1平方毫米如何集成上亿晶体管,晶圆达到1毫米制程会是什么结果

晶圆工艺制程达到1纳米会怎样？

在现在的材料下，晶圆的工艺制程的极限是5nm。我们知道，这个工艺越先进，晶体管就越小，相同面积的芯片就可能塞进更多的晶体管了，理论上能芯片的性能和功耗都会得到改善。但是，它也会有很多负面的作用，最主要的就是漏电流，随着沟道长度（就是制程）的缩小，这个漏电流就越严重，制程带来的好处基本上被这些负面作用抵消了，虽然像英特尔、IBM等采用了一些新的手段（如FinFet）去改善漏电流等问题，但它总是有个限度 的。

芯片里的单位纳米是什么意思？是否是越小越先进呢？

一说到芯片，我们就会说到纳米(nm)，比如华为海思的990 5G SoC芯片就是用7nm工艺制程生产的芯片。纳米（nm）是长度尺寸的单位，先不说先进不先进的事，尺寸越小，它的生产难度就会越大，这个大家没有异议吧？芯片由大规模数量的晶体管组成芯片也可以称为集成电路，我们把晶体管、电阻、电容等集成到晶片上就成为集成电路了。

大规模数量的晶体管集成在一起设计的电路，可以大大的提升性能，并且降低成本，尺寸更是可以大大的缩小。为什么我们平常见到的芯片（集成电路）好像很简单，只是引脚比较多？是因为芯片经过了封装，只把功能引脚引出来，这样才可保护芯片，避免受到损伤。芯片越小的确越先进芯片越小，难度就越高，那为什么我们要把芯片做得那么小呢？比如手机，大家是不是喜欢又轻又薄的？如果光手机的芯片就有手掌那么大，手机还没做得轻薄吗？所以芯片尺寸超小，电子产品设计的灵活性越高。

芯片越小，成本越低，晶圆是生产芯片的关键材料，晶圆的价格是相当昂贵的，尺寸越小，同一块晶圆上就可以切割出更多数量的芯片了。要提升芯片的性能，就需要更多CPU核心，也就需要集成更多晶体管，相同尺寸的芯片，要集成更多数量的晶体管，意味着单个晶体管的尺寸更小。晶体管之间的距离就更小的，它 们之间的电容就会减少，晶体管的开关频率就可以得到提升。

根据功率计算公式P=U x I =U x U / R，芯片的工作电压越高，它的功耗就越大，晶体管的尺寸变小后，导通电压也需要相应的减少，这样芯片的功耗就可以得到降低了。晶体管数量越多，工作频率越高，功耗越低，也就代表芯片越先进了！说是容易，但大家想想，纳米是什么概念？1纳米(nm)跟4个原子的大小差不多，1nm比细菌的长度还小得多，可想而知，要在晶片上做出7nm或者5nm宽度栅极的晶体管有多难了。

越先进的芯片，除了需要越先进的工生工艺和技术水平，还需要有先进的设备支持。ASML公司生产的极紫外光(EUV)光刻机就是必不可少的设备了，而紫外光(EUV)光刻机本身就是全球尖端科技的结晶。台积电目前已经突破5nm的工艺，将会在2020年实现量产，而中芯国际目前也只能量产14nm的芯片。所以最近大家担台积电断供会对华为造成影响就是这个原因了！欢迎关注@电子产品设计方案，一起享受分享与学习的乐趣！关注我，成为朋友，一起交流一起学习记得点赞和评论哦！非常感谢！。

芯片的研发尺寸到一纳米之后怎么办，是不是要另寻出路？

1nm工艺制程并不是芯片的极限今年3月份台积电与台湾国立交通大学的研究团队因为成功开发出了大面积晶圆尺寸的单层氮化硼（BN）而登上了《自然》杂志，厚度仅0.7nm。这也是台积电首次登上如此权威的期刊。随着晶体管的尺寸不断缩小，目前即将达到传统半导体材料的物理极限。厚度仅有原子层厚度的二维原子层半导体材料可以解决晶体管微缩瓶颈，它可以有效阻隔二维半导体不受临近材料干扰，可望借此进一步开发出2nm甚至是1nm的晶体干工艺制程。

晶体管的极限在于原子核大小观测单个原子，可以通过扫描隧道显微镜（STM），传统的光学显微镜肯定是无法直接分辨出单个原子的，因为原子的尺寸比可见光波长要短得多。扫描隧道显微镜不仅能够分辨出单个原子，甚至还能精确操纵单个原子。原子的直径一般在0.1至0.5纳米，如果把一个玻尔半径为0.05纳米的氢原子放大到2厘米的乒乓球大小，那么同比例放大的乒乓球会比地球还要大。

波尔半径是指在特定轨道上环绕原子核运动的电子所处的轨道能量最低的半径。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大。原子是目前盖房子的最小尺寸的砖块，晶体管的工艺制程理论上是可以做到原子直径大小，也就是0.1到0.5纳米。想要将尺寸做到比原子直径还小，那就基本没有可能了，这就已经超出了元素周期表的范畴了。

原子虽然不是最基本的粒子，但想要将它分解成需要其他的粒子需要很大的能量，而且其他粒子在常态下并不是稳定的存在。晶体管的尺寸能不能大批量做小还得问刻刀“光”目前ASML最顶尖的EUV极紫外光刻机采用的是波长13.5纳米的极紫外线，想要获得13.5纳米的“极紫外线”需要将高纯度的锡加热到融化，然后再喷射到真空中形成锡珠，再通过激光照射将锡珠变成粉饼状，再用高功率的二氧化碳去照射“粉饼”就可以释放出13.5纳米的极紫外线。

光透过光罩射到涂有光刻胶的晶圆上，被光罩上的电路图挡住找不到光的部分留下，而被光照到的空余部分的感光材料会被化学腐蚀反应分解出去，电路就会被刻在晶圆上了。有没有波长更短的光源？有。但各个厂家都清楚，波长越短，频率就越高，光的能量和频率成正比，和波长成反比。频率过高的话，传统的光刻胶就会被直接打穿,这也是为什么AMSL的光刻机会一家独大的原因之一，光源并不是这么好制备，制备好了怎么精准控制将图纸微缩复刻到晶圆上需要非常高的精度。

总结我们都知道百米赛跑目前的极限是9.58秒，越想靠近这个值难度系数就越大，何谈突破。半导体工艺发展到今天已经被很多物理学科、材料科学从各个方面制约着。就像百米赛跑很难突破9.58秒一样，越是接近原子核半径大小就越难再跨出一步。但9.58秒并不是百米赛跑的极限，同样1纳米也不会是芯片工艺制程的极限。以上个人浅见，欢迎批评指正。

未来会不会有3纳米1纳米的芯片啊？那1纳米之后是什么？