计算机芯片的发展

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计算机基础课第 39 期分享

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01

芯片的核心都是一小片 IC

之前的例子 只做了一个晶体管，但现实中光刻法一次会做上百万个细节芯片放大是这样的，导线上下交错，连接各个元件。尽管可以把光掩膜投影到一整片晶圆上但光可以投射成任意大小，就像投影仪可以投满荧幕一样。我们可以把光掩膜 聚焦到极小的区域，制作出非常精细的细节，一片晶圆可以做很多 IC整块都做完后，可以切割然后包进微型芯片。微型芯片就是在电子设备中那些小长方体，记住，芯片的核心都是一小片 IC。

随着光刻技术发展，晶体管变小  密度变高1960 年代初，IC 很少超过 5 个晶体管，因为塞不下。但 1960 年代中期 市场上开始出现超过 100 个晶体管的 IC。1965年，戈登·摩尔看到了趋势：每两年左右，得益于材料和制造技术的发展同样大小的空间，能塞进两倍数量的晶体管！这叫 摩尔定律。然而这个名字不太对因为它不是定律，只是一种趋势，但它是对的芯片的价格也急剧下降1962年平均50美元，下降到1968年2美元左右。如今几美分就能买到 IC。

晶体管更小密度更高 还有其他好处。晶体管越小，要移动的电荷量就越少能更快切换状态 耗电更少，电路更紧凑 还意味着信号延迟更低， 导致时钟速度更快。

02

微型处理器

1968年，罗伯特·诺伊斯 和 戈登·摩尔联手成立了一家新公司，结合 Intergrated(集成) 和 Electronics(电子) 两个词，取名 Intel， 如今最大的芯片制造商。Intel 4004 CPU，之前介绍过是个重要里程碑。发布于1971年 是第一个用 IC 做的处理器，也叫微型处理器。因为真的非常小！它有2300个晶体管。人们惊叹于它的整合水平整个 CPU 在一个芯片里。

而仅仅 20 年前，用分立元件会占满整个屋子，集成电路的出现尤其是用来做微处理器，开启了计算 3.0。而 Intel 4004 只是个开始，CPU 晶体管数量爆发增长，1980年，3 万晶体管；1990年，100 万晶体管；2000年，3000 万个晶体管；2010年，10亿个晶体管。在一个芯片里！我的天啊！

为了达到这种密度，光刻的分辨率从大约一万纳米，大概是人类头发直径的 1/10，发展到如今的 14 纳米比血红细胞小 400 倍！

当然，CPU 不是唯一受益的元件大多数电子器件都在指数式发展：内存，显卡，固态硬盘，摄像头感光元件，等等。如今的处理器，比如 iPhone 7 的 A10 CPU 有33亿个晶体管。面积仅有 1cm x 1cm，比一张邮票还小。现代工程师设计电路时，当然不是手工一个个设计晶体管这不是人力能做到的。

03

2 个大问题

1970年代开始，超大规模集成(VLSI)软件用来自动生成芯片设计，用比如 "逻辑综合" 这种技术可以放一整个高级组件，比如内存缓存，软件会自动生成电路，做到尽可能高效。许多人认为这是计算 4.0 的开始，坏消息是，专家们几十年来一直在预言摩尔定律的终结。现在可能终于接近了，进一步做小，会面临 2 个大问题:

1. 用光掩膜把图案弄到晶圆上因为光的波长，精度已达极限，所以科学家在研制波长更短的光源，投射更小的形状。

2. 当晶体管非常小，电极之间可能只距离几个原子电子会跳过间隙，这叫量子隧道贯穿，如果晶体管漏电，就不是好开关。

科学家和工程师在努力找解决方法，实验室中已造出小至1纳米的晶体管，能不能商业量产依然未知，未来也许能解决。

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