视频揭秘5nm芯片内部结构（图文）

2021-07-17    创事记  作者： 新智元

　　编辑/Priscilla Emil

　　来源/新智元报道（ID：AI_era）

　　一颗指甲盖大小的芯片，160亿个晶体管，16个计算单元，每秒钟能进行11万亿次运算。它的里面究竟是什么样子的？

　　你能想象到最精细的东西是什么？

　　是右刻「山高月小，水落石出」，左刻「清风徐来，水波不兴」的小小核雕吗？

　　还有更厉害的，民家艺术家可以在一粒米上雕刻出一幅国画，甚至是一首沁园春书法作品。

　　比它们更精细的呢？

　　是芯片。

　　苹果最新的M1芯片大小为120平方毫米，但是里面通过光刻机蚀刻出了160亿个晶体管。

　　众所周知，芯片制程的尺寸越小，在同一面积上放置的晶体管越多，性能越强，能耗越低。

　　这也是之前能够让芯片领域的摩尔定律保持将近50年的秘笈：芯片制程工艺已经从2001年的130nm，发展到了如今的5nm时代。

　　5nm的芯片内部究竟是什么样？

　　近日，网上一条视频为我们开了开脑洞。据说这是5nm芯片的内部构造。

　　一个个类似于摩天大厦的结构在一个神秘的空间里不断展开，细化，像是电影《星际穿越》为观众呈现的4.5维空间。

　　很难想象这样一个「元宇宙」居然都集成在一个指甲盖大小的硅片中。

　　不过视频下方很快就有网友指出，这个视频展现的与芯片内部结构「大相径庭」，或许是更加微观的硅原子？

　　也有网友指出，这就是电脑生成的一个分形几何体。

　　是不是有种似曾相识的感觉？

　　不过这并不妨碍它为我们打开了关于芯片内部结构想象的大门。

　　无论复杂程度还是关键结构的数量，一个芯片的内部与视频展现的分形几何体都是同一个数量级的。

　　从这个角度来看，用复杂的分型几何模型来类比芯片内部结构倒也合理。

　　关于5nm芯片细致的内部结构，目前显然涉及到芯片厂商的核心机密，我们无法一窥究竟。

　　但不同芯片之间的结构有着共通性。我们可以通过国外一条通过电子显微镜拍摄的视频，来看看在一片指甲盖大小的硅片上，集成了怎样的「元宇宙」。

　　芯片在制作过程中除了使用光刻机在硅片上蚀刻出半导体结构，还需要按照芯片设计图，在硅晶圆上逐层制作材料介质层。他们主要包括晶体管、存储单元、二极管、电阻等等。

　　因此从微观角度来看，芯片内部的确是立体的。

　　5nm是芯片制程的极限？

　　在芯片行业主导多年的制程之争很快就要结束了吗？

　　目前世界上主流的芯片厂商在近几年芯片制程工艺上可以说基本已经陷入了瓶颈。

　　刚刚传言要被英特尔收购的格芯公司自2018年起，就卡在了7nm这个节点上，而英特尔自2019年用上了10nm制程之后，迄今也没有继续发布更小制程的芯片，其桌面处理器仍然停留在14nm制程上。

　　目前只有台积电和三星两家公司仍将芯片制程做到了5nm以内。

　　有理论表明，如果芯片仍然采用的是经典逻辑电路设计的话，那么5nm制程很可能就是极限。

　　因为当制程小于5nm时，经典的逻辑电路就会失效，而量子效应会占据主导地位。

　　比如产生量子遂穿、纠缠等效应，芯片就无法工作了。

　　Gate-All-Around，也就是环绕式栅极技术，简称为 GAA 横向晶体管技术被认为是未来芯片突破制程限制的发展方向。

　　GAA技术通过线状或者平板状等多个源极和漏级，很大程度上解决了栅极间距减小后带来的各种问题。

　　据说三星采用GAA技术之后将实现3nm的芯片制造技术。

　　此外，芯片公司也在着手研究从材料入手来探讨芯片性能提升的潜力。包括采用碳化硅、石墨烯、硅烯、碳纳米管等等。

　　芯片：未来科技进步的核心

　　随着5G技术、IoT、智能化技术的不断普及，全球经济对于芯片的依赖性越来越强。

　　谁也没想到，一场芯片荒，会让整个汽车工业为之打一个喷嚏：今年由于芯片供应不足将导致全球汽车减产200-450万辆，相当于一个大型整车企业全年的汽车产量。

　　与此同时，芯片产业技术升级速度也在不断加快，技术壁垒不断提升。

　　有代表性的两家芯片企业台积电和英伟达在去年股票市值飞涨，如今相继达到了6000亿美元以及4700亿美元。

　　种种迹象表明，芯片将成为未来科技的核心竞争力之一。中国也将芯片技术提升到了国家战略层面，就在不久前，北京大学和华中科技大学的芯片学院也相继成立。

　　中国未来一大批「芯」人才已经在路上了。

　　所以少年，你准备好了吗？