点沙成金：英特尔芯片制造全过程揭密

“亚马逊丛林里的蝴蝶扇动几下翅膀就可能引发两周后美国德州的一次飓风……”

这句人人皆知的话最初用来描述非线性系统中微小参数的变化所引发的系统极大变化。

而在更长的时间尺度内，咱们所生活的这个世界就是这样一个异常复杂的非线性系统……

水泥、穹顶、透视——关于时间与技艺的蝴蝶效应

公元前3000年，古埃及人将尼罗河中挖出的泥浆与纳特龙盐湖中的矿物盐混合，再掺入煅烧石灰石制成的石灰，由此得来了人类最先的水泥。

公元600年，学会了这一技法的罗马人建造出了穹顶跨度43.3米的万神殿，超越了本身的老师希腊人，也证实了古罗马帝国的强盛与富足。

偶然发现水泥制做方法的那个古埃及人确定想不到，本身的发明会在3000多年后、距离尼罗河2000多千米的地方成就一座人类建筑史的巅峰。

这是一次时间和地理跨度都极大的蝴蝶效应。

时光荏苒，1400年代的文艺复兴时期，当时仍是行会匠人的布鲁内列斯基在整理古代手稿时发现了罗马人关于直线透视绘画技法的论述。随后，他将这一技法发扬光大，并引领了整个文艺复兴时代的绘画创做。

这也直接促成了200年后乔凡尼·高里在罗马耶稣教堂巨大穹顶之上创做出的透视绘画技巧集大成制做——《耶稣圣名礼赞》。

一样的，将基督教奉为国教的罗马人也不会想到，800年后的画家可以将巨大的穹顶做为画布，将圣洁的信仰如此美妙的展示在世人面前。

这是一次突破想象力框架的蝴蝶效应。

而再过200年，一个关于金属氧化物的偶然发现将再次掀起一场改变世界面貌的蝴蝶效应……

数字时代的前奏

1874年，刚刚取得博士学位的卡尔·费迪南德·布劳恩在研究震荡电路的时候无心发现，削尖的方铅矿具备电流的单向导通能力。后人们所熟知的矿石收音机中的“矿石”二字正是来源于这一效应，而这也是半导体的最重要特性之一。

当时的物理学家尚未发现量子力学，更不知道半导体的这一特性源自电子隧穿效应；但这一意外的发现却成为了数字时代乐章的第一个音符。

随后的近100年时间里，在包括爱迪生、弗莱明、肖特基、贝尔实验室等一系列力量的不断研究之下，人们利用半导体接连造出了二极管、三极管并最终发明了场效应管。

至此，人类终于凑齐了整个数字时代所须要的全部物理基石。

正如同ACGT四种碱基对可以经过30亿次的不一样组合演绎出灿烂的人类文明同样，经过场效应管来组成的逻辑门电路也可以经过数十亿次复用造成极端复杂的功能。整个数字时代的正片也悄然开始。

解构数字时代

做为逻辑电路的基本构成，人们可使用两个场效应管来制做一个非门，用4个场效应管来制做一个与非门或者或非门……由此，人们便遍能够经过不断地堆叠这些逻辑门来构筑加法器、乘法器、存储器和缓存。而更重要的是，经过简单元件的不断复用与堆叠，咱们即可以将逻辑与算力赋于机器之上，成百万上千万倍的加速计算，让人类可以有精力去将更多不可能变为唾手可得。

固然，咱们在这里给出这些图并非期待你们能由此完成对《数字电路原理》的自习。展现这些电路图只是要向你们展现，由场效应管所组成的电路是如何一点一点实现加法、乘法和存储的。

经过将上图所展现的这些器件进行无数次堆叠、组合，咱们便可以制造出具有强大能力的CPU、内存和闪存（不少元件的结构在实际应用中会更加复杂以知足特定需求）。而后，咱们瓜熟蒂落的将他们组装成了一台电脑。

在拥有了这样一台电脑以后，问题接踵而至。咱们能用它作什么呢？

首先，咱们须要创建一张编码表，这张表定义了每一种能够输入的字符以及他们所表明的数学含义。举个例子，若是咱们定义A为牛肉面、B为香菜、` 为不要，那么“来碗牛肉面、不要香菜”的数学表达式就是A`B（固然，咱们也能够把它变为B`A，表示“来碗香菜，不要面”。至于店老板会不会打人，那就不是计算机能处理的问题了）。图中符号编码的意思是：任取一个数X，若是X是天然数，那么X的后继也是天然数。若是将这些符号进行编号，那么咱们便能用数字来表达逻辑并实现某种程度的计算。

因而，咱们即可以使用这套编码逻辑来构建函数进行数学计算并输出结果。

以这套强大的计算逻辑做为工具，咱们即可以开始经过键盘输入来构建代码，用代码来实现功能，用功能来组成模块，用模块来架构系统。再以后，Windows、Office和全部应用软件便大致只是时间与成本的问题了。

到这里，咱们已经梳理了从半导体到电脑再到软件之间的关系。但这样的结构仅仅是当今数字时代中的一个基础原子。要想得到数字时代中咱们所拥有的一切，还须要一张可以连通全部电脑的网络以及在网络中负责大规模处理和分发数据的数据中心。

