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指甲盖般大小的苹果A14处理器,为何能集成118亿个晶体管?

2020-10-17  科学探索菌

iphone12搭载了5纳米工艺的手机处理器苹果A14,这款处理器集成了118亿个晶体管。而一款手机处理器芯片的大小,比大拇指的指甲盖大不了多少。

那么小的芯片,真的能装下上百亿个晶体管吗?

纳米(nm)是长度单位,一纳米等于10的负9次方米,是一个非常小的长度单位。珠穆朗玛峰高8848米,它的百万分之一,仅相当于一本书的厚度。而1纳米相当于一毫米的百万分之一。单个细菌人肉眼是看不见的,因为它的直径在微米级别,而1纳米是1微米的千分之一。

氢原子是原子中最小的,它的半径大约是0.037纳米,13个氢原子排成一条线的长度大约等于1纳米。现在的手机cpu是硅基芯片,而硅原子的直径为0.234nm,4个硅原子排排坐就有1纳米的长度。

1纳米这么小,那么在一款小小的手机芯片上集成100亿个晶体管,就很好理解了,是可以做到的。

世界上第1台电脑埃尼阿克出现的时候,体积比一个房间还大。1958年杰克·基尔比发明了基于的集成电路,后面罗伯特·诺伊思发明了基于硅的集成电路。工程师们直接将晶体管制作在一片硅晶片上,微电路(芯片)随之诞生。为了降低功耗和提高性能,集成电路的晶体管数量越来越多,元器件也被做的越来越小。

现在芯片制造工艺早已从微米时代进入了纳米时代。手机和电脑的cpu就是集成度最高的芯片。现在一块手机cpu的面积大约在100平方毫米左右,而一平方毫米至少可以集成1000万个晶体管。

随着微电子技术的提高,仅仅几年的时间,硅基芯片制造工艺就从几十纳米进入了几纳米时代。目前集成电路的制造工艺已经达到了5纳米水平,苹果A14处理器就使用了台积电的5纳米制造工艺。不过元器件的尺度已经快接近极限了,要想提高芯片的性能,就只能另寻它法,比如碳基半导体。

纳米技术是研究结构尺寸在1~100纳米范围内材料的性质和应用,是上世纪90年代初迅速发展起来的,距今不过30年。纳米技术的概念最早是物理学家理查德·费曼于1959年提出来的。直到1981年,科学家们发明了扫描隧道显微镜,才拥有了目睹纳米尺度下原子、分子的能力,后面还拥有了操控单个原子的能力。

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