Amy Guan

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解密英特尔处理器制造流程:做芯片是一场豪赌

2016-6-21 02:02:01 显示全部楼层
微处理器的开发是商业世界中最具风险、代价最为高昂、也是技术上最为复杂的壮举。
  英特尔位于俄勒冈州希尔斯伯勒市的微处理器工厂代号D1D,在进入这个1700万平方英尺工厂的净室前,你需要仔细地洗手洗脸,最好再排空膀胱,因为净室里没有卫生间,而且禁止使用化妆品、香水以及各种脂粉。书写工具是允许使用的,但前提是无菌。普通纸张因为存在微小颗粒被绝对禁止使用,如果你要写东西,需要使用一种叫“高性能文档材料”的类纸产品。
  这大概是世界上最干净的地方

    戴上发套后,下一站是更衣室,它位于外界和净室之间的一个加压房间内。当你走进去的时候,占用了四个半足球场面积的大型吹风机会把你身上的杂物吹走——灰尘、棉尘、狗毛、细菌等。戴上内层手套,然后穿上白色紧身衣和一个外科手术式的口罩,紧接着是第二层手套以及一双鞋套和安全眼镜。这些严密的措施没有一个是为了保护你的安全的,它们都是为了保护芯片,防止你伤害到它们。
  净室里的空气应该是你呼吸过最干净的空气。它能达到10级纯度,意味着每立方英尺内超过0.5微米的颗粒不会超过10个,0.5微米大概是一个小的细菌的大小。在非常干净的医院里,或者在大约每立方英尺10000个细菌颗粒的环境中,都不用担心被感染的风险。在外面的世界里,这一数字大约为300万。
  净室几乎是寂静无声的,除了“工具”(英特尔这样称呼它们)发出非常小的嗡嗡声。这些工具看起来像是巨型复印机,每一台的成本高达5000万美元。它们固定在建筑框架上的钢支架上,所以没有震动(无论是其他的工具还是你的脚步)能够影响到芯片的制造。当然即便如此,进去之后你也会放轻脚步。工具中有一些非常精准,它们能够实现半纳米距离的控制,这是两个硅原子的宽度。
  净室的亮度也令人吃惊。几十年来,英特尔净室内的照明被弄得像暗房一样,沐浴在昏暗的深黄色灯光中。现在担任英特尔首席制造科学家的Mark Bohr将自己整个38年的职业生涯都用在芯片制造上,这个小个子的男人表情严肃,“这种做法已经过时了,” 他表示,“可没有人有勇气改变它。”
  
  晶片是通过在抛光的12英寸晶元上蚀刻、切割而来的。这些晶片被密封保存在微波炉大小的密封罐中,这些密封罐被称为“foups”,由机器人负责搬运。事实上有数百个机器人,这些机器人运行在各自的轨道上,将晶片送往不同的工具处。密封罐内的空气达到一级,这意味着空气中可能完全不含颗粒物。这些晶片会定期地用纯净水进行清洗,清洗使用的水非常纯净,这在自然界中是不存在的。不过如此纯净的水对人来说是致命的。如果你喝了很多这种纯净水,它将会把重要的矿物质从你的细胞中带走,并用这种方式杀死你。
  在未来三个月里(三倍于波音公司制造一台梦幻客机(Dreamliner)的时间),这些晶片将会变成微处理器。它们将通过超过2000个步骤的光刻、刻蚀、材料应用以及更多的蚀刻方式的加工。然后每一片晶片将被切入上百个左右的拇指大小的凹模之中,每一个都将被陶瓷封装。如果一切顺利,在英特尔工作的10万名员工(或者差不多这么多的员工)将没有一个人会触摸过它们。这个奇迹般的机械化流程的终点:英特尔至强E5 v4,该公司最新的服务器芯片以及互联网引擎。
  做芯片是一场豪赌

