好處理器是怎么造的？英特爾制造流程揭秘

英特爾希望使用一種被稱為極紫外線的新技術(shù)幫助該公司到達這個點，而這種技術(shù)目前還沒有被業(yè)界有效利用。在 5 納米之下將采用新的材料——有些人認為碳納米管將取代硅晶體管——或者是全新的技術(shù)，例如神經(jīng)計算和量子計算。

 

微處理器的開發(fā)是商業(yè)世界中最具風險、代價最為高昂、也是技術(shù)上最為復(fù)雜的壯舉。

 

英特爾位于俄勒岡州希爾斯伯勒市的微處理器工廠代號 D1D，在進入這個 1700 萬平方英尺工廠的凈室前，你需要仔細地洗手洗臉，最好再排空膀胱，因為凈室里沒有衛(wèi)生間，而且禁止使用化妝品、香水以及各種脂粉。書寫工具是允許使用的，但前提是無菌。普通紙張因為存在微小顆粒被絕對禁止使用，如果你要寫東西，需要使用一種叫“高性能文檔材料”的類紙產(chǎn)品。

 

這大概是世界上最干凈的地方

戴上發(fā)套后，下一站是更衣室，它位于外界和凈室之間的一個加壓房間內(nèi)。當你走進去的時候，占用了四個半足球場面積的大型吹風機會把你身上的雜物吹走——灰塵、棉塵、狗毛、細菌等。戴上內(nèi)層手套，然后穿上白色緊身衣和一個外科手術(shù)式的口罩，緊接著是第二層手套以及一雙鞋套和安全眼鏡。這些嚴密的措施沒有一個是為了保護你的安全的，它們都是為了保護芯片，防止你傷害到它們。

 

凈室里的空氣應(yīng)該是你呼吸過最干凈的空氣。它能達到 10 級純度，意味著每立方英尺內(nèi)超過 0.5 微米的顆粒不會超過 10 個，0.5 微米大概是一個小的細菌的大小。在非常干凈的醫(yī)院里，或者在大約每立方英尺 10000 個細菌顆粒的環(huán)境中，都不用擔心被感染的風險。在外面的世界里，這一數(shù)字大約為 300 萬。

 

凈室?guī)缀跏羌澎o無聲的，除了“工具”（英特爾這樣稱呼它們）發(fā)出非常小的嗡嗡聲。這些工具看起來像是巨型復(fù)印機，每一臺的成本高達 5000 萬美元。它們固定在建筑框架上的鋼支架上，所以沒有震動（無論是其他的工具還是你的腳步）能夠影響到芯片的制造。當然即便如此，進去之后你也會放輕腳步。工具中有一些非常精準，它們能夠?qū)崿F(xiàn)半納米距離的控制，這是兩個硅原子的寬度。

 

凈室的亮度也令人吃驚。幾十年來，英特爾凈室內(nèi)的照明被弄得像暗房一樣，沐浴在昏暗的深黃色燈光中?，F(xiàn)在擔任英特爾首席制造科學家的 Mark Bohr 將自己整個 38 年的職業(yè)生涯都用在芯片制造上，這個小個子的男人表情嚴肅，“這種做法已經(jīng)過時了，” 他表示，“可沒有人有勇氣改變它。”

 

 

晶片是通過在拋光的 12 英寸晶元上蝕刻、切割而來的。這些晶片被密封保存在微波爐大小的密封罐中，這些密封罐被稱為“foups”，由機器人負責搬運。事實上有數(shù)百個機器人，這些機器人運行在各自的軌道上，將晶片送往不同的工具處。密封罐內(nèi)的空氣達到一級，這意味著空氣中可能完全不含顆粒物。這些晶片會定期地用純凈水進行清洗，清洗使用的水非常純凈，這在自然界中是不存在的。不過如此純凈的水對人來說是致命的。如果你喝了很多這種純凈水，它將會把重要的礦物質(zhì)從你的細胞中帶走，并用這種方式殺死你。

 

