英特尔是如何制造芯片的 - 彭博社

在进入英特尔位于俄勒冈州希尔斯伯勒的1700万立方英尺微处理器工厂D1D的洁净室之前，仔细洗手和洗脸是个好主意。你可能还应该排空膀胱。洁净室内没有卫生间。化妆品、香水和化妆品是禁止的。书写工具是允许的，只要它们是特殊的无菌笔；纸张因释放微小颗粒而被绝对禁止。如果你想在某物上写字，你必须使用行业内称为“高性能文档材料”的产品，这是一种不释放纤维的类似纸张的产品。

彭博社商业周刊《狗人》电影来拯救儿童书籍业务私募股权潮人正在争夺你最喜欢的应用程序梅格·惠特曼在非洲的使命：美国科技胜过中国没有被监禁者。寻求庇护者占据了拜登承诺关闭的监狱在你戴上发网后，你的下一个站点是更衣站，位于一个位于外部世界和洁净室之间的加压房间内。当你走进去时，一阵强风袭来，这是一个占地相当于四个半足球场的清洁系统发出的，吹走了杂物——灰尘、绒毛、狗毛、细菌。你先戴上预更衣手套，然后穿上带帽的白色连体衣和外科风格的口罩，接着再戴上一双手套、一双鞋套和安全眼镜。这些措施并不是为了你的安全；它们是为了保护芯片不受你的影响。

洁净室中的空气是你呼吸过的最纯净的空气。它的纯度为10级，这意味着每立方英尺的空气中不能有超过10个大于半微米的颗粒，这大约是小细菌的大小。在一个异常干净的医院手术室中，可能有多达10,000个细菌大小的颗粒，而不会造成任何特殊的感染风险。在外部世界中，大约有300万个。

洁净室几乎是无声的，只有“工具”的低嗡嗡声，正如英特尔所称，它们看起来像巨大的复印机，每台的成本高达5000万美元。它们坐落在与建筑框架连接的钢制底座上，因此来自其他工具或你的脚步的振动不会影响芯片。即便如此，你也要轻声走动。这些工具中的一些精确到可以控制到半纳米的范围，相当于两个硅原子的宽度。

这里的光线也出乎意料地昏暗。几十年来，英特尔的洁净室像暗室一样被照明，浸泡在深沉的低黄色中。“这是一种时代错位，”马克·博尔说，他是一个小个子、严肃的人，已经在芯片制造领域工作了38年，现在是英特尔的首席制造科学家。“没有人有勇气去改变它。”

芯片是通过在抛光的12英寸硅圆片上创建微小图案来制造的，部分过程称为光刻，并在其上沉积超薄材料层。这些晶圆被保存在密封的、微波炉大小的容器中，称为“foup”，由机器人携带——实际上是数百个机器人——在头顶的轨道上运行，将晶圆送到各种工具。foup内部的空气为1级，这意味着它可能根本不含颗粒。晶圆定期使用一种在自然界中找不到的纯水进行清洗。它是如此纯净，以至于是致命的。如果你喝了足够多，它会从你的细胞中提取必需的矿物质并杀死你。

在接下来的三个月里——这是波音制造单个梦幻客机所需时间的三倍——这些晶圆将被转化为微处理器。它们将经历超过2000个步骤的光刻、蚀刻、材料应用以及更多的蚀刻。每个晶圆随后将被切割成大约一百个缩略图大小的“芯片”，每个芯片将被封装在陶瓷外壳中。如果一切正常，约10万名在英特尔工作的员工将永远不会接触到它们。这一机械奇迹的终点：英特尔至新的服务器芯片Xeon E5 v4，以及互联网的引擎。

“如果你需要短期满足，不要成为芯片设计师”

英特尔很少谈论它是如何创造新芯片的。当 彭博商业周刊在5月访问希尔斯伯勒的工厂时，我们得到了自2011年奥巴马总统访问以来最全面的工厂参观。考虑到新微处理器的开发和制造是商业中最大、风险最高的赌注之一，这种谨慎是可以理解的。根据Gartner的说法，单单建造一个能够生产E5芯片的工厂就至少需要85亿美元，这还不包括研发成本（超过20亿美元）或电路布局设计的成本（超过3亿美元）。即使是适度的“偏差”——英特尔对失误的委婉说法——也可能增加数亿美元的费用。整个过程可能需要五年或更长时间。“如果你需要短期满足，不要成为芯片设计师，”VMware首席执行官、长期英特尔高管的帕特·基尔辛格说，他最近担任公司的首席技术官。“这样的事情非常少见。”