    当《彭博商业周刊》五月份参观Hillsboro工厂的时候,我们获得机会对这座工厂进行了自2011年奥巴马总统之后最全面的参观。考虑到开发和制造新的微处理器是商业世界中最具风险、代价最为高昂的豪赌,这种低调也是可以理解的。
  Gartner表示,即使是简单地建设一个能够生产诸如E5之类芯片的工厂至少就要花费85亿美元,这还不包含研发费用(超过20亿美元)以及设计电路布局的费用(超过3亿美元)。即使是程度中等的“excursions”(这是英特尔对于把事情搞砸了的委婉说法)都可能会付出数亿美元的代价。整个过程要花五年甚至更长的时间。VMware首席执行官Pat Gelsinger有着长期在英特尔担任公司高管的经验,并曾担任该公司的首席技术官,他表示,“如果你追求短期的满足感,就不要去做芯片设计师。”他表示,“很少有东西像它一样。”
  顶级E5大概是一张邮票大小,零售价为4115美元,能耗大约是大型惠而浦冰箱的60%。无论何时,只要你使用谷歌搜索,使用Uber或者让你的孩子在你的车里看Episode 3 of UnbreakableKimmy Schmidt,你都在使用它们。计算机科学的这些壮举通常会被归功于智能手机的兴起,但是背后无数的工作其实是在数以千计的服务器上完成的。而几乎所有的服务器都使用了英特尔的芯片。
  总部设在加利弗尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司于1971年创造了第一个微处理器,并且在Andy Grove的领导下,在上个世纪九十年代成了家喻户晓的名字,该公司销售的芯片装配在绝大多数个人电脑上。但是个人电脑的销售在过去五年里出现了下滑,随着智能手机的兴起,英特尔迟迟未能针对这些设备开发出低功耗的芯片。该公司最近宣布裁减员工总数的11%,如同该公司的首席执行官Brian Krzanich所说,此举是为了“重塑自己”。
  
  市场研究公司IDC表示,英特尔仍然是这个世界上最大的芯片制造商,该公司销售的芯片中有99%的芯片都进入了服务器。去年它的数据中心集团实现了大约160亿美元的收入,其中将近一半都是利润。这种竞争优势是建立在竞争对手的失误以及英特尔不懈努力的基础之上,英特尔愿意不惜一切代价确保该公司产品大的、可预见的提升,而且年年如此。英特尔的数据中心业务执行副总裁兼总经理Diane Bryant表示,“我们的客户期望花和去年一样多的钱获得20%的性能提升。” Diane Bryant表示,“这是我们奉行的准则。”
  在电脑和手机中,这种策略都有其局限性:在超过某个点之后,客户就不太在乎速度和效率了。但是对于服务器来说,由Amazon.com以及微软等公司运营的数据中心彼此竞争,争夺为这个世界上的Netflixes以及Ubers等公司处理数据的权利,性能是至关重要的。运行和冷却服务器所需要的能耗是一般数据中心中最大的一笔开销。如果英特尔能够用同样的电力提供更多的计算能力,数据中心的主人将一次又一次地不断升级。
  为了这个“如果”有着很多的努力。每一年,英特尔的高管们基本上都会把赌注押在该公司能够不断突破电路、电子和硅原子的极限这一信念之上,在计算利润之前投入数十亿美元进行研发。最终芯片将重蹈白炽灯、科技以及很多其他发明的覆辙,随着年龄的增长,提升的步伐将明显放缓。Krzanich自信地表示,“硅技术总有一天会走到那一步,但是这一天在未来几十年内都不会出现。” Krzanich表示,“我们的工作是尽可能地推迟这一时刻的到来,直至最后一刻。”
  无处不在的微处理器

