整理 | 何涧石

责编 | 齐卿

集成电路

超越精确的极限

1947年，贝尔实验室的物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)、威廉·肖克利(William Shockley)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)(图 1)公开了最早可运行的晶体管(图 2)，因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。

◎图 1：巴丁、肖克利、布拉顿(从左到右)

晶体管展示了一种混合的电气特性，即传输(transfer)与电阻(resistor)，其英文名称transistor便由此而来。当时的晶体管尺寸远称不上小，其原型现在保存在贝尔实验室的钟形玻璃罩内，上面有金属丝和各种组件，以及由以前很少有人关注的银色轻金属元素锗制成的关键性半导体薄片，尺寸有小孩的手掌那么大。

◎图 2：最早的晶体管

注：可以说，20世纪的任何一项发明都不如该设备更有影响力。在精确度的历史上，其发明标志着运动的机械部件让位于静止的电子器件，牛顿将衣钵传给了爱因斯坦。

在硅片晶体管于1954年问世之后，尤其是在第一批完全扁平的平面晶体管于1959年问世之后，“微型”在理论上才成为可能。此时，年轻的摩尔已经离开学术界，进入了商业领域，开始探索刚刚起步的半导体产业商业化的可能性。他这样做是应肖克利的要求，后者于1956年离开贝尔实验室，前往西部的帕洛阿尔托(Palo Alto)，在那里建立了自己的公司肖克利晶体管公司。

从本质上说，肖克利的这一举动标志着后来硅谷的建成，当时尚未建成的硅谷在后来成为半导体行业的圣地。由于获得了诺贝尔奖，加上他原有的声誉，肖克利有足够的资金雇用任何他想雇用的人。他迅速聚集了一大批科学精英，其中包括他的首席化学家摩尔以及一群同样聪明的年轻物理学家和工程师。

这批精英很快就被肖克利逼疯了，在不到一年的时间里就有8人怒气冲冲地离开了公司，于1957年成立了一家在未来改变一切的新公司，后来被肖克利蔑称为“叛逆八人帮”(Traitorous Eight)。他们的初创企业名为仙童半导体公司，公司先是创造了一系列基于硅的新产品，然后不断缩小这些产品的尺寸，并赋予它们此前只有占据整间空调房间的巨型计算机才能实现的计算能力。

众所周知，平面晶体管的发明是仙童半导体公司所取得的两项重要的成就之一。这项技术使得晶体管微型化得以快速发展，进而促使摩尔写下了他那则著名的“摩尔定律”。而如今，几乎只有半导体业内人士才记得平面晶体管的发明者，那就是让·阿梅德·霍尔尼(Jean AmédéeHoerni)，他是离开肖克利去创建仙童公司的8人之一。

那时的人们需要制造一种尺寸小而运行完美的晶体管。霍尔尼提出了这样一个想法：在纯硅晶体上面涂一层二氧化硅作为绝缘体，使之成为晶体管的一个组成部分，这样就不会有任何凹凸点或台面给晶体管增加不必要的体积。他坚持认为，他发明的晶体管将比台面晶体管小得多，而且比台面晶体管更加可靠。为了证明他的观点，他让一名技术人员制造了一个原型，其直径仅为1毫米，看上去不过就是一个圆点。然后，他戏剧性地朝上面吐口水，以表明人类的任何不当行为都不会影响其运行。该原型运行完美，尺寸微小，运转正常，而且看起来几乎坚不可摧，至少不会受口水影响，此外，成本也不高。几乎从那一刻起，这一晶体管就成了仙童半导体公司的标志性产品。

