制造工藝提升有何用？

“XXX芯片采用了XXnm(納米)工藝，集成了X.X億個晶體管……”，這些內容對大多數用戶來說好像只是一個參數而已，而且給人很陌生的感覺，誰買東西還關心它是什么工藝、核心面積多大、里邊有多少晶體管什么的呀?但要是制造工藝沒用，為什么在產品介紹時會頻頻提及?而這些頂尖大廠為何又要不停地提升制造工藝呢?今天我們就來了解一下制造工藝對于半導體芯片產品的意義。

從制造談起

在解析工藝秘密之前，先來簡單了解一下芯片產品的制造流程。CPU也好，GPU也罷，還有諸如內存、閃存芯片等等，它們芯片核心部分的主要原料都是硅，制造過程也大體上相似。經過篩選、高溫融化提純后，硅原料變成了高度純凈的單晶硅。然后在高溫容器中采用旋轉拉伸的方式將原料取出，形成固定表面積的圓柱體硅錠。接著將硅錠切成圓形薄片，新的切片中要摻入一些物質。使之成為真正的半導體材料，而后在上邊刻畫代表著各種邏輯功能的晶體管電路。再將每一個切片放入高溫爐中加熱，通過控制加溫時間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。隨后再通過光刻蝕、摻雜等一系列復雜工藝，一個內部擁有復雜晶體管電路網絡、多層結構的晶圓已成形。晶圓將被進一步切割成獨立的核心芯片單元并經檢測合格，進行封裝、插接，進而再檢測以決定它們的額定頻率，電壓等參數，最終的產品即告出爐。

等會兒，這里邊好像并沒有提到“nm工藝”這個關鍵詞。而它實際上是代表了芯片內部晶體管電路之間的距離。晶體管電路密集程度越高，單位面積內可以容納的晶體管電路越密集、越復雜，構建同樣結構的晶體管電路所需要的空間越小，或者相同大小的空間能夠容納更為復雜，晶體管數量更多的晶體管電路。

講到這里，我們又要把摩爾定律作為權威理論擺出來了。1965年到1975年，Intel的創始人之一戈登-摩爾先后提出并完善了摩爾定律：芯片中的晶體管和電阻器的數量每24個月會翻番，原因是工程師可以小斷縮小品體管的體積。這就意味著，半導體的性能與容量將以指數級增長，并且這種增長趨勢將繼續延續下去。而摩爾定律中晶體管數量翻倍帶來的好處可以總結為：更快，更小，更便宜。而制造工藝的提升則是晶體管數量提升的前提。

提升工藝 降低成本

工藝的提升對于消費者來說最直觀的感覺就是產品售價的下降。由于芯片是由最初的硅錠逐步切割為一個個小的方形薄片，那么一旦工藝提升，晶體管電路變得更為密集，單個芯片所需的厚度、表面積也會隨之降低，同樣多原料就能生產出更多的芯片產品。同時，更先進的工藝也能夠進一步保證產品的良品率，大大減少了報廢產品的產生。當年NVIDIAGeForce 7600GT/GS最初采用的90nmT藝的G73-N-A2核心，售價直徘徊在千元附近。而在80nm工藝的G73-B1核心被廣泛運用后，GeForce 7600GT/GS的售價才出現了大幅下調，599到799元的售價讓它們最終成為了紅極一時的主流產品。同時，目前NVIDIA G80和G92兩款核心顯卡產品的巨大的售價差距也讓人們看到了65nm工藝的優勢。

提升工藝 提升性能

再來看Intel最新的45nm工藝的Penryn核心處理器吧，產品的雙核心版本內建4.1億個晶體管，四核心則有8.2億個晶體管(65nm Core 2 Duo處理器雙核心晶體管數量為291億)，微架構經強化后，在相同頻率下較上代65nm產品擁有更高性能，同時L2Cache容量亦提升50％，明顯提高數據讀取執行的命中率。47條全新Intel SSE4指令，提高媒體性能和實現高性能運算應用。正是由于晶體管電路更為密集，因而產品可以在更小的空間內融入數量更多、結構更復雜的晶體管電路，相信不久的將來，我們就能享受到如此強大的處理器產品。