在未來三個月里（三倍于波音公司制造一臺夢幻客機（Dreamliner）的時間），這些晶片將會變成微處理器。它們將通過超過 2000 個步驟的光刻、刻蝕、材料應(yīng)用以及更多的蝕刻方式的加工。然后每一片晶片將被切入上百個左右的拇指大小的凹模之中，每一個都將被陶瓷封裝。如果一切順利，在英特爾工作的 10 萬名員工（或者差不多這么多的員工）將沒有一個人會觸摸過它們。這個奇跡般的機械化流程的終點：英特爾至強 E5 v4，該公司最新的服務(wù)器芯片以及互聯(lián)網(wǎng)引擎。

做芯片是一場豪賭

當五月份參觀 Hillsboro 工廠的時候，我們獲得機會對這座工廠進行了自 2011 年奧巴馬總統(tǒng)之后最全面的參觀?？紤]到開發(fā)和制造新的微處理器是商業(yè)世界中最具風險、代價最為高昂的豪賭，這種低調(diào)也是可以理解的。

 

Gartner 表示，即使是簡單地建設(shè)一個能夠生產(chǎn)諸如 E5 之類芯片的工廠至少就要花費 85 億美元，這還不包含研發(fā)費用（超過 20 億美元）以及設(shè)計電路布局的費用（超過 3 億美元）。即使是程度中等的“excursions”（這是英特爾對于把事情搞砸了的委婉說法）都可能會付出數(shù)億美元的代價。整個過程要花五年甚至更長的時間。VMware 首席執(zhí)行官 Pat Gelsinger 有著長期在英特爾擔任公司高管的經(jīng)驗，并曾擔任該公司的首席技術(shù)官，他表示，“如果你追求短期的滿足感，就不要去做芯片設(shè)計師。”他表示，“很少有東西像它一樣。”

 

頂級 E5 大概是一張郵票大小，零售價為 4115 美元，能耗大約是大型惠而浦冰箱的 60%。無論何時，只要你使用谷歌搜索，使用 Uber 或者讓你的孩子在你的車里看 Episode 3 of UnbreakableKimmy Schmidt，你都在使用它們。計算機科學的這些壯舉通常會被歸功于智能手機的興起，但是背后無數(shù)的工作其實是在數(shù)以千計的服務(wù)器上完成的。而幾乎所有的服務(wù)器都使用了英特爾的芯片。

 

總部設(shè)在加利弗尼亞州圣克拉拉市的英特爾公司于 1971 年創(chuàng)造了第一個微處理器，并且在 Andy Grove 的領(lǐng)導下，在上個世紀九十年代成了家喻戶曉的名字，該公司銷售的芯片裝配在絕大多數(shù)個人電腦上。但是個人電腦的銷售在過去五年里出現(xiàn)了下滑，隨著智能手機的興起，英特爾遲遲未能針對這些設(shè)備開發(fā)出低功耗的芯片。該公司最近宣布裁減員工總數(shù)的 11%，如同該公司的首席執(zhí)行官 Brian Krzanich 所說，此舉是為了“重塑自己”。

 

 

市場研究公司 IDC 表示，英特爾仍然是這個世界上最大的芯片制造商，該公司銷售的芯片中有 99%的芯片都進入了服務(wù)器。去年它的數(shù)據(jù)中心集團實現(xiàn)了大約 160 億美元的收入，其中將近一半都是利潤。這種競爭優(yōu)勢是建立在競爭對手的失誤以及英特爾不懈努力的基礎(chǔ)之上，英特爾愿意不惜一切代價確保該公司產(chǎn)品大的、可預(yù)見的提升，而且年年如此。英特爾的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理 Diane Bryant 表示，“我們的客戶期望花和去年一樣多的錢獲得 20%的性能提升。” Diane Bryant 表示，“這是我們奉行的準則。”

 

在電腦和手機中，這種策略都有其局限性：在超過某個點之后，客戶就不太在乎速度和效率了。但是對于服務(wù)器來說，由 Amazon.com 以及微軟等公司運營的數(shù)據(jù)中心彼此競爭，爭奪為這個世界上的 Netflixes 以及 Ubers 等公司處理數(shù)據(jù)的權(quán)利，性能是至關(guān)重要的。運行和冷卻服務(wù)器所需要的能耗是一般數(shù)據(jù)中心中最大的一筆開銷。如果英特爾能夠用同樣的電力提供更多的計算能力，數(shù)據(jù)中心的主人將一次又一次地不斷升級。

