和你讲讲芯片的制程 数字真的越小越好吗？

　　[PConline 资讯]无论你购买电脑还是手机，在介绍硬件陈列各种性能的时候，有一个参数会被经常提及，那就是制程。这个以纳米为单位的数字已经逐渐从两位数迈向一位数发展，但我们除了知道更小的数字意味着更先进的工艺，可能伴随而来的是更好的能耗之外，其实我们并不清楚制程究竟是什么，这个数字真的是越小越好，或者说这个数字是永无止境的继续发展下去吗？看完下面的介绍，相信你会找到答案的。

芯片的制程究竟是什么

　　要想理解 “制程”这一个概念，要先知道芯片的组成单位——晶体管。在晶体管结构中，电流从 Source（源极）流入 Drain（漏级），其中Gate（栅极）相当于闸门，主要负责控制两端源极和漏级的通断。由于在这个过程中难免电流会出现损耗，而栅极的宽度则决定了电流通过时的损耗，表现出来就是芯片工作时会产生的发热和功耗，宽度越窄，功耗越低。而栅极的最小宽度（栅长），就是我们常说的多少nm工艺中的数值制程的数值，它决定着电流通过时的损耗。

为什么要追求更小的制程

　　芯片本质上是一个集成电路，制程工艺越小，在同样面积上集成的电路越复杂，电路的性能就越强。这个收益放到手机上更为明显，由于手机在追求轻薄的同时，实现能效的最大化，所以处理芯片的制程工艺当然是越小越好。其实除了能耗以外，更小的制程意味着在同等的单位尺寸中可以塞入更多的晶体管，而作为运算芯片的基本组成部分，更多的晶体管数量显然能够提供更好的性能，毕竟芯片不能做到无穷大。

　　其实除了能耗以外，更小的制程意味着在同等的单位尺寸中可以塞入更多的晶体管，而作为运算芯片的基本组成部分，更多的晶体管数量显然能够提供更好的性能，毕竟芯片不能做到无穷大。而且由于单一芯片的面积越小，同一块晶圆可以切割出更多的芯片，制造商的制作成本也相应降低。

　　所以简单概括就是，更小的制程是硅芯片发展的方向，得益于更小的制程可以实现更少的发热和更好的能耗比，而且在完成初期投入之后，也能带来制造成本的降低。

制程的升级是无止境的吗？

　　既然制程越小越好，那对于制程的追求是永无止境的吗？答案当然是否定的，各家厂商都在面临着晶体管内的电流泄露问题和光刻机等挑战。

　　首先是电流泄露问题，上面已经介绍过晶体管的工作流程，而当制程越来越小，即便是在不增加电压的情况下也会有微弱的电流通过栅介质，而一旦电路泄露，将直接增加芯片的功耗，为晶体管带来额外的发热量。同时，电流泄露导致电路错误，信号模糊。为了解决信号模糊问题，芯片又不得不提高核心电压，功耗增加，陷入死循环。因而，漏电率如果不能降低，CPU 整体性能和功耗控制将十分不理想。

　　同时，当晶体管的尺寸缩小到一定程度，目前业内认为小于10nm之后，芯片会产生量子效应，这时晶体管的特性将很难控制，芯片的生产难度就会成倍增长。为了解决这样的困境，制造厂商们也不断提升自己的工艺技术。目前常用的主要有FinFET和FD-SOI技术。

　　FinFET（Fin Field-Effect Transistor）称为鳍式场效应晶体管，是一种新的晶体管，称为CMOS，这项技术是把芯片内部平面的结构变成了3D，把栅极闸门设计成了像鱼鳍般的3D结构，把晶体的厚度变薄，这样额设计能够很好地接通和断开电路两侧的电流，大大降低了芯片漏电率高的问题，而晶体管空间利用率也得到了大大的增加。

　　而经历了 14/16nm工艺节点后，FinFET技术目前也存在着不少的瓶颈，而各大晶圆厂都在研究心得 FD-SOI（全耗尽绝缘体硅）工艺、硅光子技术、3D 堆叠技术等寻求突破。而FD-SOI与FinFET最大的不同在于，前者更加注重晶片底衬的设计。通过在硅晶体管之间加入绝缘体物质，可以降低晶体管之间的寄身电容，而且在设计和制造方面，FD-SOI也相对更加简单。

　　而即将量产的5nm工艺又会是硅芯片的一个技术分水岭，以上提及的两种制造工艺都将在5nm之后失效，而目前学术界提出的方案是GAA MCFET（多桥通道 FET），这个工艺简单来说就是将芯片晶体管内部的硅通道全都用栅极材料包围，不仅能增加晶体管的密度，降低功耗，并提升芯片的性能。

　　说完制造的技术后，制造设备当然也是必不可少，而芯片制造的核心就是光刻机，目前大多数芯片厂商使用的是一种名为深紫外光（DUV，Deep Ultra Violet）的技术，而随着制程的升级将逐渐从DUV向极紫外（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）技术发展。目前全球仅有荷兰ASML掌握该项技术，但光刻机是一种高尖端的机器，自身体积庞大且需要花费较长时间的调试，而且产能不高，这些都会成为未来芯片制程进一步发展的阻碍。

　　总结：作为目前人类尖端科技的结晶之一的硅芯片，并不能简单用一篇千字文章就能讲解清楚，不过对于制程这一个工艺，看完文章的你应该会有一个大致的了解。人类对于技术的追求是永无止境，而且我们的科技生活也受益于芯片制程工艺的发展。至于即将到来的5nm或者3nm工艺会为数码产品带来怎样的改变，就让我们拭目以待吧！