微處理器的開發(fā)是商業(yè)世界中最具風(fēng)險(xiǎn)、代價(jià)最為高昂、也是技術(shù)上最為復(fù)雜的壯舉。
英特爾位于俄勒岡州希爾斯伯勒市的微處理器工廠代號(hào)D1D，在進(jìn)入這個(gè)1700萬(wàn)平方英尺工 廠的凈室前，你需要仔細(xì)地洗手洗臉，最好再排空膀胱，因?yàn)閮羰依餂]有衛(wèi)生間，而且禁止使用化妝品、香水以及各種脂粉。書寫工具是允許使用的，但前提是無(wú) 菌。普通紙張因?yàn)榇嬖谖⑿☆w粒被絕對(duì)禁止使用，如果你要寫東西，需要使用一種叫“高性能文檔材料”的類紙產(chǎn)品。
這大概是世界上最干凈的地方
戴上發(fā)套后，下一站是更衣室，它位于外界和凈室之間的一個(gè)加壓房間內(nèi)。當(dāng)你走進(jìn)去的時(shí)候，占 用了四個(gè)半足球場(chǎng)面積的大型吹風(fēng)機(jī)會(huì)把你身上的雜物吹走——灰塵、棉塵、狗毛、細(xì)菌等。戴上內(nèi)層手套，然后穿上白色緊身衣和一個(gè)外科手術(shù)式的口罩，緊接著 是第二層手套以及一雙鞋套和安全眼鏡。這些嚴(yán)密的措施沒有一個(gè)是為了保護(hù)你的安全的，它們都是為了保護(hù)芯片，防止你傷害到它們。
凈室里的空氣應(yīng)該是你呼吸過(guò)最干凈的空氣。它能達(dá)到10級(jí)純度，意味著每立方英尺內(nèi)超過(guò) 0.5微米的顆粒不會(huì)超過(guò)10個(gè)，0.5微米大概是一個(gè)小的細(xì)菌的大小。在非常干凈的醫(yī)院里，或者在大約每立方英尺10000個(gè)細(xì)菌顆粒的環(huán)境中，都不用 擔(dān)心被感染的風(fēng)險(xiǎn)。在外面的世界里，這一數(shù)字大約為300萬(wàn)。
凈室?guī)缀跏羌澎o無(wú)聲的，除了“工具”(英特爾這樣稱呼它們)發(fā)出非常小的嗡嗡聲。這些工具看 起來(lái)像是巨型復(fù)印機(jī)，每一臺(tái)的成本高達(dá)5000萬(wàn)美元。它們固定在建筑框架上的鋼支架上，所以沒有震動(dòng)(無(wú)論是其他的工具還是你的腳步)能夠影響到芯片的 制造。當(dāng)然即便如此，進(jìn)去之后你也會(huì)放輕腳步。工具中有一些非常精準(zhǔn)，它們能夠?qū)崿F(xiàn)半納米距離的控制，這是兩個(gè)硅原子的寬度。
凈室的亮度也令人吃驚。幾十年來(lái)，英特爾凈室內(nèi)的照明被弄得像暗房一樣，沐浴在昏暗的深黃色 燈光中?，F(xiàn)在擔(dān)任英特爾首席制造科學(xué)家的Mark Bohr將自己整個(gè)38年的職業(yè)生涯都用在芯片制造上，這個(gè)小個(gè)子的男人表情嚴(yán)肅，“這種做法已經(jīng)過(guò)時(shí)了，” 他表示，“可沒有人有勇氣改變它。”
晶片是通過(guò)在拋光的12英寸晶元上蝕刻、切割而來(lái)的。這些晶片被密封保存在微波爐大小的密封 罐中，這些密封罐被稱為“foups”，由機(jī)器人負(fù)責(zé)搬運(yùn)。事實(shí)上有數(shù)百個(gè)機(jī)器人，這些機(jī)器人運(yùn)行在各自的軌道上，將晶片送往不同的工具處。密封罐內(nèi)的空 氣達(dá)到一級(jí)，這意味著空氣中可能完全不含顆粒物。這些晶片會(huì)定期地用純凈水進(jìn)行清洗，清洗使用的水非常純凈，這在自然界中是不存在的。不過(guò)如此純凈的水對(duì) 人來(lái)說(shuō)是致命的。如果你喝了很多這種純凈水，它將會(huì)把重要的礦物質(zhì)從你的細(xì)胞中帶走，并用這種方式殺死你。
