种转换开关。与普通开关需要你用手指去操作不同的是，它利用很小的电子脉冲信号来完成开、关操作，以一台功能强大的电脑来说，脉冲频率可高达每秒钟30亿次。 转换开关可以做什么？你可以用它来存储刚好一个“比特”的信息。“开”或“关”，“是”或“否”，0或1，这些状态都可以用一个比特的数据量来传递。（一个字节有8个比特的信息量，一个千兆字节有80亿个比特。）最早期的电脑用穿孔卡片，通过有孔、无孔两种状态的排列来存储比特，但这种方式毕竟存储容量有限。

用开关可以完成的另一项功能是计算。将7个开关以适当顺序串起来，就可以进行两个小数字的加法运算了。如果将2.9万个开关串起来，那就是1981年IBM公司最早的个人电脑所用的芯片。到了现在的E5芯片，里面有72亿个开关，用它可以预测全球天气趋势、对人类基因组作排序、探明海底的石油天然气储量等等。

每隔3年左右，英特尔新出的半导体芯片的尺寸就会缩小大约30%。2009年时是32纳米，到2011年就缩小到22纳米，到2014年底的最新技术阶段就只有14纳米了。 每一次“开关”尺寸明显缩小，就意味着芯片设计师们可以在同样的空间里放进两倍的半导体。这种现象被称为“摩尔定律”。半个世纪以来，在这一定律的作用下，大约每隔3年，你买到的芯片的性能就提高一倍。

英特尔最新的“至强”处理器利用了该公司1990年代以来的研究成果，当时，玻尔在俄勒冈州实验室的团队开始尝试利用“量子隧穿效应”，也就是电子试图跳过很小的半导体（即便这些半导体处于关闭状态）的倾向。这是英特尔公司在挑战物理现象的斗争中所涉及的最新领域。

之前业界一直认为，一旦硅晶半导体的尺寸缩小到65纳米以下，它们就会停止正常工作。玻尔2007年针对这一现象找出的解决办法是，在半导体部件上涂上铪（一种银色光泽的金属，在自然界中无法单独存在）；从2011年开始，他们将半导体做成小的塔形，也就是所谓鳍形场效应半导体，简称FinFET。

“我们最早的FinFET更像是梯形，而不是又细又直的塔形。”玻尔带着有点失望的语气回忆说，“但现在它们更细更直了。”他又骄傲起来，指着一张近期通过显微镜拍摄的图片说。图片上，一片浅灰色基底上落着两块笔直的黑影。这些图片很像是牙齿的X光照片。对这些照片，英特尔人称它们是“婴儿照”。

如何让半导体尺寸缩小还只是研究团队要解决的难题之一。另一个难题是，如何处理更复杂的导线布线问题，所谓导线，这里指的是将一个又一个半导体相互连接起来的交叉引线。“至强”处理器有13层铜导线，其中有些导线的直径比单个病毒尺寸还小。布线时先在绝缘的玻璃材料上刻出细线槽，然后将铜丝嵌入这些槽里。虽然半导体材料往往尺寸越小传导效率越高，但导线并不存在这样的特性。相反，导线越细，单位时间里可以通过的电流就越小。

英特尔公司负责“至强处理器导线问题的是公司中级工程师凯文菲舍尔(Kevin Fischer)。2009年年初，当他坐进俄勒冈实验室的时候，他只有一个简单的目标，那就是解决导线最密集的布线层当中Metal 4 和Metal 6两层的传导性问题。菲舍尔今年45岁，拥有威斯康星大学麦迪逊分校电子工程学博士学位。为找到解决方案，他开始检索学术资料，这也是英特尔公司研究人员通常采用的做法。那个时候，英特尔已经采用了铜金属这种导电性最好的材料，因此，他决定将问题集中在如何改善绝缘材料上面，也就是所谓电介质，这类材料会让电流通过导线的速度放慢。

对于这个问题，选择之一是采用新的更类似海绵结构的电介质，以便减少传导阻力。但菲舍尔提出，取消玻璃材料，什么都不用。“空气是最好的电介质。”他果断地说，似乎他自己也被如此简洁的解决方案惊呆了。这个办法果然奏效了。Metal 4和Metal 6的传导速度现在提高了10%。

芯片设计的核心主要是平面布局问题。英特尔退休工程师、曾主管公司个人电脑分部的穆雷艾登(Mooly Eden)说，“它有点像做城市规划设计。”不过，将其比做城市规划可能还是低估了它的难度。 再进一步打比方，一名芯片设计师必须把相当于全世界人口数量的半导体以适当的方式布置到仅1平方英寸的面积上，以便电脑能以每秒30亿次的速度接入每一只半导体。