一款顶级的E5大小如邮票，零售价格为4,115美元，每年使用的能源比大型惠而浦冰箱多约60%。每当你搜索谷歌、叫Uber，或让孩子在车里观看《不可破坏的金米·施密特》第三集时，你都会使用它们。这些计算机科学的壮举常常归因于智能手机的崛起，但实际上是在数千台服务器上完成的。而几乎所有这些服务器都运行在英特尔芯片上。

英特尔总部位于加利福尼亚州圣克拉拉，1971年创造了第一款微处理器，在安迪·格罗夫的领导下，于1990年代成为家喻户晓的名字，销售运行大多数个人计算机的芯片。但随着智能手机的崛起，个人电脑的销售在过去五年中下降，英特尔在开发适合这些设备的低功耗芯片方面进展缓慢。公司最近宣布裁员11%，正如首席执行官布莱恩·克拉扎尼奇所说，以“重塑自己”。

根据研究公司IDC的数据，英特尔仍然是全球最大的芯片制造商，销售99%的服务器芯片。去年，其数据中心部门的收入约为160亿美元，几乎一半是利润。这种主导地位是竞争对手失败的结果，以及英特尔愿意不惜一切代价确保每年对其产品进行大幅、可预测的改进。“我们的客户期望在去年支付的相同价格下获得20%的性能提升，”英特尔执行副总裁兼数据中心业务总经理黛安·布莱恩特说。“这就是我们的口号。”

在个人电脑和手机中，这种策略有其局限性：消费者在某个程度上并不太关心速度和效率。但在服务器中，像亚马逊和微软这样的公司运营的数据中心竞争着处理Netflix和Uber等公司的数据，性能至关重要。运行和冷却服务器所需的电力是平均服务器农场中最大的开支。如果英特尔能够在相同的电力下提供更多的计算能力，数据中心的拥有者将会一次又一次地升级。

在这个“如果”上有很多风险。每年，英特尔的高管基本上都在押注公司，认为他们可以不断推动电路、电子和硅原子的极限，花费数十亿资金，直到他们开始盈利。最终，芯片将像白炽灯泡、客机以及几乎所有其他发明一样随着时间的推移而老化；改进的速度将显著放缓。“会有一个时刻，硅技术会变成那样，但在接下来的几十年里不会，”克赞尼奇自信地说。“我们的工作就是将那个时刻推迟到最后一刻。”

**微处理器无处不在。它们在你的电视、汽车、**Wi-Fi路由器中，如果它们足够新，还在你的冰箱和恒温器中。互联网连接的灯泡和一些跑鞋中也有芯片。即使你不这样认为，这些设备在某种意义上是计算机，这意味着它们是由晶体管构成的。

晶体管是一个开关。但它不需要手指来打开或关闭，而是使用小的电脉冲——在强大的计算机中每秒3亿个。你可以用开关做什么？好吧，你可以用它来存储一个比特的信息。开或关，是或否，0或1——这些都是可以通过一个比特传达的数据示例，信不信由你，这是一个技术术语。（一个字节有8个比特，一个千兆字节有80亿个比特。）最早的计算机在穿孔卡片中存储比特——有孔还是没有孔？——但这很有限，因为如果你想做一些酷的事情，你需要很多比特。例如，如果你想让你的计算机存储“天哪，这些东西太复杂了”这句话，它需要为每个字母存储8个比特，或者240个晶体管。你还可以用开关做数学。将七个开关以正确的顺序串联在一起，你可以加两个小数字；将29000个串联在一起，你就得到了1981年驱动原始IBM PC的芯片；在E5上打包72亿个，你可以预测全球天气模式、测序人类基因组，并识别海底的石油和天然气储藏。

每三年左右，英特尔会将其晶体管的尺寸缩小约30%。它从2009年的32纳米生产，发展到2011年的22纳米，再到2014年底的14纳米，这是当时的尖端技术。每一次向更小开关的跃进意味着芯片设计师可以在相同的面积内塞入大约两倍的晶体管。这一现象被称为摩尔定律，半个世纪以来，它确保了你在三年后购买的芯片至少会比今天购买的芯片好两倍。

最新的Xeon芯片利用了始于1990年代的研究，当时博尔的团队在俄勒冈州开始尝试解决量子隧穿问题，即电子即使在关闭时也会跳过非常小的晶体管的倾向。这是英特尔与物理学持续斗争的最新前线。传统观点认为，一旦硅晶体管缩小到65纳米以下，它们就会停止正常工作。博尔在2007年提出的解决方案是用铪这种自然界不存在的银色金属涂覆晶体管的部分，然后从2011年开始，将晶体管构建成称为鳍形场效应晶体管（FinFETs）的小塔。“我们的第一个FinFET，不是狭窄而直的，而是更像一个梯形，”博尔带着一丝失望说——梯形鳍比矩形鳍占用更多空间。“这些更薄更直，”他自豪地说，指着一张最近用电子显微镜拍摄的照片，照片中显示两个笔直的黑色阴影神秘地 resting 在灰色的底座上。这些图像看起来像牙科X光片。英特尔的人称它们为“婴儿照片”。