然而，这只是仙童半导体公司的两款改变行业面貌的产品之一。另一款产品的设计灵感来源于罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在公司笔记本上涂鸦的4页构思。诺伊斯也是离开肖克利的8人之一。他是这样想的：既然平面晶体管即将成为现实，那么是否有可能把一个成熟电路的电阻、电容、振荡器、二极管等电子元件的平面版全都放在硅片的二氧化硅涂层上呢？换句话说，电路能否集成呢？如果电路能集成，如果现在每个元件都很小，而且都是平面的，那么能否利用照片放大机的工作原理把电路印在硅片上呢？照片放大机的工作原理形成了该构思的基础。设计师可以在透明介质上画出大的集成电路图，然后使用一种类似放大机的设备将画好的电路图印在硅片的二氧化硅涂层上。只不过，该设备的镜头经过重新设计，可以使图像缩小许多，而非放大。

能够完成这一任务的机器，即光刻机，已经出现了。大约在同一时期，凸版印刷机开始转向使用聚合物印版，正是利用了这一理念。现在，印刷机不再使用手工组装的铅字模，而只需简单地输入一页内容，然后输入光刻机，就可以将内容复制在柔性聚合物印版上。所有字母和字符都在聚合物印版上高高凸起，随时可以用压印机压印到纸上，且呈现的外观和触感与老式手工凸版印刷品几乎相同。何不对这样的机器进行改造呢？使它不仅能将文字作品印到聚合物或纸张上，而且能将电路图像印到硅片上。

事实证明，这件事做起来很难。所有的图像都很小，所有的工作都必须达到最高的精确度和最小的公差，成品尺寸极小。在20世纪60年代初，经过几个月的努力，诺伊斯和摩尔以及摩尔在仙童半导体公司的团队最终成功地组装出了这种集成化设备，并使其平面化。他们把它弄平，从而减少了它的体积、功耗和散热量，并将它放在平面基板上作为集成电路进行销售。

这是真正的突破。突然之间，电路微型化成为可能，这将使电子产品的运行速度和功率不断提高，尺寸不断缩小。

英特尔的成立和

摩尔定律的提出

这种微小的新型硅制品对计算机的制造至关重要，因为计算机会根据晶体管开或关的二进制状态进行所有的模拟计算以及后来的数字计算。如果晶体管数量足够多，执行这项任务的速度足够快，就可以使计算机变得非常强大、运行速度极快且价格低廉。因此，集成电路的制造不可避免地促进了个人计算机等众多设备制造业的发展。这些设备的核心都是尺寸越来越小而运行速度越来越快的电路块。这样的电路块最初是由仙童半导体公司的智囊团队构想和设计出来的。

但在经济上，仙童半导体公司表现不佳，公司最雄心勃勃的创始人们再次离开，重新建立了自己的公司，这家公司成立于1968年7月，只设计和制造半导体，名为英特尔公司。其创立者为有“仙童”之称的戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯。

英特尔公司成立不到三年，就正式发布了首款商用微处理器，即单芯片计算机。这就是著名的英特尔4004。值得一提的是，这项新技术带来了新的精确度，在1英寸长的处理器中埋藏着一块12毫米宽的微小硅片，上面刻着一个印有不少于2 300个晶体管的集成电路奇迹。1947年，晶体管有小孩的手掌那么大。而24年后，到了1971年，微处理器中的晶体管只有10微米宽，是人类头发直径的1/10。从手掌到头发，从微小到极小，世界正在发生着深刻的变化。

摩尔坚称，这些芯片的尺寸每年都会减半，而其运行速度和功率则会翻倍。换言之，极小的会变成微观的，微观的会变成亚微观的，亚微观的可能会变成原子级的。摩尔于1965年首次发表该预测，具有一定的先见之明，其公司在6年后才制造出首批4004芯片。在看到了4004芯片的运行情况和设计难度后，他修正了自己的预测，声称这种变化的发生频率为每两年，而非每一年。自1971年以来，该预测都准确地应验了。

就这样，芯片变得越来越小，其精确度变得越来越高，其变化速度接近指数级。由于芯片制造中固有的指数性，在将硅片转换成芯片时，可以塞到一条硅片上的晶体管数量会自动以平方数递增，所以每个晶体管的制造成本就会降低。将1 000个晶体管放在一条硅片上，然后计算平方数，无须大量增加成本，就可以生产出一块具有100万个晶体管的芯片。

