我们总是在各式各样的有关于芯片技术进步、甚至是在中美贸易战的新闻中看到这样一些描述的词：“10nm”、“7nm”、“5nm”……你是否曾经因此疑惑，为何这些小到“纳米”级别的长度单位，经常被用来度量芯片制造的发展水平呢？

今天的这篇文章，我将带大家了解有关“芯片制程”的两三事。

从计算机的发展说起
世界上的第一台图灵完备的通用计算机，是于1946年诞生在宾夕法尼亚大学的伊尼亚克（英语：ENIAC，发音：/ˈɛni.æk/）。伊尼亚克是一台电子管计算机，她使用真空电子管作为逻辑元件，采用一整套巨大、复杂的电磁结构作为主存储器，并使用磁带作为外存储器。这些复杂的、没有集成化的结构使得伊尼亚克的身躯十分庞大，需得一整个房间才能装得下她。当时的她还没有我们现在的狭义上的中央处理器（Central Processing Unit, CPU）的概念，或者换而言之，本身庞大的她就是一枚硕大的CPU。

时隔12年，在1958年的十二月，美国的IBM公司设计制造了全世界第一台全晶体管计算机——IBM7090，这台计算机将大量的晶体管集成在电路板上进行计算，使得计算机的进步来到了晶体管时代。也开启了计算机部件小型化、集成化的进程。这时的计算机依然还没有现在狭义上的CPU的概念。

随着时间的推移，科学家们逐渐发现在电路板大量镶嵌晶体管来进行计算，依然太浪费空间了。就算在一块硕大的电路板上镶嵌大量的晶体管，晶体管的总数量也依然有限——而晶体管的数量恰恰制约了计算机的计算速度。于是为了更好地适应集成化、微缩化的需求，集成电路（Integrated Circui, IC）应运而生了。

集成电路将大量的晶体管集中在一小块半导体片，或芯片（Chip）上。这便成了现在狭义上的CPU的前身。

时过境迁，晶体管计算机已被留在了历史的长河之中，超大规模集成电路计算机的出现，使得大量的晶体管计算机真的成为每个家庭都可以拥有的普及商品。而那枚代表着超大规模集成电路的被人们称为“中央处理器”的小玩意，却成为了本次中美贸易摩擦的焦点。

摩尔定律与芯片制程

诚如刚刚所言，晶体管的数量制约着计算机的计算速度，更多的晶体管理论上自然意味着更高的计算速度。于是CPU上集成的微电子元器件数量便成为了设计CPU是一项十分重要的考量。

英特尔公司创始人之一戈登·摩尔就曾立下豪言壮语：

集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔十八个月便会增加一倍。这便是著名的摩尔定律。

可要在芯片的面积可控（不能太大）的前提下，想要往本就塞的满满当当的芯片中继续塞入更多的微电子元器件便是一件几乎不可能的事情——那么该怎么办呢？

科学家们显然不会被如此简单的问题难倒，既然塞不下更多的微电子元器件，那何不把现有的微电子元器件缩小呢？这样在芯片总面积不变的情况下，不就可以容纳更多的微电子元器件了吗？

显然，这样的方法是可行的，随着集成电路的设计制造精度的提高，现代已经量产的芯片中能在晶圆（指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片）上雕刻出（事实上，现代CPU中的微电子元器件与电路是使用激光雕刻在晶圆上的）的电路之间的间距已经达到了短短的7nm（如海思的麒麟980，高通的骁龙855，AMD的Ryzen 7 3700X），而这个数字在1995年还高达500nm——摩尔定律不但没有被打破，甚至还被事实很好地应证了。

而这个集成电路内电路之间的间距便是我们本篇文章所要介绍的“芯片制程”。

失灵的摩尔定律

解释完什么是“芯片制程”，你可能会有些疑惑：

事实真的会一直像摩尔定律所说，芯片上的晶体管数量每十八个月就能翻一番吗？

科学当然不可能真的让人类以如此轻松的方式就能使芯片的处理速度不断上升而功耗不断下降。

近年来，摩尔定律所预言的晶体管数量增长速度已经大为放缓，预计在2020年摩尔定律就会失灵。这与光刻机（使用激光在晶圆上雕刻集成电路的机器）的进步逐渐放缓、以及著名的“量子隧穿”效应有着莫大的联系。人类在计算机领域可能真正地遇到了冯·诺依曼体系的瓶颈。

(科技产业责编：陈峰 )