在未來(lái)三個(gè)月里(三倍于波音公司制造一臺(tái)夢(mèng)幻客機(jī)(Dreamliner)的時(shí)間)，這些晶 片將會(huì)變成微處理器。它們將通過(guò)超過(guò)2000個(gè)步驟的光刻、刻蝕、材料應(yīng)用以及更多的蝕刻方式的加工。然后每一片晶片將被切入上百個(gè)左右的拇指大小的凹模 之中，每一個(gè)都將被陶瓷封裝。如果一切順利，在英特爾工作的10萬(wàn)名員工(或者差不多這么多的員工)將沒有一個(gè)人會(huì)觸摸過(guò)它們。這個(gè)奇跡般的機(jī)械化流程的 終點(diǎn)：英特爾至強(qiáng)E5 v4，該公司最新的服務(wù)器芯片以及互聯(lián)網(wǎng)引擎。
做芯片是一場(chǎng)豪賭
當(dāng)《彭博商業(yè)周刊》五月份參觀Hillsboro工廠的時(shí)候，我們獲得機(jī)會(huì)對(duì)這座工廠進(jìn)行了自2011年奧巴馬總統(tǒng)之后最全面的參觀?？紤]到開發(fā)和制造新的微處理器是商業(yè)世界中最具風(fēng)險(xiǎn)、代價(jià)最為高昂的豪賭，這種低調(diào)也是可以理解的。
Gartner表示，即使是簡(jiǎn)單地建設(shè)一個(gè)能夠生產(chǎn)諸如E5之類芯片的工廠至少就要花費(fèi)85 億美元，這還不包含研發(fā)費(fèi)用(超過(guò)20億美元)以及設(shè)計(jì)電路布局的費(fèi)用(超過(guò)3億美元)。即使是程度中等的“excursions”(這是英特爾對(duì)于把事 情搞砸了的委婉說(shuō)法)都可能會(huì)付出數(shù)億美元的代價(jià)。整個(gè)過(guò)程要花五年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。VMware首席執(zhí)行官Pat Gelsinger有著長(zhǎng)期在英特爾擔(dān)任公司高管的經(jīng)驗(yàn)，并曾擔(dān)任該公司的首席技術(shù)官，他表示，“如果你追求短期的滿足感，就不要去做芯片設(shè)計(jì)師。”他表 示，“很少有東西像它一樣。”
頂級(jí)E5大概是一張郵票大小，零售價(jià)為4115美元，能耗大約是大型惠而浦冰箱的60%。無(wú) 論何時(shí)，只要你使用谷歌搜索，使用Uber或者讓你的孩子在你的車?yán)锟碋pisode 3 of UnbreakableKimmy Schmidt，你都在使用它們。計(jì)算機(jī)科學(xué)的這些壯舉通常會(huì)被歸功于智能手機(jī)的興起，但是背后無(wú)數(shù)的工作其實(shí)是在數(shù)以千計(jì)的服務(wù)器上完成的。而幾乎所有 的服務(wù)器都使用了英特爾的芯片。
總部設(shè)在加利弗尼亞州圣克拉拉市的英特爾公司于1971年創(chuàng)造了第一個(gè)微處理器，并且在 Andy Grove的領(lǐng)導(dǎo)下，在上個(gè)世紀(jì)九十年代成了家喻戶曉的名字，該公司銷售的芯片裝配在絕大多數(shù)個(gè)人電腦上。但是個(gè)人電腦的銷售在過(guò)去五年里出現(xiàn)了下滑，隨 著智能手機(jī)的興起，英特爾遲遲未能針對(duì)這些設(shè)備開發(fā)出低功耗的芯片。該公司最近宣布裁減員工總數(shù)的11%，如同該公司的首席執(zhí)行官Brian Krzanich所說(shuō)，此舉是為了“重塑自己”。