    它们在你的电视里、汽车里、Wi-Fi路由器里,如果你的冰箱和恒温器足够新的话,里面也会有微处理器。即使你没有这样认为,这些设备从某种程度上来说也是计算机,这意味着它们是由晶体管组成的。
  晶体管是一个开关。但是并不需要用手指来打开或者关闭它,而是使用小的电子脉冲进行控制——在功能强大的计算机中,大概每秒钟能有30万次这样的脉冲。这样一个开关能干什么?你可以用它来存放一个比特的信息。打开或关闭,是或否,0或1——无论你是否相信,从技术上说,这些都是可以用一个比特表达的信息(8个比特组成一个字节,80亿比特组成一个GB)。最早的计算机在打孔卡上存储比特(有孔或者没有孔?),但是这种做法局限性很强,因为如果你想做点很酷的事情的话,你就需要很多很多比特。例如,如果你想要你的电脑存储这样一句话,“上帝,这东西真复杂,”每个字母就需要8个比特,总共需要240个晶体管。你能用晶体管做的另一件事就是数学。将七个开关按照正确的顺序连接起来,你就能够做两个小数字的加法;将29000个开关连接在一起,你就有了一个芯片,它的计算能力相当于IBM在1981开发的最早的计算机;将72亿开关封装在一个E5芯片内,你就能够预测全球的天气模式,进行人类基因组测序、确定海平面之下的石油和天然气储量。
  每三年左右,英特尔就会将其晶体管的尺寸缩小30%左右。工艺水平从2009年的32纳米缩小到2011年的22纳米,到了2014年,这个尺寸变成了14纳米。朝着更小尺寸的每次飞跃都意味着芯片设计师们能够将同样面积内的容量翻一番。这个现象被称为摩尔定律,这一定律已经存在了半个世纪之久,确保了你在三年后购买的芯片比你今天购买的芯片至少快一倍。
  