缩小晶体管只是挑战的一部分。另一个挑战是管理越来越复杂的互连阵列，这些交错的细丝将晶体管彼此连接。Xeon 具有 13 层铜线，有些比单个病毒还要细，是通过在绝缘玻璃上蚀刻微小的线条，然后在槽中沉积金属制成的。虽然晶体管在缩小的过程中往往变得更高效，但较小的导线本质上并不会。它们越小，携带的电流就越少。

负责 Xeon E5 布线的男人是凯文·费舍尔（Kevin Fischer），一位中层英特尔工程师，他在 2009 年初坐在俄勒冈州的实验室里，目标很简单：修复两层密集布线的导电性，这两层被称为金属 4 和金属 6。45 岁的费舍尔拥有威斯康星大学麦迪逊分校的电气工程博士学位，他的研究方式与英特尔研究人员通常的做法相同，先查阅学术文献。英特尔已经使用铜这种导电性最强的金属，因此他决定专注于改善绝缘体或介电材料，这些材料往往会减缓电流在导线中的流动。一种选择是使用新的绝缘体，这些绝缘体更具弹性，从而产生更少的阻力。但费舍尔建议完全用空气替代玻璃。“空气是终极介电体，”他说，仿佛被自己解决方案的优雅所震惊。这个想法奏效了。金属层 4 和 6 现在的传输速度提高了 10%。

“就像你完成了一幅拼图，现在你来告诉我我需要再加 10 块”

芯片设计主要是一个布局问题。“这有点像设计一个城市，”退休的英特尔工程师穆利·伊登（Mooly Eden）说，他曾负责公司的 PC 部门。但城市规划的类比可能低估了难度。芯片设计师必须以某种方式将相当于世界人口的数量放入 1 平方英寸的空间，并以这样的方式安排一切，使计算机每秒能够访问每个晶体管 30 亿次。

芯片的构建模块包括内存控制器、缓存、输入/输出电路，以及最重要的核心。在你在1990年代末拥有的Pentium III芯片上，核心和芯片基本上是一回事，芯片通常通过提高时钟频率来变得更好——即计算机每秒可以开关其晶体管的次数。十年前，时钟频率的最高值约为4千兆赫兹，或每秒40亿次脉冲。如果芯片的循环速度再快，硅晶体管就会过热并发生故障。芯片行业的解决方案是开始增加核心，基本上是在芯片内的小芯片，可以同时运行，就像快艇上的多个外部马达。新E5的计划要求最多有22个核心，比之前的版本多出六个，这将由英特尔在以色列海法的开发中心设计。

使芯片更快的另一种方法是添加只做一件事但做得非常快的特殊电路。大约25%的E5电路专门用于压缩视频和加密数据等任务。E5上还有其他特殊电路，但英特尔无法谈论这些，因为它们是为其最大的客户，即所谓的超级七大巨头： 谷歌、亚马逊、Facebook、微软、百度、阿里巴巴和腾讯。这些公司购买——并且通常为自己组装——数十万台Xeon服务器。如果你从戴尔或惠普购买一台现成的Xeon服务器，内部的Xeon将包含对你来说是禁区的技术。“只要它不会使芯片变得太大，以至于对其他人造成成本负担，我们就会将[云客户的]独特功能集成到产品中，”布莱恩特说。“当我们将其发货给客户A时，他会看到。客户B则不知道这个功能的存在。”

英特尔的架构师——这些高级设计师与客户以及俄勒冈州的研究人员密切合作——需要一年时间来制作规格说明书，这是一份几千页的文档，详细解释了芯片的功能。将规格说明书翻译成一种由基本逻辑指令（如 AND、OR 和 NOT）组成的软件代码，再将其转换为显示各个电路的原理图，需额外花费一年半的时间。这个过程的最后一步，也是最耗费人力的部分，掩模设计，涉及到如何将电路压缩到物理布局中。布局最终会转移到掩模上，这些掩模是用于在硅晶圆上烧录微小图案并最终制造芯片的模板。对于 E5，位于印度班加罗尔和科罗拉多州福特柯林斯的掩模设计师使用计算机辅助设计程序绘制多边形以表示每个晶体管，或者从某种数字库中复制先前绘制的电路设计。“你必须具备在 3D 中可视化你正在工作的内容的能力，”资深英特尔掩模设计师科琳娜·梅林格说。