最新的至強(qiáng)芯片利用了從上個(gè)世紀(jì)九十年代開始進(jìn)行的研究成果，當(dāng)時(shí)在俄勒岡州Bohr的團(tuán)隊(duì) 開始嘗試?yán)昧孔铀泶┬?yīng)，或者電子跳過(guò)很小的晶體管的趨勢(shì)，甚至是在關(guān)閉的情況下。這是英特爾一直進(jìn)行的物理戰(zhàn)爭(zhēng)的最前線。一旦硅晶體管縮小到了65納 米之下，就無(wú)法正常工作了，這是傳統(tǒng)智慧。Bohr的解決方案是將晶體管用鉿包裹，這是一種自然界中找不到的銀白色金屬，這一解決方案于2007年公開。 之后，從2011年開始，將晶體管打造成小型塔狀物，它被稱之為鰭形場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者簡(jiǎn)寫為FinFETs。“我們的首個(gè)FinFET不是狹長(zhǎng)筆直的， 它更像是個(gè)梯形。” Bohr語(yǔ)帶失望——梯形比矩形更占地方。他驕傲地指著最近用電子顯微鏡拍攝的照片表示，“這些更薄而且更直，”圖片上顯示了兩條直的黑色陰影看起來(lái)很神 秘地浮現(xiàn)在淺灰色的底色之上。照片看起來(lái)很像牙科的X光片，英特爾的員工稱之為“寶貝的照片。”
縮小晶體管的尺寸只是挑戰(zhàn)的一部分。另一個(gè)挑戰(zhàn)是管理大量的、更復(fù)雜的連線矩陣，縱橫交錯(cuò)的 連線將一個(gè)晶體管同另一個(gè)連接在一起。至強(qiáng)處理器配備了13層銅導(dǎo)線，有一些比單個(gè)的病毒還要細(xì)，是通過(guò)在玻璃上蝕刻出的細(xì)槽沉積金屬形成的。雖然晶體管 的體積越小效率越高，但是電線卻沒有這種特性。它們?cè)叫?，傳?dǎo)的電流越少。
負(fù)責(zé)至強(qiáng)E5布線的是Kevin Fischer，這位英特爾的中級(jí)工程師從2009年年初坐在自己位于俄勒岡州的實(shí)驗(yàn)室里開始就有一個(gè)簡(jiǎn)單的目標(biāo)：調(diào)整兩個(gè)最密集的布線層——被稱為 Metal 4和Metal 6之間的連接。45歲的、擁有美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分銷電氣工程博士學(xué)位的Fischer采用了英特爾的研究人員經(jīng)常使用的方式——翻查學(xué)術(shù)文獻(xiàn)。英特 爾已經(jīng)使用了銅，這是導(dǎo)電性最好的金屬之一，所以他決定把重點(diǎn)放在提高絕緣性或者介電材料上，它將使通過(guò)導(dǎo)線的電流流動(dòng)放緩。一個(gè)選擇是使用新的、更有彈 性的絕緣材料，以此減少阻力。但是Fischer建議干脆不要用玻璃。他好像對(duì)自己的優(yōu)雅方案感到震撼，他表示，“空氣是終極的電介質(zhì)。”這種做法奏效 了。Metal 4和Metal6之間的連接速度現(xiàn)在提高了10%。