  最新的至强芯片利用了从上个世纪九十年代开始进行的研究成果,当时在俄勒冈州Bohr的团队开始尝试利用量子隧穿效应,或者电子跳过很小的晶体管的趋势,甚至是在关闭的情况下。这是英特尔一直进行的物理战争的最前线。一旦硅晶体管缩小到了65纳米之下,就无法正常工作了,这是传统智慧。Bohr的解决方案是将晶体管用铪包裹,这是一种自然界中找不到的银白色金属,这一解决方案于2007年公开。之后,从2011年开始,将晶体管打造成小型塔状物,它被称之为鳍形场效应晶体管,或者简写为FinFETs。“我们的首个FinFET不是狭长笔直的,它更像是个梯形。” Bohr语带失望——梯形比矩形更占地方。他骄傲地指着最近用电子显微镜拍摄的照片表示,“这些更薄而且更直,”图片上显示了两条直的黑色阴影看起来很神秘地浮现在浅灰色的底色之上。照片看起来很像牙科的X光片,英特尔的员工称之为“宝贝的照片。”
  缩小晶体管的尺寸只是挑战的一部分。另一个挑战是管理大量的、更复杂的连线矩阵,纵横交错的连线将一个晶体管同另一个连接在一起。至强处理器配备了13层铜导线,有一些比单个的病毒还要细,是通过在玻璃上蚀刻出的细槽沉积金属形成的。虽然晶体管的体积越小效率越高,但是电线却没有这种特性。它们越小,传导的电流越少。
  负责至强E5布线的是Kevin Fischer,这位英特尔的中级工程师从2009年年初坐在自己位于俄勒冈州的实验室里开始就有一个简单的目标:调整两个最密集的布线层——被称为Metal 4和Metal 6之间的连接。45岁的、拥有美国威斯康星大学麦迪逊分销电气工程博士学位的Fischer采用了英特尔的研究人员经常使用的方式——翻查学术文献。英特尔已经使用了铜,这是导电性最好的金属之一,所以他决定把重点放在提高绝缘性或者介电材料上,它将使通过导线的电流流动放缓。一个选择是使用新的、更有弹性的绝缘材料,以此减少阻力。但是Fischer建议干脆不要用玻璃。他好像对自己的优雅方案感到震撼,他表示,“空气是终极的电介质。”这种做法奏效了。Metal 4和Metal6之间的连接速度现在提高了10%。
  芯片设计主要是一个布局的问题。从英特尔PC部门退休了的工程师Mooly Eden表示,“这有点像设计一个城市。”但是用城市设计进行类比还是降低了困难的程度。芯片设计师必须将相当于全世界人口数量那么多的晶体管放在1平方英寸的面积里——安排好一切,让计算机能够以每秒30亿次的频率使用每个独立的晶体管。
  芯片的构造块包括内存控制器、高速缓存、输入/输出电路以及——最重要的部分——内核。你在上个世纪九十年代拥有的奔腾III芯片中,通过提高时钟频率——计算机每秒钟内能够打开或关闭其晶体管的次数——通常能够让芯片更快。十年前,时钟频率最高能够达到4GHz,或者是每秒40亿次脉冲。如果芯片切换的速度再快一些,硅晶体管就会过热并出现故障。芯片行业对这个问题的答案是增加内核,本质上只在芯片内增加小的芯片,这些小的芯片能够同时运行,就像快艇上的多个舷外马达。按照计划新的E5有高达二十二个内核,比之前的版本多了六个,它将在英特尔设在以色列Haifa市的开发中心进行设计。
  让芯片变得更快的另一种方法是增加只做一件事,但做的速度非常快的电路,也就是定制化。E5中大约有25%的电路是专门用于(除了其他任务外)压缩视频和加密数据的。E5上还有其他的特殊电路,但是英特尔不能谈论它们,因为这些都是为了该公司最大的客户创造的,也就是所谓的Super 7:谷歌、亚马逊、Facebook、微软、百度、阿里巴巴和腾讯。这些公司采购(通常自己组装)配备了至强处理器的服务器,采购的数量以数十万计。如果你购买戴尔或者惠普配备了至强处理器的服务器成品,里面的至强处理器将包含你无法使用的技术。Bryant表示,“我们将(云客户)独特的功能整合进产品,只要这种做法不会让模具变得太大,成为其他所有人的成本负担就行。” Bryant表示,“当我们将它发货给客户A的时候,他将会看到它。客户B将完全看不到这些功能。”
  英特尔的架构师(最高级的设计师)花了一年的时间,同客户以及俄勒冈州的研究人员密切配合制定规范,这份几千页的文档非常详尽地描述了这款芯片的功能。将这些规范转换成包含基本逻辑指令——例如AND、OR和NOT的软件代码,然后再将其转换成单个电路的示意图还需要再花一年半的时间。最后就到了这个流程中最后也是劳动最密集的一个环节——光掩膜(mask)设计,这个环节涉及到如何将电路放入物理布局之中。布局最终转化到光掩模之上,这是用来在硅晶片上蚀刻图案的模板,最终蚀刻好的晶片将被生产成为芯片。对于E5来说,光掩模设计师们工作在印度的班加罗尔和科罗拉多州的科林斯堡,他们使用计算机辅助设计程序绘制多边形来表示每个晶体管,或者从某种数字图书馆里复制之前设计的电路。英特尔的资深光掩模设计师Corrina Mellinger表示,“你必须具备用三维模式想象你的工作。”
  和英特尔公司里绝大部分技术工作不同,光掩模设计并不需要工程方面的高级学位。这项工作更像是一门手艺。Mellinger在1989年作为行政助理加入英特尔之后,只在社区大学参加过一门芯片布局的课程。光掩模设计最后几周的工作总是最繁重的,设计师需要不断地调整他们的工作以适应对布局的各种最后一分钟添加的东西。英特尔的副总裁兼Fort Collins 设计团队的经理Patricia Kummrow表示,“它从来不是一蹴而就的。”最好的光掩模设计师看着多边形,立刻就看出如何通过重新布局不同层上的电路缩减设计。Mellinger表示,“这就好像你已经完成了拼图,现在你走过来告诉我还需要增加10小块拼图。” Mellinger表示,“我可能会说,‘好吧,让我看看我能施展什么魔法吧。’
  他们一群理性主义者

