缩小计算机芯片的尺寸是人类最伟大的科学壮举之一。它的处理能力使我们生活的几乎各个方面都实现了数字化。

为了了解最新芯片的工作原理以及正在取得的技术突破，我们需要超越以熟悉的尺度测量的物体。

这是因为为我们的设备供电的芯片包含数十亿个晶体管或微小开关，肉眼无法看到。每个晶体管的尺寸比毫米小约 500,000 倍。它比人的头发丝还要细，比红细胞还要小。。。。。。比细菌或病毒还要微小。一些最小的晶体管现在只有 50 纳米高。

但塞入更多这样的开关会导致成本不断上升并降低产品产量，迫使制造商重新思考芯片的制造方式。

对于台积电 (TSMC) 探路副总裁曹敏来说，从事芯片创新并不总是他的计划。

曹曾梦想从事物理学事业，但冷战结束后从斯坦福大学毕业后，大量失业的物理学家意味着他的网撒得更广了。他对了解世界如何运作的渴望促使他进入了快速发展的微芯片领域。

“仍然有很多谜团，”曹说，他在芯片性能方面的工作不断突破物理学的极限。“事情变得越来越困难，但这并不意味着我们会停止。”

世界上只有英特尔、三星和台积电这三家公司有能力批量生产功能强大、体积小巧的芯片，足以满足当今先进移动技术的需求。

随着晶体管部件达到原子级规模，工程师必须想出越来越创新的方法来确保进步，例如垂直、塔状结构和重新思考芯片的封装方式。许多人认为，将具有不同功能的芯片捆绑在一起是未来半导体战线的方向。

一些最新的智能手机芯片，例如 iPhone 15 Pro 中的芯片，是采用所谓的“3 纳米”工艺制造的——这是具有最小晶体管的一代处理器的名称。虽然这不再涉及它们的物理尺寸，但它确实暗示了它们组件的缩小规模。这些微型开关控制着每个数字设备内部的电信号流，是微处理器的主力，也是现代电子产品的基本构建模块。

许多先进的晶体管现在都是逐个原子构建的。一些最小的只有 50 纳米高，每秒开关数十亿次。

与“平面”或扁平的前辈不同，它们的 3D 设计和形状使它们能够密集排列。仅一平方毫米即可容纳 2 亿个晶体管，而一块芯片上则有数百亿个。制造商计划在不久的将来投入一万亿美元。

超微小、紧密封装的金属线将这些晶体管以及构成芯片集成电路的所有其他元件连接在一起。

这些互连的多层允许芯片的不同部分相互通信并供电。有些芯片可以包含近 500 公里的布线。

多个芯片是这样在硅晶圆上构建的——硅晶圆是为我们的设备供电的所有集成电路的基础。典型的30 厘米晶圆可以容纳数万亿个晶体管。。。。。。跨越数千个单独的芯片。

在计算能力不断提高的需求的推动下，芯片尺寸的扩展几十年来一直遵循摩尔定律，即英特尔联合创始人戈登·摩尔观察到，集成电路上的晶体管数量每两年就会增加一倍。但进展已经放缓，现在接近每三年翻一番。

目前的 3nm 工艺的成品率（生产出来的芯片中可出售给客户的比例）较低，而且效率仅略有提高。

但英特尔技术开发副总裁本·塞尔 (Ben Sell) 表示，我们正处于晶体管创新之旅的“中间”，远未到达晶体管创新之旅的终点。他说，特别令人兴奋的是，“几十年来”讨论的芯片创新现在已经出现在市场上的设备中。

但成功并不能保证——而且风险很高。麦肯锡咨询公司表示，去年全球芯片销售额远超 5000 亿美元，到本十年末，半导体可能成为价值数万亿美元的产业。

“这就像了解公司竞争的领域的 GDP 规模一样，”专注于半导体和人工智能的独立研究公司 SemiAnalysis 的分析师杰夫·科赫 (Jeff Koch) 表示。