 

為了這個“如果”有著很多的努力。每一年，英特爾的高管們基本上都會把賭注押在該公司能夠不斷突破電路、電子和硅原子的極限這一信念之上，在計算利潤之前投入數(shù)十億美元進行研發(fā)。最終芯片將重蹈白熾燈、科技以及很多其他發(fā)明的覆轍，隨著年齡的增長，提升的步伐將明顯放緩。Krzanich 自信地表示，“硅技術(shù)總有一天會走到那一步，但是這一天在未來幾十年內(nèi)都不會出現(xiàn)。” Krzanich 表示，“我們的工作是盡可能地推遲這一時刻的到來，直至最后一刻。”

無處不在的微處理器

它們在你的電視里、汽車里、Wi-Fi 路由器里，如果你的冰箱和恒溫器足夠新的話，里面也會有微處理器。即使你沒有這樣認為，這些設(shè)備從某種程度上來說也是計算機，這意味著它們是由晶體管組成的。

 

晶體管是一個開關(guān)。但是并不需要用手指來打開或者關(guān)閉它，而是使用小的電子脈沖進行控制——在功能強大的計算機中，大概每秒鐘能有 30 萬次這樣的脈沖。這樣一個開關(guān)能干什么？你可以用它來存放一個比特的信息。打開或關(guān)閉，是或否，0 或 1——無論你是否相信，從技術(shù)上說，這些都是可以用一個比特表達的信息（8 個比特組成一個字節(jié)，80 億比特組成一個 GB）。最早的計算機在打孔卡上存儲比特（有孔或者沒有孔？），但是這種做法局限性很強，因為如果你想做點很酷的事情的話，你就需要很多很多比特。例如，如果你想要你的電腦存儲這樣一句話，“上帝，這東西真復(fù)雜，”每個字母就需要 8 個比特，總共需要 240 個晶體管。你能用晶體管做的另一件事就是數(shù)學。將七個開關(guān)按照正確的順序連接起來，你就能夠做兩個小數(shù)字的加法；將 29000 個開關(guān)連接在一起，你就有了一個芯片，它的計算能力相當于 IBM 在 1981 開發(fā)的最早的計算機；將 72 億開關(guān)封裝在一個 E5 芯片內(nèi)，你就能夠預(yù)測全球的天氣模式，進行人類基因組測序、確定海平面之下的石油和天然氣儲量。

 

每三年左右，英特爾就會將其晶體管的尺寸縮小 30%左右。工藝水平從 2009 年的 32 納米縮小到 2011 年的 22 納米，到了 2014 年，這個尺寸變成了 14 納米。朝著更小尺寸的每次飛躍都意味著芯片設(shè)計師們能夠?qū)⑼瑯用娣e內(nèi)的容量翻一番。這個現(xiàn)象被稱為摩爾定律，這一定律已經(jīng)存在了半個世紀之久，確保了你在三年后購買的芯片比你今天購買的芯片至少快一倍。

 

 

最新的至強芯片利用了從上個世紀九十年代開始進行的研究成果，當時在俄勒岡州 Bohr 的團隊開始嘗試利用量子隧穿效應(yīng)，或者電子跳過很小的晶體管的趨勢，甚至是在關(guān)閉的情況下。這是英特爾一直進行的物理戰(zhàn)爭的最前線。一旦硅晶體管縮小到了 65 納米之下，就無法正常工作了，這是傳統(tǒng)智慧。Bohr 的解決方案是將晶體管用鉿包裹，這是一種自然界中找不到的銀白色金屬，這一解決方案于 2007 年公開。之后，從 2011 年開始，將晶體管打造成小型塔狀物，它被稱之為鰭形場效應(yīng)晶體管，或者簡寫為 FinFETs。“我們的首個 FinFET 不是狹長筆直的，它更像是個梯形。” Bohr 語帶失望——梯形比矩形更占地方。他驕傲地指著最近用電子顯微鏡拍攝的照片表示，“這些更薄而且更直，”圖片上顯示了兩條直的黑色陰影看起來很神秘地浮現(xiàn)在淺灰色的底色之上。照片看起來很像牙科的 X 光片，英特爾的員工稱之為“寶貝的照片。”