芯片的度量单位通常用令人困惑的过程节点来表示。简而言之，过程节点就是相邻的两个晶体管之间的距离，或者是电脉冲从一个晶体管移动到另一个晶体管所需的时间。这样的度量方法更有可能为半导体专家提供有关电路功率和速度的真实情况。

几乎正如摩尔所预测的那样，节点也缩小了。1971年，英特尔4004芯片上的晶体管间距为10微米，这块板上的2300个晶体管之间的距离仅相当于雾滴大小。到1985年，英特尔80386芯片上的节点已经缩小到1微米，相当于一个典型细菌的直径，处理器上通常有超过100万个晶体管。随着芯片不断更新迭代，晶体管数量越来越多，节点距离也越来越小。

对于最后提到的这些芯片，以微米为单位测量其节点已经变得毫无价值，只有使用纳米才有意义。纳米是微米的1/1 000，等于十亿分之一米。当布罗德威尔系列芯片在2016年问世时，节点的大小降到了相当于最小病毒的大小，每块硅片上包含不少于70亿个晶体管。在本书撰写时，英特尔公司生产的天湖(Skylake)芯片所使用的晶体管是人眼可见的光波长的1/60，因此是看不见的，而此前4004芯片的晶体管很容易能通过儿童显微镜看到。1971—2016年集成电路芯片上的晶体管数量如下图所示。

◎图 3：晶体管数量

注：如图所示，摩尔定律始终准确。发展至今，芯片尺寸比之前小了很多，却包含超过100亿个分立式晶体管。摩尔定律描述了一种经验规律，即集成电路上的晶体管数量约每两年翻一番。该发展与其他方面的技术进步同样重要，比如电子产品的处理速度和价格，均与摩尔定律密切相关。

将来还会出现越来越惊人的数字，晶体管的数量会越来越多，节点也会越来越小，而这些全都处在摩尔于1965年提出的参数范围内。一位英特尔的高管曾自信地表示，2020年生产的芯片上的晶体管数量可能会远远超过人类大脑中的神经元数量。

精密的芯片加工

2018年从阿姆斯特丹运到英特尔钱德勒市晶圆厂的15台巨型芯片机便是用于实现这一目标的。芯片机制造商阿斯麦，原名先进半导体材料国际公司(Advanced Semiconductor Materials International)，成立于1984年，是从荷兰飞利浦公司分立出来的，目的就是为了制造芯片机床，其中，光是关键。在集成电路生产早期，芯片机是利用强烈的光束在芯片上的光敏化学品中蚀刻痕迹的。后来，随着芯片上晶体管的尺寸越来越小，又开始使用激光等高强度光源。

生产一块微处理器芯片需要三个月的时间。首先，将精炼出来的纯硅制成一根非常易碎的400磅重的圆柱形硅晶棒，用细线锯将其切割成餐盘大小的晶片，每个晶片的厚度恰好为2/3毫米；其次，利用相应的化学品和抛光剂把每个晶片的上表面打磨成镜面光洁度；最后，把经过抛光的晶片送入阿斯麦芯片机，进行漫长而烦琐的加工，最终成为可运行的计算机芯片。

在加工过程中，沿着网格线，每个晶片将被切割出1000块芯片。每块芯片都是从晶片中精确切割而成的，最终将承载数以十亿计的晶体管，形成一颗颗不会跳动的“心脏”。如今，所有的计算机、手机、电子游戏机、导航系统、计算器和地球上空的所有卫星，以及地外的所有航天器都拥有一颗这样的“心脏”。在切割出芯片之前，对晶片的处理要求几乎达到了人类无法想象的微型化程度。先是小心翼翼地把新设计的晶体管阵列图案画在透明的熔融二氧化硅掩模上，然后透过掩模发射激光，激光束穿过透镜阵列或经由长距离反射镜反射，最终将高度缩小的图案精确地刻印在已网格化的晶片的相应位置。这样，就可以不断地对晶体管阵列图案进行极其精确的复制。

