芯片上的晶体管有多小?
作者 | 物联网智库2021-11-27

在最先进的芯片中,晶体管像病毒一样小,也就是大约 50-100 纳米(一个纳米是百万分之一毫米)。我们将在本文中看到晶体管的尺寸从 1959年发明集成电路 (IC)到今天是如何演变的。

在显微镜下拍摄的芯片彩色图像

图:在显微镜下拍摄的芯片彩色图像。你看到的是晶体管的金属互连轨道,它们在下面,不可见

摩尔定律,一个自我实现的预言

1965年,戈登·摩尔,英特尔的创始人,发表了著名文章称,多年来,已成为一种预言:被集成在一个芯片的晶体管数量每两年增加一倍。这篇文章是电子学史上的一颗真正的宝石,可能是对这一科学和技术分支的后续发展影响最大的文章之一。下图显示了摩尔在其著名文章中的内容:

芯片上的晶体管有多小?

数学中的这种增长有一个名字:指数规律。从那时起,IC 或芯片中晶体管数量的增加(它们是通常的两种称呼方式)一直遵循这一趋势,这在电子世界中被称为摩尔定律。

这一预测在微电子行业起到了一种“自我实现的预言”的作用,即制造商年复一年地执意要实现。当然,这不仅仅是为了满足预测,而是为了寻求(并发现)这一趋势的好处,这种趋势几乎对行业产生了“神圣的使命”。当你阅读摩尔的文章时,仍然令人震惊的是,他在其中做出的预测不仅实现了,而且半个世纪以来他们年复一年地这样做。在任何其他工业部门中都不容易找到像本次那样坚定的预测“追逐”。

因此,自从 1950 年代后期问世以来,IC 在接下来的几年里经历了前所未有的发展,最初是由美国太空计划和军事工业推动的。制造了更多数量的晶体管。如果说最初的 IC 集成了几十个晶体管,那么几年后市场上已经有成千上万的 IC 上市,而今天,有数十亿个晶体管的 IC。下图显示了这一趋势:

CPU 和存储器的摩尔定律

图:CPU 和存储器的摩尔定律。垂直标度是对数的

由于其制造工艺经历了巨大的发展,因此可以大幅增加 IC 中的晶体管数量。微电子技术采用的程序部分让人联想到汽车的大规模生产,这样在单个硅半导体晶片上,可以同时复制大量相同的完整电路。此过程主要包括在硅表面上印刷多个几何图案,这允许定义构成它的每个设备,然后选择性地沉积各种绝缘和导电材料,以便正确地互连不同的组件. 的 IC,连续重复多次的步骤,直到完成 IC。所有这一切都可以在 IC 制造业真正的瓶颈技术的帮助下成为可能:光刻。

摩尔定律的真正含义是什么?

为了更直观地了解摩尔定律的含义,想象一下读者回到过去。前往 1971 年,准备在可容纳 2,300 人的礼堂听歌剧,晶体管数量与当年英特尔制造的第一款微处理器4004集成的晶体管数量完全相同. 如果那个礼堂的容量按照摩尔定律发展,但不改变它占据的空间并在 1982 年恢复原状,那么 134,000 人将聚集在同一个场地——一个大型足球场的容量和英特尔 286 的容量处理器-。多年后的 2000 年,礼堂的容量已经可以容纳东京的全部人口——3700 万人,与最新版本的英特尔奔腾 III 处理器中的晶体管数量相同——;如果试镜是在 2011 年进行的,它会遇到 13 亿人——中国的全部人口或英特尔酷睿 i7 处理器版本之一的晶体管数量——如果它在 2019 年参加,观众本来可以容纳 74 亿人,也就是说,整个星球的人口 - 以及 IBM z13 存储控制器中内置的晶体管数量。最后,如果这次试镜是在 2021 年进行,那么容量会变成相当于两个地球的容量,因为它要聚集 150 亿人,也就是处理器的晶体管数量Bionic A 15(配备新款 iPhone 13 的机型)。如下图所示:

芯片上的晶体管有多小?

图:惊人的摩尔定律

严格来说,芯片面积多年来也略有增长,但比例要小得多。比如Intel 4004占用了12mm²(3mm×4mm),而Bionic A 15的表面积为107.7mm²(8.58mm×12.55mm),这样晶体管的比例就乘以了6870 .000,而区域则为 9。

需要使晶体管越来越小

在芯片上集成越来越多的晶体管意味着减小其尺寸,这带来了优势,但代价是增加了制造过程的复杂性。晶体管越小,芯片本身就越小,晶圆上可以安装的芯片就越多。同时,无论可以从每个晶片获得多少芯片,处理晶片的成本都保持大致相同。这意味着减小晶体管的尺寸会导致芯片更便宜. 或者,芯片可以保持相同的尺寸,这样它内部就有更多的组件。这使得它更强大,但不会更昂贵。最重要的是,缩小晶体管的尺寸可以提高它们的性能,而不会增加它们的功耗。也就是说,芯片制造商有强烈的动机缩小晶体管的尺寸。这正是他们在过去几十年中一直在做的事情,其中芯片上的晶体管数量从数百个增加到数十亿个。对于晶体管来说,这是一个惊人的小尺寸。下图显示了一个这样的晶体管:

芯片上的晶体管有多小?

图:当前的晶体管与蛋白质或病毒一样小

要了解这个小尺寸意味着什么,请想象一下,我们将集成晶体管的芯片的尺寸放大,直到它与马德里社区占据的面积(8,000 平方公里)相似。在这个规模上,每个晶体管将占据或的面积。5平方米,类似于40英寸直径电视的屏幕面积。

结论

1970 年代开始从事芯片行业的普渡大学教授马克·伦德斯特罗姆( Mark Lundstrom)于 2003 年为《科学》杂志撰写了一篇文章,预测摩尔定律将在 2015 年达到物理极限。伦德斯特罗姆说,在他的职业生涯中,他曾多次认为“好了,到此为止了。” 他记得 1975 年参加了他的第一次芯片制造会议。用他的话来说:

有一个叫戈登摩尔的人在做演讲。他在技术界很有名,但没有人知道他是谁,我记得他的演讲。摩尔说:“很快我们就能在一个芯片上放置 10,000 个晶体管。有人可以用芯片上的 10,000 个晶体管做什么?

今天,市场上的芯片有150 亿个晶体管。您的设计师和制造商可以用它们做什么?

资讯来源:半导体行业观察


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