 

縮小晶體管的尺寸只是挑戰(zhàn)的一部分。另一個挑戰(zhàn)是管理大量的、更復(fù)雜的連線矩陣，縱橫交錯的連線將一個晶體管同另一個連接在一起。至強處理器配備了 13 層銅導線，有一些比單個的病毒還要細，是通過在玻璃上蝕刻出的細槽沉積金屬形成的。雖然晶體管的體積越小效率越高，但是電線卻沒有這種特性。它們越小，傳導的電流越少。

 

負責至強 E5 布線的是 Kevin Fischer，這位英特爾的中級工程師從 2009 年年初坐在自己位于俄勒岡州的實驗室里開始就有一個簡單的目標：調(diào)整兩個最密集的布線層——被稱為 Metal 4 和 Metal 6 之間的連接。45 歲的、擁有美國威斯康星大學麥迪遜分銷電氣工程博士學位的 Fischer 采用了英特爾的研究人員經(jīng)常使用的方式——翻查學術(shù)文獻。英特爾已經(jīng)使用了銅，這是導電性最好的金屬之一，所以他決定把重點放在提高絕緣性或者介電材料上，它將使通過導線的電流流動放緩。一個選擇是使用新的、更有彈性的絕緣材料，以此減少阻力。但是 Fischer 建議干脆不要用玻璃。他好像對自己的優(yōu)雅方案感到震撼，他表示，“空氣是終極的電介質(zhì)。”這種做法奏效了。Metal 4 和 Metal6 之間的連接速度現(xiàn)在提高了 10%。

 

芯片設(shè)計主要是一個布局的問題。從英特爾 PC 部門退休了的工程師 Mooly Eden 表示，“這有點像設(shè)計一個城市。”但是用城市設(shè)計進行類比還是降低了困難的程度。芯片設(shè)計師必須將相當于全世界人口數(shù)量那么多的晶體管放在 1 平方英寸的面積里——安排好一切，讓計算機能夠以每秒 30 億次的頻率使用每個獨立的晶體管。

 

芯片的構(gòu)造塊包括內(nèi)存控制器、高速緩存、輸入 / 輸出電路以及——最重要的部分——內(nèi)核。你在上個世紀九十年代擁有的奔騰 III 芯片中，通過提高時鐘頻率——計算機每秒鐘內(nèi)能夠打開或關(guān)閉其晶體管的次數(shù)——通常能夠讓芯片更快。十年前，時鐘頻率最高能夠達到 4GHz，或者是每秒 40 億次脈沖。如果芯片切換的速度再快一些，硅晶體管就會過熱并出現(xiàn)故障。芯片行業(yè)對這個問題的答案是增加內(nèi)核，本質(zhì)上只在芯片內(nèi)增加小的芯片，這些小的芯片能夠同時運行，就像快艇上的多個舷外馬達。按照計劃新的 E5 有高達二十二個內(nèi)核，比之前的版本多了六個，它將在英特爾設(shè)在以色列 Haifa 市的開發(fā)中心進行設(shè)計。

 

讓芯片變得更快的另一種方法是增加只做一件事，但做的速度非?？斓碾娐?，也就是定制化。E5 中大約有 25%的電路是專門用于（除了其他任務(wù)外）壓縮視頻和加密數(shù)據(jù)的。E5 上還有其他的特殊電路，但是英特爾不能談?wù)撍鼈?，因為這些都是為了該公司最大的客戶創(chuàng)造的，也就是所謂的 Super 7：谷歌、亞馬遜、Facebook、微軟、百度、阿里巴巴和騰訊。這些公司采購（通常自己組裝）配備了至強處理器的服務(wù)器，采購的數(shù)量以數(shù)十萬計。如果你購買戴爾或者惠普配備了至強處理器的服務(wù)器成品，里面的至強處理器將包含你無法使用的技術(shù)。Bryant 表示，“我們將（云客戶）獨特的功能整合進產(chǎn)品，只要這種做法不會讓模具變得太大，成為其他所有人的成本負擔就行。” Bryant 表示，“當我們將它發(fā)貨給客戶 A 的時候，他將會看到它。客戶 B 將完全看不到這些功能。”