在第一遍激光蚀刻完毕后，将晶片取下来仔细清洗，干燥后再放回芯片机上，用激光刻印另一个亚微观图案。该工序反复进行，层层叠加，直到刻印完三四十层乃至60层极薄的图案，每一层图案以及每层图案中的每一小块都是复杂的电路阵列。当最后一次蚀刻完成时，晶片虽已经过多次激光蚀刻、清洗和干燥，其厚度并未比3个月前未经加工时增加多少。芯片机对其所进行的加工就是如此精细。

其中，清洁是最重要的。如果在激光穿透时，一粒极微小的灰尘瞬间落在了要绘制图案的掩模上，结果会怎样？尽管尘埃粒子对人眼来说可能是不可见的，比可见光的波长还要小，但是一旦它的影子穿过所有的透镜，经由所有的反射镜反射，就会在晶片上形成一个“巨大”的黑点，毁掉数百块即将制成的芯片，进而造成价值数千美元的产品损失。鉴于此，阿斯麦公司集装箱里所装的芯片机都是在仓库大小的房间里运行，而这些房间比外面的世界清洁数千倍。

各种制造工艺都有众所周知的、国际公认的清洁标准。NASA工程师曾于马里兰州戈达德航天中心(Goddard Space Center)的无尘室里组装詹姆斯·韦伯太空望远镜(见下图)。有人可能会认为该无尘室是清洁的，但实际上，其清洁度等级仅为ISO7，而该标准允许每立方米空气中含有35.2万个0.5微米大小的颗粒。与之相比，荷兰阿斯麦工厂内的房间清洁度等级要高很多，达到了ISO1标准中更为严格的限制要求，即每立方米空气中仅允许含有10个大小不超过0.1微米的颗粒。相比之下，生活在正常环境中的人类就像是游走在由空气和蒸汽构成的瘴气中，而这种瘴气的清洁度只是阿斯麦工厂内的房间清洁度的1/5 000 000。这就是现代集成电路环境的要求，在这个环境中，精确度似乎正逐渐达到一种十分不真实、近乎不可思议的程度。

◎图4：詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜

如今，借助最新的光刻设备，就能够制造出包含大量晶体管的芯片：一个电路中包含70亿个晶体管，1平方毫米的芯片空间中包含1亿个晶体管。但这样的数字也给我们敲响了警钟，毫无疑问，我们正在渐渐接近极限。在经过近半个世纪的旅程后，这趟于1971年驶出的列车可能即将抵达宏伟的终点站。这一点似乎越来越有可能成为现实，尤其是当晶体管之间的间距越来越小，迅速接近单个原子的直径时。由于间距如此之小，一个晶体管的电气特性、电子特性、原子特性、光子特性或与量子有关的特性很快就会泄漏到另一个晶体管的场中。简而言之，肯定会出现短路。虽然这种短路没有火花，可能也并不起眼，但仍然会有失火的风险，对芯片及计算机等以芯片为核心的设备的效率和效用产生影响。

警钟就这样敲响了。然而，对于一个真正的芯片狂或是真正相信严格遵循摩尔定律及其预测便可以使人类世界变得更加美好的人来说，有一句口头禅耳熟能详：“再来一次，再试一次。”功率再增加一倍，尺寸再缩小一半，让“不可能”这个词在该行业变得无人提及、无人听闻、无人理睬。分子现实可能会试图强加新的规则，但是，这些规则与过去发生的一切都背道而驰，遵守这些规则就会剥夺计算机世界为人们所带来的雄心壮志及其影响力，而在计算机世界存在的这些岁月中，其影响力已远远超出人们的掌控范围。