与英特尔的大多数技术职位不同，掩模设计并不需要工程学的高级学位。这项工作作为一种技术进行学习；梅林格在 1989 年作为行政助理加入英特尔后，在社区大学上了一门关于芯片布局的课程。掩模设计的最后几周总是最紧张的，因为设计师们不断更新他们的工作，以适应布局的最后时刻的添加。“一开始总是无法适配，”英特尔副总裁、福特柯林斯设计团队经理帕特里夏·库姆罗说。最优秀的掩模设计师可以看着多边形，瞬间看到如何通过将电路重新路由到不同的层来缩小设计。“就像你完成了一幅拼图，现在你来告诉我我需要再加 10 块，”梅林格说。“我就像，‘好的，让我看看我能施展什么魔法。’”

“我今天使用的产品有100亿个晶体管。这真是令人震惊。太不可思议了。”

英特尔的芯片设计师是坚定的理性主义者。逻辑是他们每天所做的事情。但如果你让他们谈论自己的工作，他们往往会使用接近神秘的语言。他们经常使用“魔法”这个词。

前首席技术官Gelsinger说，他在1979年开始在英特尔工作几个月后找到了上帝。“我一直认为它们是密切相关的，”他说，指的是半导体设计和信仰。英特尔产品经理Maria Lines在回顾自己过去几年的职业生涯时变得情绪激动。“我几代之前参与的产品大约有20亿个晶体管，而我今天参与的产品有100亿个晶体管，”她说。“这真是令人震惊。太不可思议了。几乎就像生孩子一样神奇。”

芯片的诞生时刻被称为首次硅。对于E5来说，首次硅发生在2014年。班加罗尔的一个团队将包含完整设计的7.5GB文件发送到英特尔位于圣克拉拉的掩模工厂。掩模是6x6英寸的石英板，上面印有稍微放大的晶体管版本，随后在下周运送到英特尔位于凤凰城附近的工厂，该工厂是俄勒冈设施的精确复制品，机器开始了缓慢而精确的工作。

摄影师：Justin Fantl经过全天候的忙碌，设计师们在2015年大部分时间都在等待新的原型进行测试。每个“rev”或修订大约需要三个月的时间。“这很繁琐，”英特尔副总裁兼数据中心工程组总经理Stephen Smith说。尽管电路复杂，但这使得微芯片开发成为商业中风险最高的赌注之一。如果在首次硅之前有超过几次的偏差，将会导致长时间的延误和收入损失。随着每一代晶体管越来越小，风险也越来越高。Krzanich指出，今天制造一个芯片所需的时间是10年前的两倍。“制造更小的东西是物理学的问题，总是有解决办法，”他说。“关键是，你能以一半的成本交付那个部件吗？”

制造过程的最后一步发生在马来西亚、中国和越南的组装厂。在那里，钻石锯将成品晶圆切割成方块，然后进行包装和测试。在2015年秋季，英特尔向超级七和其他大客户免费发货了超过100,000个芯片。对每个芯片随附的软件进行了最后的调整，英特尔花了大约六周时间进行最终测试。新E5的全面生产直到今年早些时候才在亚利桑那州和爱尔兰莱克斯利普的另一家相同的工厂开始。在接下来的12个月里，英特尔将销售数百万个芯片。

如果客户幸运，他们可能永远不会看到这些芯片，更不用说考虑它们是如何制造的。但如果你打开一台新服务器，你最终会发现一个健康的芯片，触感温热，封装在带有蓝色英特尔标志的陶瓷包装中。如果你查看机壳内部，你会发现13层互连，这在肉眼看来不过是一块无光泽的金属板。许多层下面是硅，闪烁着蓝色、橙色和紫色——一个微小而繁忙的电路迷宫，某种程度上使我们的整个世界运作。你可能会觉得这很美。

英特尔的首席制造研究员博尔，有时也会这样想。但作为一名科学家，他明白他所看到的并不是真正的颜色——它们只是光，被他和同事们印在硅上的设计反射和折射。单个晶体管本身比任何光波都要小。“当你得到如此小的尺寸时，颜色就没有意义，”他说，然后便告辞。

他迟到了，正在参加一个讨论英特尔5纳米芯片的会议，这比当前的E5要先进两个世代。许多芯片行业的人认为，5纳米是一个临界点，之后将无法进一步缩小，摩尔定律将最终失效。英特尔希望使用一种叫做极紫外光的技术，这是一种行业尚未有效利用的新技术，来帮助实现这一目标。在5纳米之后，将会有新材料——一些人认为碳纳米管将取代硅晶体管——以及可能完全新颖的技术，例如类脑计算（设计模仿人脑的电路）和量子计算（用单个原子粒子代替晶体管）。

“我们正在缩小选择范围——很多疯狂的想法，”博尔说。“其中一些根本行不通。”但他毫不怀疑地补充道，一两个想法会成功。

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