公司和政府的技术声誉和财务状况取决于所做出的正确选择。

台积电市值达 5750 亿美元，在台湾经济和全球最小尖端芯片市场上占据主导地位。

拜登政府希望通过《芯片法案》改变这一现状，承诺提供 520 亿美元的激励措施，鼓励企业在美国本土设立制造工厂。但许多专家认为，美国芯片制造业几十年来受到侵蚀，使得该国很难重新获得全球竞争力。

中国也加入了这场竞争，中国最大的芯片制造商中芯国际预计最早将于今年生产下一代智能手机处理器——尽管美国努力通过专业设备出口限制来限制北京的芯片进步。

鉴于对支持 OpenAI 的 ChatGPT 和类似应用程序的处理器的需求不断飙升，Nvidia 和 Advanced Micro Devices (AMD) 也在AI 芯片领域争夺技术霸主地位和市场份额。

AMD在 12 月公布了一系列技术进步，包括将 1530 亿个晶体管和 192GB 内存装入其新型 MI300 芯片中，以挑战全球最有价值的芯片公司 Nvidia。上周，英伟达市值飙升至 2 万亿美元，超越亚马逊和 Alphabet，成为美国上市公司第三大市值公司，仅次于微软和苹果。

与此同时，AMD 在 2023 年实现了 230 亿美元的收入，预计今年其最新芯片的销量将达到 35 亿美元。它是美国第二大最有价值的半导体公司，将于 2022 年超越英特尔。英特尔也在争夺人工智能领域的一席之地，宣布将生产微软的高端芯片。

近年来，越来越少的公司能够在制造最先进智能手机芯片的竞争中跟上步伐。设计和制造过程变得极其漫长、复杂且成本高昂，需要更多的专业设备和知识。

芯片尺寸越小，制造成本就越高，随着半导体尺寸的缩小，设计和制造的成本也在上升

两个柱状图：第一个显示了芯片设计从65纳米的2800万美元增加到5纳米的5.4亿美元；第二个显示了建造制造工厂的成本从4亿美元增加到54亿美元

芯片设计成本*（百万美元） 建造制造工厂的成本

进步需要多年的实验，并且需要惊人的研发支出。

在纳米尺度上工作也充满危险。塞尔说，精度、可重复性和清洁度是最大的挑战，并解释说任何颗粒，即使是比细菌小的颗粒，都可能在接触时“杀死”芯片。

在芯片制造工厂内，有一千多个精确控制的步骤逐层制造每个集成电路。英特尔高级晶体管开发总监 Chris Auth 表示，每次开发新一代芯片时，都需要对这些阶段进行审查。“你必须无所畏惧地尝试新事物，并说，‘嘿，让我们看看会发生什么’，”他补充道。

台积电的曹表示，新一代芯片还需要新的工具和工艺。他补充说，下一代 2nm 芯片中晶体管的进步意味着一些元件需要横向构建，而不是垂直构建，这带来了额外的挑战。

“在同一个节点[一代]中发生了很多事情，尽管我们只给了它们一个简单的数字，比如 2nm。”

但在任何这些复杂的制造步骤开始之前，芯片的底座仍然是用一种简单、常见的物质制成的，称为硅，从沙子或石英中提取。

资料来源：英特尔、台积电、三星、ASML

为芯片电路制造微型元件需要尖端设备：可以使用光刻工艺将微观图案转移到每个晶圆上的机器。

对于最小的芯片，荷兰公司 ASML 制造的价值数百万美元的机器使用极紫外光来制作这些精细的模板。这些机器只有公共汽车那么大，但非常精确，它们可以引导激光击打远至月球的高尔夫球。

科赫说，这个过程的每个阶段都需要“博士论文水平的知识”。

一块装满芯片的晶圆离开顶级制造工厂时可能价值数千英镑。

虽然领先的制造商希望 2nm 芯片能够解决 3nm 一代的许多问题，但扩展的限制意味着工程师已经在开发替代方法，以在相同的空间中获得更多的功率和效率。

在当前 3D 设计的基础上，工程师计划将晶体管堆叠在一起，而不是将它们并排挤在一起。

“你真的开始扩展第三维，这是晶体管技术的前 60 年中从未使用过的东西，”英特尔的 Auth 说。“当你建造摩天大楼时，你开始耗尽横向缩小物体的能力，所以你开始建造，这就是我们正在做的事情。”

