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“XXX芯片采用了XXnm(纳米)工艺，集成了X.X亿个晶体管……”，这些内容对大多数用户来说好像只是一个参数而已，而且给人很陌生的感觉，谁买东西还关心它是什么工艺、核心面积多大、里边有多少晶体管什么的呀?但要是制造工艺没用，为什么在产品介绍时会频频提及?而这些顶尖大厂为何又要不停地提升制造工艺呢?今天我们就来了解一下制造工艺对于半导体芯片产品的意义。
从制造谈起
在解析工艺秘密之前，先来简单了解一下芯片产品的制造流程。CPU也好，GPU也罢，还有诸如内存、闪存芯片等等，它们芯片核心部分的主要原料都是硅，制造过程也大体上相似。经过筛选、高温融化提纯后，硅原料变成了高度纯净的单晶硅。然后在高温容器中采用旋转拉伸的方式将原料取出，形成固定表面积的圆柱体硅锭。接着将硅锭切成圆形薄片，新的切片中要掺入一些物质。使之成为真正的半导体材料，而后在上边刻画代表着各种逻辑功能的晶体管电路。再将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。随后再通过光刻蚀、掺杂等一系列复杂工艺，一个内部拥有复杂晶体管电路网络、多层结构的晶圆已成形。晶圆将被进一步切割成独立的核心芯片单元并经检测合格，进行封装、插接，进而再检测以决定它们的额定频率，电压等参数，最终的产品即告出炉。
等会儿，这里边好像并没有提到“nm工艺”这个关键词。而它实际上是代表了芯片内部晶体管电路之间的距离。晶体管电路密集程度越高，单位面积内可以容纳的晶体管电路越密集、越复杂，构建同样结构的晶体管电路所需要的空间越小，或者相同大小的空间能够容纳更为复杂，晶体管数量更多的晶体管电路。
讲到这里，我们又要把摩尔定律作为权威理论摆出来了。1965年到1975年，Intel的创始人之一戈登-摩尔先后提出并完善了摩尔定律：芯片中的晶体管和电阻器的数量每24个月会翻番，原因是工程师可以小断缩小品体管的体积。这就意味着，半导体的性能与容量将以指数级增长，并且这种增长趋势将继续延续下去。而摩尔定律中晶体管数量翻倍带来的好处可以总结为：更快，更小，更便宜。而制造工艺的提升则是晶体管数量提升的前提。
提升工艺 降低成本
工艺的提升对于消费者来说最直观的感觉就是产品售价的下降。由于芯片是由最初的硅锭逐步切割为一个个小的方形薄片，那么一旦工艺提升，晶体管电路变得更为密集，单个芯片所需的厚度、表面积也会随之降低，同样多原料就能生产出更多的芯片产品。同时，更先进的工艺也能够进一步保证产品的良品率，大大减少了报废产品的产生。当年NVIDIAGeForce 7600GT/GS最初采用的90nmT艺的G73-N-A2核心，售价直徘徊在千元附近。而在80nm工艺的G73-B1核心被广泛运用后，GeForce 7600GT/GS的售价才出现了大幅下调，599到799元的售价让它们最终成为了红极一时的主流产品。同时，目前NVIDIA G80和G92两款核心显卡产品的巨大的售价差距也让人们看到了65nm工艺的优势。
提升工艺 提升性能
再来看Intel最新的45nm工艺的Penryn核心处理器吧，产品的双核心版本内建4.1亿个晶体管，四核心则有8.2亿个晶体管(65nm Core 2 Duo处理器双核心晶体管数量为291亿)，微架构经强化后，在相同频率下较上代65nm产品拥有更高性能，同时L2Cache容量亦提升50％，明显提高数据读取执行的命中率。47条全新Intel SSE4指令，提高媒体性能和实现高性能运算应用。正是由于晶体管电路更为密集，因而产品可以在更小的空间内融入数量更多、结构更复杂的晶体管电路，相信不久的将来，我们就能享受到如此强大的处理器产品。
提升工艺 提升电气性能
先进的工艺同样也意味着电气性能的提升，即产品的供电环境要求下降，发热量更低，功耗更低，更易于超频。记得Core 2 Duo刚上市时，大家都感觉难以置信，因为默认外频已高达266MHz的处理器产品大部分都可以在额定工作电压仅为1.35V(实际工作电压为1.248V)的情况下超频到400MHz以上。
对于现在热门的Radeon HD3850/3870显卡，恐怕我们很难想象，作为AMD-ATi新一代中高端产品的代表，并且是第一款对DirectX 10.1 API提供支持的RadeonHD3850/3870，它们的供电部分设计居然看上去如此的简单。但要知道，RadeonHD3850/3870采用的可是目前显卡领域最前沿的55nm制造工艺啊!AMD-ATi借着55nm先进工艺，将6.66亿个晶体管融入到了表面积仅为190mm2的显示核心当中，同时将Rv670xT和RV670Pro的TDP功耗控制在132W和104W。因此，两款产品在供电设计方面均不会有过高的要求。还有另外一条令人振奋的消息：采用RV670XT的Radeon HD3870显卡，假如在PCB背面的核心电压控制部分的一个空焊位焊接一个500毫欧的电阻，就能显著提升RV670的工作电压。通过这个改造，Radeon HD3870显卡的核心工作频率可以稳定超频到1GHz左右，性能将在原有基础上大幅提升。