以春节以后宅在家点外卖的流程为例，买家须要打开手机中的外卖APP，开始接收服务器上的外卖菜单信息并在点餐完成以后将相关的订单和付款信息提交给服务器；而餐馆则须要向服务器上传自家的菜单并接收服务器下发的用户订单及餐费。

在这样一套流程中，不管是买家仍是卖家都不须要购买昂贵的服务器设备及承担他们所带来的电费和维护成本，相反，他们只须要一台相对很便宜的电脑或手机并支付网费就能完成全部信息交换和最终的交易。固然，买家所付出的餐费当中还要包含一部分给服务器运营方的抽成。而在更复杂的商业实践中，负责运营外卖系统的平台企业甚至也不须要购置本身的服务器，只需将开发好的软件系统放在专业的云服务数据中心当中运行，并从本身的抽成中拿一部分给云数据中心便可。

如此这般，咱们还能够将这套商业逻辑扩展到打车、网络游戏、远程办公、直播等一系列领域。而当每一个人的工做与生活中都充满这样的系统时，一个全新的数字时代便轰轰烈烈的到来了。

从微观尺度的半导体到宏观层面的数字经济大厦，结构已成。

从沙子到半导体，一场远未结束的蝴蝶效应

在解构从微观半导体元件到整个数字时代的过程当中，咱们刻意跳过了一个环节。那就是如何将电子元件作成CPU、内存和存储。

从最开始那些晦涩难懂的电路图中咱们就发现，即使是最简单的加法器和乘法器都须要大量简单元件的海量堆叠，而若是要实现更复杂的功能和更强大的计算能力，这样的结构势必会大到没法想象。

实际上，第一台投入实用的电子计算机就是一台重达30吨、占地150平方米的庞然大物，而它的计算能力却仅有每秒5000次。但即使如此，这台计算机仍旧在当时的炮弹弹道研究中发挥了极其重要的做用。

在看到计算机的广阔应用前景以后，人们开始研究如何将这30吨的你们伙给小型化。显然，在这条半导体小型化的道路上，光靠心灵手巧和一副好视力是不行的。

1950年代，8位才华横溢的科学家在硅谷租下了一间小屋，并成立了仙童半导体。在这里，他们开始利用光刻技术制造小型化的半导体元件。这种光刻工艺能够理解为“逆向工做的投影机”。

首先，仙童们将一个高纯度的硅片进行表面的氧化，再覆上一层极薄的金属层，而后是一层能够和特定波长的光波发生反应并腐蚀金属的光刻胶。以后，仙童们会将一张大尺寸的掩模（至关于投影机中的胶片）投影到小尺寸的硅片上，一段时间以后，没有被掩模图案遮挡的光波便会引发硅片上的光刻胶腐蚀金属，而没有被照射的部分则会保留。然后，洗去光刻胶的硅片上便留下了腐蚀带来的细小凹痕。经过离子注入，仙童们能够将其余物质渗透进凹槽以内，造成构建场效应管所必须的P结（硼元素）和N结（磷元素）。

仙童半导体的第一代IC产品，场效应管的结构清晰可见

 

 

经过这一方法，仙童们的第一代产品在1961年诞生：在数个毫米的硅晶圆上集成了4个场效应管和5个电阻。随后，通过不断改进工艺，仙童半导体已经可以在愈来愈小的硅晶圆上集成更多的半导体元件。1965年，仙童半导体创始人之一的戈登·摩尔终于在《电子学》杂志上发表了那个半导体领域中最著名的预言——摩尔定律。

1968年，8仙童中的罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔共同成立了英特尔公司。而经过在制造工艺、设计上的不断探索创新，今天，英特尔已经可以制造出10nm大小的场效应管。对比仙童的初代产品，现在的英特尔已可以在指甲盖大小的硅晶片上集成数十亿个场效应管，并用这样的处理器、内存、存储等产品驱动整个数字时代所需的计算。

点沙成金：英特尔芯片制造全过程揭密

目前，做为全球最大的半导体企业，英特尔不只在研究更先进的架构和制造更强大的处理器，更造出了容量更高且断电不会丢失数据的内容以及容量更大的闪存芯片。而借助在半导体领域内无人出其右的深厚积累，英特尔更将自身对于半导体及整个数字将来的理解推动到传统半导体之上的领域，进而构建了以制程&封装、架构、内存及存储、互联、安全、软件为核心的六大技术支柱。

在这一战略的支持下，咱们不只可以在PC及服务器上看到英特尔的处理器，更能看到采用领先半导体技术的数据中心持久内存、SSD硬盘、网卡、FPGA、ASIC、eASIC和AI加速芯片以及专为这些硬件优化的英特尔驱动、开发工具和API程序。

这一切，不只为了算的更快、存的更多，更为了这个伟大的数字时代。

回望145年前那块呈现出单向导电能力的方铅矿，咱们仍旧处在这场蝴蝶效应的中心，而且，还远未到达顶点。