 

英特爾的架構(gòu)師（最高級的設(shè)計師）花了一年的時間，同客戶以及俄勒岡州的研究人員密切配合制定規(guī)范，這份幾千頁的文檔非常詳盡地描述了這款芯片的功能。將這些規(guī)范轉(zhuǎn)換成包含基本邏輯指令——例如 AND、OR 和 NOT 的軟件代碼，然后再將其轉(zhuǎn)換成單個電路的示意圖還需要再花一年半的時間。最后就到了這個流程中最后也是勞動最密集的一個環(huán)節(jié)——光掩膜（mask）設(shè)計，這個環(huán)節(jié)涉及到如何將電路放入物理布局之中。布局最終轉(zhuǎn)化到光掩模之上，這是用來在硅晶片上蝕刻圖案的模板，最終蝕刻好的晶片將被生產(chǎn)成為芯片。對于 E5 來說，光掩模設(shè)計師們工作在印度的班加羅爾和科羅拉多州的科林斯堡，他們使用計算機輔助設(shè)計程序繪制多邊形來表示每個晶體管，或者從某種數(shù)字圖書館里復(fù)制之前設(shè)計的電路。英特爾的資深光掩模設(shè)計師 Corrina Mellinger 表示，“你必須具備用三維模式想象你的工作。”

 

和英特爾公司里絕大部分技術(shù)工作不同，光掩模設(shè)計并不需要工程方面的高級學位。這項工作更像是一門手藝。Mellinger 在 1989 年作為行政助理加入英特爾之后，只在社區(qū)大學參加過一門芯片布局的課程。光掩模設(shè)計最后幾周的工作總是最繁重的，設(shè)計師需要不斷地調(diào)整他們的工作以適應(yīng)對布局的各種最后一分鐘添加的東西。英特爾的副總裁兼 Fort Collins 設(shè)計團隊的經(jīng)理 Patricia Kummrow 表示，“它從來不是一蹴而就的。”最好的光掩模設(shè)計師看著多邊形，立刻就看出如何通過重新布局不同層上的電路縮減設(shè)計。Mellinger 表示，“這就好像你已經(jīng)完成了拼圖，現(xiàn)在你走過來告訴我還需要增加 10 小塊拼圖。” Mellinger 表示，“我可能會說，‘好吧，讓我看看我能施展什么魔法吧。’

他們一群理性主義者

邏輯是他們每天要做的工作。但是如果你和他們談?wù)撍麄兊墓ぷ?，他們就更傾向于使用更有神秘色彩的語言。他們經(jīng)常會用到“魔法”這個詞。

 

前首席技術(shù)官 Gelsinger 表示他在 1979 年進入英特爾的幾個月之后找到了上帝。他在談到半導體設(shè)計和信仰的時候表示，“我一直覺得它們在手牽手地前進。”英特爾的產(chǎn)品經(jīng)理 Maria Lines 在談到過去幾年的職業(yè)生涯時情緒激動。她表示，“我參與的幾代之前的產(chǎn)品有大約 20 億個晶體管，我現(xiàn)在參與的項目有 100 億個晶體管。”她表示，“這真的太令人震驚了，令人難以置信。”

 

芯片誕生的時刻被稱為“first silicon”（第一次生產(chǎn)成功的產(chǎn)品）。對于 E5 來說，first silicon 出現(xiàn)在 2014 年。班加羅爾的一個團隊發(fā)送了一個大約 7.5GB 的文件，其中包含了英特爾在圣克拉拉的光掩模車間的全部設(shè)計。6x6 英寸大小的石英板制成的光掩模上有著略微放大版本的晶體管布局，這將被印到每一塊芯片上，然后在下一周將被運送到英特爾位于鳳凰城附近的工廠——它是俄勒岡州工廠的翻版，然后機器就開始了它們緩慢而精確的工作。

