科学思维------10亿个晶体管怎么放进指甲盖大小的芯片里？

上上千

这肯定是没学过电学的同学们很想知道的。

因为大部分人脑中的一个开关管，一定是一个电阻，一个电容类似的东西，就是中间有一坨是元件的核心，它能实现一个功能，然后边缘的地方伸出一些引脚，这样好把它接到电路里去。

这就是大部分人脑海里开关的样子。

如果照这种逻辑，一个指甲盖大小的面积，MOSFET 开关管有3个引脚，还有10亿个要按特定的连接镶嵌在一起，实在是不太可能。

如果真是这样，以我们现在的技术，估计也就能放进去1万个，离10亿个还有10万倍差距。

实际上半导体芯片的制作并不是先制作10亿个元件再放进去这样的流程。

它更类似于做生日蛋糕，我在《008｜务实：为什么现在CPU的核心越来越多，8核/10核？》这节课里说的，篮筐直径那么大的圆盘一样的晶圆，就相当于是蛋糕最底下的两层蛋糕胚子。

具体到晶圆上，最初也是2层，上面一层是氧化层，下面一层是硅层，叫做衬底，你可以理解成基座（下图 b 中，渐变色部分为硅层，蓝色部分为氧化层）。

制造 CPU 之前，先在衬底上（硅层）做离子注入，你可以理解成下面一层蛋糕胚子多加了点糖。

然后再在氧化层上面加一层光刻保护层，你可以理解成在上面一层蛋糕胚子上抹了一层奶油，这层奶油不太好吃，只是为了给上层胚子定型用的。

光刻工艺

接着，在定型奶油上面又喷了一层黑白花纹的高级奶油（上图 b 和 c 中的黑色方块）。

这个奶油高级就高级在，黑色部分不怕紫外线照射，白色部分遇到紫外线就会蒸发，而且蒸发的不止白色奶油这部分，连同下面不太好吃的定型奶油也跟着蒸发了（上图 e ）。

这一下，蛋糕最底下那层胚子都露出来了（上图 f），不过上层黑色奶油保护的地方，它下面的定型奶油是安然无恙的，所以俯视地看过去，最下面一层的胚子，像打地鼠的棋盘游戏似的，地鼠窝是被光照灼烧露出来的底层，大部分地方还是被上层胚子覆盖着。


这个黑白相间的花纹是我们早就设计好的，是一种非常精细的花纹，实际上这些花纹就包含了10亿个开关管分布的情况。

紫外光一照，黑色部分保留，白色部分和白色部分再下一层的物质一起消失，于是这10亿个开关管的大致雏形就有了。

这个过程叫做光刻。

之后把那层不太好吃的定型奶油用水洗掉。然后我们就要往打地鼠的地鼠窝那些窟窿里灌一些调料，比如我喜欢辣味儿的，那么在地鼠坑里灌点辣椒油。

蛋糕上层的胚子，这时候表面也已经是沟沟壑壑的了，这时候把蛋糕放入烤箱里，大火烤，让沟沟壑壑变得焦糊，变成硬硬的。

然后继续进行第二次光刻，这次黑白花纹的图案又换了一张，这张也是细节非常丰富的，包含了10亿个开关管的另外30%的纹路。

第二次光刻完，10亿个开关管组合起来会是一个什么样子，大致已经完成60%了。其实这样的黑白花纹图纸很多，大概有5张。这些图要想画出来，必须要有丰富的电路设计经验。每张图都要在正确的时间节点上来一次光刻。最终反反复复几次，10亿个开关管连接在一起是什么样子，就被雕刻出来了。

这个生日蛋糕复杂就复杂在，它不是简单地在表面上挤出生日快乐几个字，它是一篇20万字的长篇小说，而且每个字都是三维立体的。它不能是每个字都做好，到时候一个个往蛋糕里塞，那蛋糕和奶油就全毁了。这些字全都是在做蛋糕时跟随工艺流程一点点生长出来的，20万字是一同出现的。

不知道我这样回答，大家能不能对芯片的制造有更形象的了解。
CPU 中 MOSFET 的切面结构
半导体工业就是围绕这个成长起来的，每一步的奶油用什么材料，用什么光去照，往打地鼠的洞里加什么作料，现在所有这些细节都经受着尺寸缩小的挑战，有些不能维持稳固的形状，有些在光照的时候分辨率不够，边缘模糊，有些因为坑太小，作料加不到位，不够辣。

每一个问题都会导致10亿个开关管一起工作失常。所以现在材料学是急需给半导体厂提供支援的，半导体厂就希望快快给我们耐用，结实的配方。

但材料学自己也搞不定，这还需要物理学的支援，快快帮我们算出哪些结构的材料可以达到这些性能啊，这主要是集中在固体物理这方面。

而一般来说，一个问题最终一道一道往后抛，抛到了物理学上，差不多就到头了，没有再下一层的责任人了，所以为什么说物理在理论层面如果出现了飞跃式的进展，然后层层渗透到工程领域，就是一个又一个千亿美元的产业巨头，就是这个原因。

有人可能会说，物理学家面对难题还可以抛给数学家啊，其实这就很难抛过去了，数学家关注的是另一思维世界的逻辑关系，那个世界里的东西和现实世界不一定对应得上，我们觉得对应得上的也仅仅是高度相似而已。

梦想天堂

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愤青

10亿个晶体管怎么放进指甲盖大小的芯片里？

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