一只芯片的基础部分包括内存控制器、缓存、输入/输出电路，以及最最重要的核心处理器。在1990年代末常见的奔腾III处理器中，核心处理器和芯片本身基本等同于一回事；同时，一般来说，运行频率越高，芯片的性能也就更强。所谓运行频率，就是指电脑每秒钟可以开、合半导体开关的次数。十年前，这个运行频率最高可达每秒4000兆赫左右，也就是每秒钟产生40亿个电脉冲。如果让芯片运行得更快，它可能会因硅晶半导体变得过热而不能正常工作。

对此，芯片行业的解决办法是开始增加核心处理器，也就是芯片里面再加小芯片，它们可以同时运行，就像一艘快船上装上多部舷外马达。英特尔的这款新E5处理器计划最多需要增加22个核心处理器，比之前的版本多了6个，准备在英特尔位于以色列海法的研发中心进行设计。

为了提高运行速度，另一个办法是在上面增加特殊电路，也就是只完成单一功能、但运行速度极快的电路。E5上面的各种电路中，大约有25%主要用于压缩视频和给数据加密。 E5还有其他的特殊电路，不过英特尔还不能透露，因为这些是为其最大的被称为“超级七强”的客户设计的，这七强是：谷歌、亚马逊、Facebook、微软、百度、阿里巴巴和腾讯。

这些大公司采购装有“至强”系列处理器的服务器时都是十万套数量级的，而且往往会自己组装。如果你在戴尔(Dell)或惠普(HP)买了台现货“至强”服务器，里面的“至强”处理器所包含的技术对你是保密的。“我们（对云服务客户）会将独特性能集成到产品里，只要它不会让芯片过大、对其他人增加成本负担，”布莱恩特说，“我们发货给客户甲的时候，它会看到这些独特性能。但客户乙不会知道里面有这些性能。”

为向客户解释芯片性能，英特尔会编写动辄数千页的极其详尽的说明书，为此，英特尔的架构师们需要花上一年的时间金这些架构师属于最高级别的设计师，他们在工作中需要与客户及俄勒冈实验室的研究人员密切配合。然后，他们要将这份说明翻译成一种由各种基本的逻辑指令［比如AND、OR和NOT等（即与、或、非）］组成的程序代码，再根据代码生成显示各个电路的扼要图解。

这个过程中，最后、也是最耗费精力的一环是掩模设计，它需要构思如何将所有电路挤进一个实物平面图里。这个平面图最终会转移到掩模上，也就是用来在硅晶圆上烧制电路图案并最终制成芯片的模版。E5的掩模设计师分布在印度的班加罗尔和科罗拉多州的柯林斯堡。

他们采用计算机辅助设计程序来绘制代表每只半导体的多边形，或是复制从某类数字图书馆里找到的以前绘制的电路图。曾经在英特尔担任掩模设计师的科瑞纳梅林杰(CorrinaMellinger)说，“你必须具备以三维方式将你的设计内容加以可视化的能力。”

与英特尔公司里的大部分技术性职位不同，掩模设计不需要工程方面的高级学位。这项工作更像是一门手艺。梅林杰1989年加入英特尔担任行政助理后，在一所社区大学单独学了一门芯片平面布局设计课程。每一次掩模设计到最后几周总是最忙碌的，设计师们要不断更新设计，以便安排最后一刻要加到平面图里的东西。英特尔副总裁、柯林斯堡设计团队经理帕特里夏库姆罗(Patricia Kummrow)说，“从来没有过一开始做的设计到最后能直接通过的。”

最优秀的掩模设计师在看到多边形图后，立刻就知道如何将电路分别布置到各层，从而尽可能压缩整个设计的体量。 “这就像是你刚完成一个拼图游戏，然后走过来跟我说，我需要再加10个小图块到大图里。”梅林杰说，“这种时候我会想，‘好吧，让我看看能用点什么魔法。

英特尔的芯片设计师都是些工作非常投入的理性主义者。可以说逻辑是他们每天都要打交道的东西。但如果要让他们谈谈自己的工作，他们往往会借助于近乎神秘的语言。他们经常用的一个词就是“魔法”。

英特尔前CTO盖尔辛格说，1979年进入英特尔几个月之后，他就“找到了上帝”。“我一直认为他们是相依相伴的。”他指的是半导体设计与信仰的关系。英特尔产品经理玛丽亚莱恩斯(Maria Lines)在回顾过去几年的职业生涯时变得很激动，她说，“我工作涉及的产品几代之前有大约20亿个半导体，现在呢，已经是100亿个了……这怎么说呢，真让人震惊，简直不可思议。就像生宝宝一样神奇。”