提升工藝 提升電氣性能

先進的工藝同樣也意味著電氣性能的提升，即產品的供電環境要求下降，發熱量更低，功耗更低，更易于超頻。記得Core 2 Duo剛上市時，大家都感覺難以置信，因為默認外頻已高達266MHz的處理器產品大部分都可以在額定工作電壓僅為1.35V(實際工作電壓為1.248V)的情況下超頻到400MHz以上。

對于現在熱門的Radeon HD3850/3870顯卡，恐怕我們很難想象，作為AMD-ATi新一代中高端產品的代表，并且是第一款對DirectX 10.1 API提供支持的RadeonHD3850/3870，它們的供電部分設計居然看上去如此的簡單。但要知道，RadeonHD3850/3870采用的可是目前顯卡領域最前沿的55nm制造工藝啊!AMD-ATi借著55nm先進工藝，將6.66億個晶體管融入到了表面積僅為190mm²的顯示核心當中，同時將Rv670xT和RV670Pro的TDP功耗控制在132W和104W。因此，兩款產品在供電設計方面均不會有過高的要求。還有另外一條令人振奮的消息：采用RV670XT的Radeon HD3870顯卡，假如在PCB背面的核心電壓控制部分的一個空焊位焊接一個500毫歐的電阻，就能顯著提升RV670的工作電壓。通過這個改造，Radeon HD3870顯卡的核心工作頻率可以穩定超頻到1GHz左右，性能將在原有基礎上大幅提升。

制造工藝與產業關系

看到這么多制造工藝提升帶來的優勢，恐怕大家會感到奇怪：“不是說最新的工藝生產出來的產品最節省成本、性價比最高么?但為什么最新工藝的新款CPU剛開始發售時售價都那么高呢?”“為什么都到了45nm工藝了，還有些廠商仍然在堅持使用90nm甚至更老舊的和造工藝呢?”這就要涉及到產業關系的內容了。

眾所周知，目前工藝上最領先的仍舊是CPU制造，以Intel、AMD為代表的一線領導地位的廠商不斷努力開發更新，但技術更新也是需要相當大的成本投入的，即便能夠以更低廉的成本生產出產品，它們也不會降低產品的售價。以較高的價格銷售全新的產品不僅能夠讓它們迅速回收工藝更新的成本同時，也賺取工藝更新的利潤。

在收回足夠多的成本和利潤后，更加先進的工藝已經出爐，而后相對老舊的技術被用于生產價格適中的主流產品，這往往就是主流用戶們最終能夠接受的產品了，不過它們仍然擺脫不了被淘汰的命運。但另一方面，對于處在中下游的廠商來說，一線廠商淘汰下來的技術仍然是非常有利用價值的。于是它們也會以一個相對合理價格收購一線廠商淘汰不用的工藝技術，繼續發揮它們的生產價值。例如，我們會看到處理器的生產工藝已經發展到了45nm，實際上主流的處理器產品依舊采用的是65nm工藝，而諸如內存、閃存等半導體產品卻仍然在采用90nm甚至更老的工藝。

新的工藝不斷被Intel、AMD、臺電等一線廠商開發出來，幫助它們賺取產品、技術開發等方面的利潤，而一線廠商淘汰下來的技術被二線廠商回收后進一步利用。這就形成了制造工藝的單向循環。所以我們才能夠看到半導體產業工藝技術的不斷更新。

說到最后

看似陌生的制造工藝卻意義非凡。它對于業界不僅是一個掙錢的技術，同時新舊工藝的不斷更迭也推動了整個半導體產業的發展。對于廣人消費者來說，雖然可能無法直觀感受到工藝的進步，但工藝進步后帶來的是產品售價、功耗的降低，也讓消費者們能夠最大程度受益。所以，大家還是密切關注一下廣告詞里諸如“XXXnm工藝”、“X.X億個晶體管”、“核心面積XXXmm²”……這些關鍵詞吧，它們其實是真正能夠給大家帶來實惠的東西。