 

 

在所有夜以繼日的趕工之后，設(shè)計師們將 2015 年的絕大部分時間都花在了等待新原型測試之上。每一次修改都要花上三個月左右的時間。英特爾副總裁兼數(shù)據(jù)中心工程集團總經(jīng)理 Stephen Smith 表示，“這很乏味。”正是電路所有這些錯綜復(fù)雜的特性，才讓芯片開發(fā)成為商業(yè)世界中風險最大的豪賭。如果當你在完成“first silicon”之前經(jīng)歷了幾次“excursions”，進度就會大大延遲，而且會損失收入。隨著晶體管越來越小，風險也在變得越來越高。Krzanich 表示，現(xiàn)在量產(chǎn)一款芯片的時間是十年前的兩倍。他表示，“打造更小的東西是一個物理的問題，總是有辦法能夠解決。”他表示，“關(guān)鍵在于你是否能夠以一半的成本做到這一點?”

 

制造流程的最后一步完成于馬來西亞、中國和越南的裝配廠。在那里，金剛石鋸片將成品晶片切成正方形，然后打包并進行測試。在 2015 年秋天，英特爾生產(chǎn)了超過 10 萬個芯片，免費贈送給 Super 7 以及其他的大客戶。對每個芯片攜帶的軟件都進行了最后一分鐘的調(diào)整，英特爾花了六周左右的時間進行最后的測試。

 

新的 E5 的完整制造流程到今年早些時候才開始，由亞利桑那州的工廠以及另一個位于愛爾蘭 Leixlip 的工廠進行生產(chǎn)。在未來十二個月里，英特爾將銷售數(shù)以百萬計的 E5 微處理器。

 

如果幸運的話，客戶可能永遠也看不到這些芯片，更不要說去考慮它們是如何被制造出來的了。但是如果你打開一臺新的服務(wù)器，你最終會發(fā)現(xiàn)芯片，摸起來很燙，封裝在陶瓷包裝之內(nèi)，包裝上印著英特爾的藍色標志。如果你打開這些芯片，你會發(fā)現(xiàn)其中有 13 層互相連接的金屬板，用肉眼觀察的話，你只能看到這些金屬板。下面的很多層是硅，泛著藍色、橙色以及紫色的光——一個小小的、擁擠的電路迷宮，以某種方式讓我們的整個世界運轉(zhuǎn)。你可能會覺得，它很漂亮。

 

英特爾首席制造研究員 Bohr 有時候也會這樣認為。但是作為一位科學家，他明白他看到的并不是真正的色彩——它們只是光，是他和他的同事在硅基上設(shè)計的造物反射和折射的結(jié)果。單個的晶體管比任何光的波長都要小。他表示，“在這么小的尺寸級別上，顏色是沒有意義的。”隨后他道歉后匆匆離去。

 

他要參加討論英特爾 5 納米芯片的會議，已經(jīng)遲到了，那是現(xiàn)在的 E5 之后兩代的產(chǎn)品。5 納米被芯片制造領(lǐng)域的很多人認為是一個臨界點，在此之后，就不可能進一步縮小了，摩爾定律也將最終失效。英特爾希望使用一種被稱為極紫外線的新技術(shù)幫助該公司到達這個點，而這種技術(shù)目前還沒有被業(yè)界有效利用。在 5 納米之下將采用新的材料——有些人認為碳納米管將取代硅晶體管——或者是全新的技術(shù)，例如神經(jīng)計算（模仿人類大腦設(shè)計的電路）和量子計算（單個原子顆粒替代晶體管）。

 

Bohr 表示，“我們可以減少選項——大量狂野又瘋狂的想法。” Bohr 表示，“其中一些想法完全沒有用。”但是，他非?？隙ǖ匮a充表示，會有一兩個想法是有用的。