一款芯片降生的那一刻被称为“第一只硅片”，即芯片样本。E5处理器的“第一只硅片”诞生于2014年。当时，班加罗尔的一个团队向位于加州圣克拉拉的英特尔掩模中心送出了一份7.5千兆字节的包含全部设计内容的文件。

在接下来的一周，相应的掩模被送到英特尔位于凤凰城附近的一处与俄勒冈一模一样的实验室里，随后，各种机器开始进行缓慢而精确的工作。这些掩模是一些6×6英寸的半导体硅片，上面携带有之后将刻印到每只芯片上的半导体被稍加放大后的版本。

在经过所有这些没日没夜的忙碌之后，2015年的大部分时间里，设计师们静静等待着对新样品进行测试。每次修改大约需要3个月左右的时间。英特尔公司副总裁、数据中心设计部门总经理斯蒂芬史密斯(Stephen Smith)说，“这个过程冗长而乏味。”

尽管芯片电路本身已经无比复杂，但是测试过程让微型芯片的开发成为所有行业风险最大的一个。 如果在拿到“第一只硅片”前经过了多次失败，整个项目将会大大延迟，收入会严重受损。而随着半导体一代比一代小，后面的风险也越来越高。

克里扎尼奇指出，与10年前相比，现在开发生产一款新芯片的时间整整增加了一倍。“把东西做得更小是一个物理上的问题，总还是有办法解决的，”他说， “但问题是，你能以一半的成本来实现这一点吗？”

整个制造过程的最后一环是封装，由分布于马来西亚、中国和越南的封装厂完成。在这些工厂里，成品晶圆被金刚石锯切成小方片，随后进行封装和测试。2015年秋季，英特尔向“超级七强”及其他大客户赠送了10万只芯片。随同每只芯片一同交付的软件到最后一刻还做了小改动，英特尔用了6周的时间进行了最后测试。直到今年的早些时候，新款E5处理器的生产才全面铺开，在英特尔的亚利桑那工厂，以及跟它设施完全一样的爱尔兰莱克斯利普工厂进行。在接下来的12个月，英特尔将发售数百万只这款芯片。

如果客户足够幸运，他们可能永远都“无缘”见到藏在服务器里的这些芯片，更不用考虑它们是如何制作出来的了。但是，如果你有机会打开一台新的服务器，你就可以看到一只完好的芯片了， 它封装在印有英特尔蓝色标识的陶瓷材质封套里。如果你仔细查看封套里面，就会发现13层连接引线，但如果裸眼看上去的话，除了一块光秃秃的金属板好像什么也没有。隔着多个材料层下面会是闪烁着蓝、橙、紫色光的硅金正是这些纤细密集的迷宫般的电路，以某种方式帮助我们的整个世界日夜运行。你或许会觉得它们看上去很美。

身为英特尔制造工艺研究部门首席科学家的玻尔有时也会这么觉得。不过，作为一名科学家，他知道他看到的并不是颜色，而是光，是经过他和他的同事们印制在硅片上的设计图案反射和折射后的光。单个半导体本身的尺寸比任何光波的尺寸都要小，“当东西做到那么小的尺寸之后，颜色已经没什么意义了。”他说。

他要去参加一个有关英特尔5纳米芯片的讨论会，这比现在的E5处理器要先进两代，不过他迟到了。在许多芯片业人士看来，5纳米芯片将是一个临界点，再往下面，就没可能继续缩小芯片尺寸了，也就是说，摩尔定律将最终失效。

英特尔希望采用一种被称为极端超紫外光的新技术来制作5纳米芯片。这种新技术尚未被有效利用。5纳米之后再提升，就需要借助于新材料了，有人认为，纳米碳管将取代硅金甚至可能还会诞生全新的技术，比如神经形态运算技术（模仿人脑设计的电路）和量子运算（以原子粒子单体取代半导体）等。

“我们正在压缩要考虑的选项，各种大胆而疯狂的想法太多了，”玻尔说，“其中有些想法最后根本做不出来，”但接着他又非常肯定地追了一句说，“有那么一两个应该还可以。”

◆ ◆ ◆ ◆◆

回复你感兴趣的 关键词

立即获得关于 TA的更多信息！

高田汽车炸弹丨 赌球天才丨 东莞工厂丨魔兽丨李安新片丨

英国脱欧丨重庆丨 毕业演讲丨爽身粉有毒丨 李嘉诚商业帝国丨

……