芯片的封装方式也在不断向上。不断发展的“先进封装”领域——如何将芯片捆绑在一起以提高性能并降低成本——正在朝着堆叠芯片的方向发展，以提高性能并更好地利用可用空间。

SemiAnalysis 的 Koch 表示，转向垂直设计和开发是“一件大事”，因为这是业界第一次承认它已经没有水平选择了。“我们在一个方向上放慢速度，但在另一个方向上加速，”他说。

曹表示，先进封装是可以取得重大进展的领域——台积电在这一领域投入了大量资金。“可以使用很多不同的配置。。。这个领域正在发生很多事情。”

封装的发展为半导体架构的另一个转变铺平了道路：“小芯片”。

工程师们正在从在单片硅上构建整个微处理器（单片“片上系统”）转向多芯片模块（MCM）。这些 MCM 将具有不同功能的芯片组构建在单独的硅片上，然后捆绑在一起，像单个电子大脑一样工作。

许多人认为，小芯片制造是长期维持摩尔定律的唯一途径。英特尔、AMD 和苹果已经推出了产品，而英伟达等其他公司则表示他们正在开发这些产品。AMD最新的MI300采用模块化架构。

投资 MCM 的公司表示，他们的主要优势之一是灵活性——它们可以适应不同的客户，因为制造商可以根据要求更换小芯片。它们还为制造商提供了混合旧的和新的设计以及逐步升级元件的选择，而不是立即检修芯片的整个系统。

Auth 表示，这意味着公司可以“快速反应”。“如果市场需要更多这样或那样的东西，你不一定要改变 GPU [图形处理单元] 或 CPU [中央处理单元]，你只需改变一个组件即可。”

他说，这可以提高整体性能，因为您可以“挑选并选择为最终客户提供最佳结果的产品”。

阻碍小芯片更广泛采用的因素之一是缺乏接口标准规则，这意味着尚无法混合和匹配制造商的产品。但这仍然是许多公司的长期目标，包括台积电、英特尔、三星、AMD 和谷歌，他们已经组成了一个联盟，希望能够实现这一目标。

许多芯片制造商希望通过重新思考芯片如何获取能量来进一步提高性能。

即将推出的 2nm 设计包括将连接芯片元件的金属布线与供电元件分开——这是以前从未做过的事情。电源线将从芯片的顶部（正面）移动到底部（背面），位于晶体管层下方，而不是上方。互连将保持不变。早期测试表明，这种直接供电路径和减少电线缠结可以提高效率。

传统芯片架构中，电源线和信号线集成在晶体管上方，造成瓶颈

资料来源：英特尔

采用背面电源架构，电源布线移至晶体管下方，将其与信号互连分开并提高效率

资料来源：英特尔

硅的替代品也可能在十年内出现。塞尔表示，高迁移率或二维材料，例如石墨烯，可以让电子快速移动，可以为“更快的开关”和能力的飞跃铺平道路。

“元素周期表有更多的元素可供使用，因此我们有足够的创新空间，”他补充道。

另一个新兴领域是光子学，其中光子（光的组成部分）被用来代替电子以更高的速度传输数据。包括台积电在内的公司目前正在进行试验。

尽管芯片制造领域没有什么是确定的，但本月英伟达的丰硕业绩和乐观预测表明，对人工智能的需求不断加速，这意味着芯片制造商不乏继续提高计算能力的动力。

“它是我们日常生活中不可或缺的一部分，我认为我们认为这是理所当然的，”英特尔的 Auth 在反思芯片开发的科学飞跃时说道。“我很高兴看到我们在未来 20 年能做些什么。”

曹同样有信心他的台积电工程师团队能够继续成为先锋，在未来以“正常速度”开发新一代芯片。公司的客户有这样的需求。

“当没有人要求时，它就会停止，”他说。“但事实并非如此。”