制造工艺与产业关系
看到这么多制造工艺提升带来的优势，恐怕大家会感到奇怪：“不是说最新的工艺生产出来的产品最节省成本、性价比最高么?但为什么最新工艺的新款CPU刚开始发售时售价都那么高呢?”“为什么都到了45nm工艺了，还有些厂商仍然在坚持使用90nm甚至更老旧的和造工艺呢?”这就要涉及到产业关系的内容了。
众所周知，目前工艺上最领先的仍旧是CPU制造，以Intel、AMD为代表的一线领导地位的厂商不断努力开发更新，但技术更新也是需要相当大的成本投入的，即便能够以更低廉的成本生产出产品，它们也不会降低产品的售价。以较高的价格销售全新的产品不仅能够让它们迅速回收工艺更新的成本同时，也赚取工艺更新的利润。
在收回足够多的成本和利润后，更加先进的工艺已经出炉，而后相对老旧的技术被用于生产价格适中的主流产品，这往往就是主流用户们最终能够接受的产品了，不过它们仍然摆脱不了被淘汰的命运。但另一方面，对于处在中下游的厂商来说，一线厂商淘汰下来的技术仍然是非常有利用价值的。于是它们也会以一个相对合理价格收购一线厂商淘汰不用的工艺技术，继续发挥它们的生产价值。例如，我们会看到处理器的生产工艺已经发展到了45nm，实际上主流的处理器产品依旧采用的是65nm工艺，而诸如内存、闪存等半导体产品却仍然在采用90nm甚至更老的工艺。
新的工艺不断被Intel、AMD、台电等一线厂商开发出来，帮助它们赚取产品、技术开发等方面的利润，而一线厂商淘汰下来的技术被二线厂商回收后进一步利用。这就形成了制造工艺的单向循环。所以我们才能够看到半导体产业工艺技术的不断更新。
说到最后
看似陌生的制造工艺却意义非凡。它对于业界不仅是一个挣钱的技术，同时新旧工艺的不断更迭也推动了整个半导体产业的发展。对于广人消费者来说，虽然可能无法直观感受到工艺的进步，但工艺进步后带来的是产品售价、功耗的降低，也让消费者们能够最大程度受益。所以，大家还是密切关注一下广告词里诸如“XXXnm工艺”、“X.X亿个晶体管”、“核心面积XXXmm2”……这些关键词吧，它们其实是真正能够给大家带来实惠的东西。
从制造谈起
在解析工艺秘密之前，先来简单了解一下芯片产品的制造流程。CPU也好，GPU也罢，还有诸如内存、闪存芯片等等，它们芯片核心部分的主要原料都是硅，制造过程也大体上相似。经过筛选、高温融化提纯后，硅原料变成了高度纯净的单晶硅。然后在高温容器中采用旋转拉伸的方式将原料取出，形成固定表面积的圆柱体硅锭。接着将硅锭切成圆形薄片，新的切片中要掺入一些物质。使之成为真正的半导体材料，而后在上边刻画代表着各种逻辑功能的晶体管电路。再将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。随后再通过光刻蚀、掺杂等一系列复杂工艺，一个内部拥有复杂晶体管电路网络、多层结构的晶圆已成形。晶圆将被进一步切割成独立的核心芯片单元并经检测合格，进行封装、插接，进而再检测以决定它们的额定频率，电压等参数，最终的产品即告出炉。
等会儿，这里边好像并没有提到“nm工艺”这个关键词。而它实际上是代表了芯片内部晶体管电路之间的距离。晶体管电路密集程度越高，单位面积内可以容纳的晶体管电路越密集、越复杂，构建同样结构的晶体管电路所需要的空间越小，或者相同大小的空间能够容纳更为复杂，晶体管数量更多的晶体管电路。
讲到这里，我们又要把摩尔定律作为权威理论摆出来了。1965年到1975年，Intel的创始人之一戈登-摩尔先后提出并完善了摩尔定律：芯片中的晶体管和电阻器的数量每24个月会翻番，原因是工程师可以小断缩小品体管的体积。这就意味着，半导体的性能与容量将以指数级增长，并且这种增长趋势将继续延续下去。而摩尔定律中晶体管数量翻倍带来的好处可以总结为：更快，更小，更便宜。而制造工艺的提升则是晶体管数量提升的前提。
提升工艺 降低成本
