计算机速成课Crash Course - 17. 集成电路&摩尔定律

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计算机速成课Crash Course - 17. 集成电路&摩尔定律

17. 集成电路&摩尔定律

过去 6 集我们聊了软件，从早期编程方式到现代软件工程，在大概50年里 软件从纸带打孔，变成面向对象编程语言，在集成开发环境中写程序，但如果没有硬件的大幅度进步，软件是不可能做到这些的。

为了体会硬件性能的爆炸性增长，我们要回到电子计算机的诞生年代。

大约 1940年代~1960年代中期这段时间里，计算机都由独立部件组成，叫"分立元件"，然后不同组件再用线连在一起。

举例, ENIAC 有1万7千多个真空管, 7万个电阻，1万个电容器, 7千个二极管, 5百万个手工焊点。如果想提升性能，就要加更多部件，这导致更多电线，更复杂，这个问题叫“数字暴政”。

1950 年代中期，晶体管开始商业化（市场上买得到）开始用在计算机里，晶体管比电子管更小更快更可靠，但晶体管依然是分立元件。

1959年，IBM 把 709 计算机从原本的电子管全部换成晶体管，诞生的新机器 IBM 7090，速度快 6 倍，价格只有一半。

晶体管标志着"计算 2.0 时代"的到来，虽然更快更小，但晶体管的出现，还是没有解决"数字暴政"的问题。

有几十万个独立元件的计算机不但难设计，而且难生产。1960 年代，这个问题的严重性达到顶点，电脑内部常常一大堆电线缠绕在一起。

看看这个 1965 年 PDP-8 计算机的内部。

解决办法是引入一层新抽象，封装复杂性。

突破性进展在 1958 年，当时 Jack Killby 在德州仪器工作，演示了一个电子部件："电路的所有组件都集成在一起"。简单说就是：与其把多个独立部件用电线连起来，拼装出计算机。

我们把多个组件包在一起，变成一个新的独立组件，这就是集成电路（IC）。几个月后，在1959年 Robert Noyce 的仙童半导体，让集成电路变为现实，Kilby 用锗来做集成电路，锗很稀少而且不稳定。

仙童半导体公司用硅，硅的蕴藏量丰富，占地壳四分之一，也更稳定可靠，所以 Noyce 被公认为现代集成电路之父，开创了电子时代，创造了硅谷（仙童公司所在地），之后有很多半导体企业都出现在硅谷。

起初，一个 IC 只有几个晶体管，例如这块早期样品，由西屋公司制造，即使只有几个晶体管，也可以把简单电路，第 3 集的逻辑门，能封装成单独组件。

IC 就像电脑工程师的乐高积木，可以组合出无数种设计，但最终还是需要连起来，创造更大更复杂的电路，比如整个计算机，所以工程师们再度创新：印刷电路板，简称 PCB。

PCB 可以大规模生产，无需焊接或用一大堆线。它通过蚀刻金属线的方式，把零件连接到一起，把 PCB 和 IC 结合使用，可以大幅减少独立组件和电线，但做到相同的功能，而且更小，更便宜，更可靠. 三赢！

许多早期 IC 都是把很小的分立元件，封装成一个独立单元，例如这块 1964 年的IBM样品。

不过，即使组件很小，塞5个以上的晶体管还是很困难，为了实现更复杂的设计，需要全新的制作工艺"光刻"登场！

简单说就是，用光把复杂图案印到材料上，比如半导体，它只有几个基础操作，但可以制作出复杂电路。

下面用一个简单例子，来做一片这个！

我们从一片硅开始，叫"晶圆" ，长得像薄饼干一样，我们在第 2 集讨论过，硅很特别，它是半导体，它有时导电，有时不导电，我们可以控制导电时机，所以硅是做晶体管的绝佳材料。

我们可以用晶圆做基础，把复杂金属电路放上面，集成所有东西，非常适合做集成电路!

下一步是在硅片顶部，加一层薄薄的氧化层, 作为保护层，然后加一层特殊化学品, 叫 "光刻胶" ，光刻胶被光照射后会变得可溶，可以用一种特殊化学药剂洗掉。

单单光刻胶本身，并不是很有用，但和"光掩膜"配合使用会很强大，光掩膜就像胶片一样，而是要转移到晶圆上的图案，把光掩膜盖到晶圆上，用强光照射，挡住光的地方，光刻胶不会变化。

光照到的地方，光刻胶会发生化学变化，洗掉它之后，暴露出氧化层，用另一种化学物质 - 通常是一种酸，可以洗掉"氧化层"露出的部分, 蚀刻到硅层。

注意，氧化层被光刻胶保护住了。

为了清理光刻胶，我们用另一种化学药品洗掉它，是的，光刻法用很多化学品，每种都有特定用途。

现在硅又露出来了，我们想修改硅露出来的区域，让它导电性更好，所以用一种化学过程来改变它，叫"掺杂"。

"掺杂" 通常用高温气体来做，比如磷，渗透进暴露出的硅，改变电学性质，半导体的具体物理和化学性质我们不会深究,但我们还需要几轮光刻法来做晶体管。

过程基本一样，先盖氧化层，再盖光刻胶，然后用新的光掩膜，这次图案不同，在掺杂区域上方开一个缺口，洗掉光刻胶，然后用另一种气体掺杂，把一部分硅转成另一种形式。

为了控制深度，时机很重要，我们不想超过之前的区域，现在，所有需要的组件都有了。

最后一步，在氧化层上做通道，这样可以用细小金属导线，连接不同晶体管，再次用光刻胶和光掩膜蚀刻出小通道。

现在用新的处理方法 叫"金属化"，放一层薄薄的金属，比如铝或铜。但我们不想用金属盖住所有东西，我们想蚀刻出具体的电路。

所以又是类似的步骤，用光刻胶+光掩膜，然后溶掉暴露的光刻胶，暴露的金属。

晶体管终于做好了！它有三根线，连接着硅的三个不同区域，每个区域的掺杂方式不同，这叫双极型晶体管。这个 1962 年的真实专利，永远改变了世界。

用类似步骤，光刻可以制作其他电子元件，比如电阻和电容，都在一片硅上，而且互相连接的电路也做好了。再见了，分立元件！

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。

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, 在第 7, 8 集介绍过，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！

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。

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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