    逻辑是他们每天要做的工作。但是如果你和他们谈论他们的工作,他们就更倾向于使用更有神秘色彩的语言。他们经常会用到“魔法”这个词。
  前首席技术官Gelsinger表示他在1979年进入英特尔的几个月之后找到了上帝。他在谈到半导体设计和信仰的时候表示,“我一直觉得它们在手牵手地前进。”英特尔的产品经理Maria Lines在谈到过去几年的职业生涯时情绪激动。她表示,“我参与的几代之前的产品有大约20亿个晶体管,我现在参与的项目有100亿个晶体管。”她表示,“这真的太令人震惊了,令人难以置信。”
  芯片诞生的时刻被称为“first silicon”(第一次生产成功的产品)。对于E5来说,first silicon出现在2014年。班加罗尔的一个团队发送了一个大约7.5GB的文件,其中包含了英特尔在圣克拉拉的光掩模车间的全部设计。6x6英寸大小的石英板制成的光掩模上有着略微放大版本的晶体管布局,这将被印到每一块芯片上,然后在下一周将被运送到英特尔位于凤凰城附近的工厂——它是俄勒冈州工厂的翻版,然后机器就开始了它们缓慢而精确的工作。
  
  在所有夜以继日的赶工之后,设计师们将2015年的绝大部分时间都花在了等待新原型测试之上。每一次修改都要花上三个月左右的时间。英特尔副总裁兼数据中心工程集团总经理Stephen Smith表示,“这很乏味。”正是电路所有这些错综复杂的特性,才让芯片开发成为商业世界中风险最大的豪赌。如果当你在完成“first silicon”之前经历了几次“excursions”,进度就会大大延迟,而且会损失收入。随着晶体管越来越小,风险也在变得越来越高。Krzanich表示,现在量产一款芯片的时间是十年前的两倍。他表示,“打造更小的东西是一个物理的问题,总是有办法能够解决。”他表示,“关键在于你是否能够以一半的成本做到这一点?”
  制造流程的最后一步完成于马来西亚、中国和越南的装配厂。在那里,金刚石锯片将成品晶片切成正方形,然后打包并进行测试。在2015年秋天,英特尔生产了超过10万个芯片,免费赠送给Super 7以及其他的大客户。对每个芯片携带的软件都进行了最后一分钟的调整,英特尔花了六周左右的时间进行最后的测试。
  新的E5的完整制造流程到今年早些时候才开始,由亚利桑那州的工厂以及另一个位于爱尔兰Leixlip的工厂进行生产。在未来十二个月里,英特尔将销售数以百万计的E5微处理器。
  如果幸运的话,客户可能永远也看不到这些芯片,更不要说去考虑它们是如何被制造出来的了。但是如果你打开一台新的服务器,你最终会发现芯片,摸起来很烫,封装在陶瓷包装之内,包装上印着英特尔的蓝色标志。如果你打开这些芯片,你会发现其中有13层互相连接的金属板,用肉眼观察的话,你只能看到这些金属板。下面的很多层是硅,泛着蓝色、橙色以及紫色的光——一个小小的、拥挤的电路迷宫,以某种方式让我们的整个世界运转。你可能会觉得,它很漂亮。
  英特尔首席制造研究员Bohr有时候也会这样认为。但是作为一位科学家,他明白他看到的并不是真正的色彩——它们只是光,是他和他的同事在硅基上设计的造物反射和折射的结果。单个的晶体管比任何光的波长都要小。他表示,“在这么小的尺寸级别上,颜色是没有意义的。”随后他道歉后匆匆离去。
  他要参加讨论英特尔5纳米芯片的会议,已经迟到了,那是现在的E5之后两代的产品。5纳米被芯片制造领域的很多人认为是一个临界点,在此之后,就不可能进一步缩小了,摩尔定律也将最终失效。英特尔希望使用一种被称为极紫外线的新技术帮助该公司到达这个点,而这种技术目前还没有被业界有效利用。在5纳米之下将采用新的材料——有些人认为碳纳米管将取代硅晶体管——或者是全新的技术,例如神经计算(模仿人类大脑设计的电路)和量子计算(单个原子颗粒替代晶体管)。
  Bohr表示,“我们可以减少选项——大量狂野又疯狂的想法。” Bohr表示,“其中一些想法完全没有用。”但是,他非常肯定地补充表示,会有一两个想法是有用的。
    文/于泽
来源:ZDnet

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Unicorn

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Unicorn 2016-6-22 04:58:26 显示全部楼层
说真的,并不太喜欢这种行文。。

aiwa0311

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aiwa0311 2016-8-3 08:03:01 显示全部楼层
这个翻译有点糟糕。读起来怪怪的。
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