工艺的提升对于消费者来说最直观的感觉就是产品售价的下降。由于芯片是由最初的硅锭逐步切割为一个个小的方形薄片，那么一旦工艺提升，晶体管电路变得更为密集，单个芯片所需的厚度、表面积也会随之降低，同样多原料就能生产出更多的芯片产品。同时，更先进的工艺也能够进一步保证产品的良品率，大大减少了报废产品的产生。当年NVIDIAGeForce 7600GT/GS最初采用的90nmT艺的G73-N-A2核心，售价直徘徊在千元附近。而在80nm工艺的G73-B1核心被广泛运用后，GeForce 7600GT/GS的售价才出现了大幅下调，599到799元的售价让它们最终成为了红极一时的主流产品。同时，目前NVIDIA G80和G92两款核心显卡产品的巨大的售价差距也让人们看到了65nm工艺的优势。
提升工艺 提升性能
再来看Intel最新的45nm工艺的Penryn核心处理器吧，产品的双核心版本内建4.1亿个晶体管，四核心则有8.2亿个晶体管(65nm Core 2 Duo处理器双核心晶体管数量为291亿)，微架构经强化后，在相同频率下较上代65nm产品拥有更高性能，同时L2Cache容量亦提升50％，明显提高数据读取执行的命中率。47条全新Intel SSE4指令，提高媒体性能和实现高性能运算应用。正是由于晶体管电路更为密集，因而产品可以在更小的空间内融入数量更多、结构更复杂的晶体管电路，相信不久的将来，我们就能享受到如此强大的处理器产品。
提升工艺 提升电气性能
先进的工艺同样也意味着电气性能的提升，即产品的供电环境要求下降，发热量更低，功耗更低，更易于超频。记得Core 2 Duo刚上市时，大家都感觉难以置信，因为默认外频已高达266MHz的处理器产品大部分都可以在额定工作电压仅为1.35V(实际工作电压为1.248V)的情况下超频到400MHz以上。
对于现在热门的Radeon HD3850/3870显卡，恐怕我们很难想象，作为AMD-ATi新一代中高端产品的代表，并且是第一款对DirectX 10.1 API提供支持的RadeonHD3850/3870，它们的供电部分设计居然看上去如此的简单。但要知道，RadeonHD3850/3870采用的可是目前显卡领域最前沿的55nm制造工艺啊!AMD-ATi借着55nm先进工艺，将6.66亿个晶体管融入到了表面积仅为190mm2的显示核心当中，同时将Rv670xT和RV670Pro的TDP功耗控制在132W和104W。因此，两款产品在供电设计方面均不会有过高的要求。还有另外一条令人振奋的消息：采用RV670XT的Radeon HD3870显卡，假如在PCB背面的核心电压控制部分的一个空焊位焊接一个500毫欧的电阻，就能显著提升RV670的工作电压。通过这个改造，Radeon HD3870显卡的核心工作频率可以稳定超频到1GHz左右，性能将在原有基础上大幅提升。
制造工艺与产业关系
看到这么多制造工艺提升带来的优势，恐怕大家会感到奇怪：“不是说最新的工艺生产出来的产品最节省成本、性价比最高么?但为什么最新工艺的新款CPU刚开始发售时售价都那么高呢?”“为什么都到了45nm工艺了，还有些厂商仍然在坚持使用90nm甚至更老旧的和造工艺呢?”这就要涉及到产业关系的内容了。
众所周知，目前工艺上最领先的仍旧是CPU制造，以Intel、AMD为代表的一线领导地位的厂商不断努力开发更新，但技术更新也是需要相当大的成本投入的，即便能够以更低廉的成本生产出产品，它们也不会降低产品的售价。以较高的价格销售全新的产品不仅能够让它们迅速回收工艺更新的成本同时，也赚取工艺更新的利润。
在收回足够多的成本和利润后，更加先进的工艺已经出炉，而后相对老旧的技术被用于生产价格适中的主流产品，这往往就是主流用户们最终能够接受的产品了，不过它们仍然摆脱不了被淘汰的命运。但另一方面，对于处在中下游的厂商来说，一线厂商淘汰下来的技术仍然是非常有利用价值的。于是它们也会以一个相对合理价格收购一线厂商淘汰不用的工艺技术，继续发挥它们的生产价值。例如，我们会看到处理器的生产工艺已经发展到了45nm，实际上主流的处理器产品依旧采用的是65nm工艺，而诸如内存、闪存等半导体产品却仍然在采用90nm甚至更老的工艺。
新的工艺不断被Intel、AMD、台电等一线厂商开发出来，帮助它们赚取产品、技术开发等方面的利润，而一线厂商淘汰下来的技术被二线厂商回收后进一步利用。这就形成了制造工艺的单向循环。所以我们才能够看到半导体产业工艺技术的不断更新。
说到最后
看似陌生的制造工艺却意义非凡。它对于业界不仅是一个挣钱的技术，同时新旧工艺的不断更迭也推动了整个半导体产业的发展。对于广人消费者来说，虽然可能无法直观感受到工艺的进步，但工艺进步后带来的是产品售价、功耗的降低，也让消费者们能够最大程度受益。所以，大家还是密切关注一下广告词里诸如“XXXnm工艺”、“X.X亿个晶体管”、“核心面积XXXmm2”……这些关键词吧，它们其实是真正能够给大家带来实惠的东西。