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谈谈原子芯片

发布日期:2022-01-07 浏览次数:2080 作者:网络
 
原子是所有物质的基本组成部分。它们包含一个带正电的原子核,它们的外部界限由电子云定义。它们是电中性的。分子中电子的数量决定了它的化学特性。所有这些都被人类研究和利用了很长时间。

然而,我们刚刚发现了一种全新的与原子交谈的方法,从而在 1997 年、2001 年、2005 年和 2012 年获得了四项诺贝尔奖。原子芯片是这个新词典中的章节之一,它将人类语言翻译成原子语言. 这次航行可能会带来对量子理论基础以及一系列技术应用的新见解。

如果没有小型化,当今的许多电气技术将是不可想象的。原子芯片的核心概念是利用固态装置产生光、磁场和电场,这些场可用于在极高真空下捕获、控制和检测漂浮在装置外几毫米处的原子。

因此,我们将类似的技术应用于当今的半导体芯片;然而,我们的方法是基于悬挂在固体装置外部的原子,而不是在其中流动的电子(因此容易缺乏隔离)。

瞄准原子:制造更小芯片的科学

 

在处理器领域,没有任何事情是瞬间发生的,如果没有电能供应,也不会发生任何事情。较大的组件需要更长的时间来改变状态,信号需要相对更多的时间,并且在 CPU 周围移动电力需要更多的能量。在不尝试钝化的情况下,更大的组件会占用更多的物理空间,从而导致更大的芯片。

工艺节点是微芯片行业用来描述尺寸的术语。虽然工艺节点的减少只是更现代设计的物理尺寸更小和晶体管数量增加的部分原因,但这是一个主要的原因。更小的工艺节点的优势包括具有更多晶体管的更小器件,这些晶体管可以更快地移动,使我们能够每秒进行更多计算并减少作为热量浪费的能量。

有一种称为光刻的方法,其中光通过光掩模发送,它限制某些部分的光,同时允许它在其他部分流过。然后,光线紧紧地集中在它穿过的一个微小区域上,并与芯片生产中使用的特定层相互作用,协助不同部分的布局。 

由于波具有如此广泛的波长,我们将它们分组并称为光谱。光只是光谱的一小部分。为了定义如此微小的长度,科学家和研究人员更喜欢使用一种略有不同的度量,称为纳米,或简称“nm”。如果我们查看光谱,我们可以说光的范围从 380 nm 到 750 nm。

UV 从大约 380 nm(光结束的地方)开始,然后在光谱图上下降到大约 10 nm。英特尔、台积电和 Global Foundries 等制造商采用一种称为 EUV(极端紫外线)的电磁辐射形式,其波长约为 190 nm。

这使众多组件能够更紧密地组装在一起,从而减小了芯片的总尺寸。台积电一直在低节点(7nm、5nm 和不久的 3nm)上努力工作,为苹果、联发科、高通、英伟达和 AMD 等生产处理器。在这种制造规模下,一些最小的特征只有 6 纳米宽(不过,大多数特征都比这大得多)。硅原子本身的直径非常接近 0.1 nm,让您了解 6 nm 是多么微小。

瞄准原子很困难

 

除了芯片制造商正在努力实现只有几个原子宽的特性之外,EUV 光刻技术还带来了一系列技术和制造挑战。电磁波传递的能量越高,对正在制造的芯片造成损害的危险就越大;尤其是小规模制造也特别容易受到掺假和材料缺陷的影响。

其他考虑因素,包括衍射限制和随机噪声(EUV 波能量沉积在芯片层中的自然波动),与产生完美半导体的目标背道而驰。

未来展望

 

如果这一切看起来有点悲观,请记住,不久的将来似乎是光明的。从数量和收入来看,三星和台积电的7nm生产线已经盈利一段时间,芯片设计者也计划在他们的产品中使用多个节点。

这是否意味着 Intel 的 5 nm将在 2025 年面世?是的,尽管 10 nm 是他们的绊脚石,但他们最有可能在返回的路上取得进展。三星和台积电一直在推进 5 纳米及以上的制造,因此 CPU 的未来似乎一片光明。

未来的芯片将更小、更快,使用更少的能源,同时提供更高的性能。它们将为完全无人驾驶的汽车、具有当今智能手机功率和电池容量的可穿戴设备以及可与十年前价值数十亿美元的大片相媲美的游戏视觉效果铺平道路。因为未来渺茫,未来辉煌。

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