芯片設(shè)計(jì)主要是一個(gè)布局的問(wèn)題。從英特爾PC部門退休了的工程師Mooly Eden表示，“這有點(diǎn)像設(shè)計(jì)一個(gè)城市。”但是用城市設(shè)計(jì)進(jìn)行類比還是降低了困難的程度。芯片設(shè)計(jì)師必須將相當(dāng)于全世界人口數(shù)量那么多的晶體管放在1平方 英寸的面積里——安排好一切，讓計(jì)算機(jī)能夠以每秒30億次的頻率使用每個(gè)獨(dú)立的晶體管。
芯片的構(gòu)造塊包括內(nèi)存控制器、高速緩存、輸入/輸出電路以及——最重要的部分——內(nèi)核。你在 上個(gè)世紀(jì)九十年代擁有的奔騰III芯片中，通過(guò)提高時(shí)鐘頻率——計(jì)算機(jī)每秒鐘內(nèi)能夠打開或關(guān)閉其晶體管的次數(shù)——通常能夠讓芯片更快。十年前，時(shí)鐘頻率最 高能夠達(dá)到4GHz，或者是每秒40億次脈沖。如果芯片切換的速度再快一些，硅晶體管就會(huì)過(guò)熱并出現(xiàn)故障。芯片行業(yè)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的答案是增加內(nèi)核，本質(zhì)上只 在芯片內(nèi)增加小的芯片，這些小的芯片能夠同時(shí)運(yùn)行，就像快艇上的多個(gè)舷外馬達(dá)。按照計(jì)劃新的E5有高達(dá)二十二個(gè)內(nèi)核，比之前的版本多了六個(gè)，它將在英特爾 設(shè)在以色列Haifa市的開發(fā)中心進(jìn)行設(shè)計(jì)。
讓芯片變得更快的另一種方法是增加只做一件事，但做的速度非?？斓碾娐?，也就是定制化。E5 中大約有25%的電路是專門用于(除了其他任務(wù)外)壓縮視頻和加密數(shù)據(jù)的。E5上還有其他的特殊電路，但是英特爾不能談?wù)撍鼈?，因?yàn)檫@些都是為了該公司最 大的客戶創(chuàng)造的，也就是所謂的Super 7：谷歌、亞馬遜、Facebook、微軟、百度、阿里巴巴和騰訊。這些公司采購(gòu)(通常自己組裝)配備了至強(qiáng)處理器的服務(wù)器，采購(gòu)的數(shù)量以數(shù)十萬(wàn)計(jì)。如果 你購(gòu)買戴爾或者惠普配備了至強(qiáng)處理器的服務(wù)器成品，里面的至強(qiáng)處理器將包含你無(wú)法使用的技術(shù)。Bryant表示，“我們將(云客戶)獨(dú)特的功能整合進(jìn)產(chǎn) 品，只要這種做法不會(huì)讓模具變得太大，成為其他所有人的成本負(fù)擔(dān)就行。” Bryant表示，“當(dāng)我們將它發(fā)貨給客戶A的時(shí)候，他將會(huì)看到它?？蛻鬊將完全看不到這些功能。”
英特爾的架構(gòu)師(最高級(jí)的設(shè)計(jì)師)花了一年的時(shí)間，同客戶以及俄勒岡州的研究人員密切配合制 定規(guī)范，這份幾千頁(yè)的文檔非常詳盡地描述了這款芯片的功能。將這些規(guī)范轉(zhuǎn)換成包含基本邏輯指令——例如AND、OR和NOT的軟件代碼，然后再將其轉(zhuǎn)換成 單個(gè)電路的示意圖還需要再花一年半的時(shí)間。最后就到了這個(gè)流程中最后也是勞動(dòng)最密集的一個(gè)環(huán)節(jié)——光掩膜(mask)設(shè)計(jì)，這個(gè)環(huán)節(jié)涉及到如何將電路放入 物理布局之中。布局最終轉(zhuǎn)化到光掩模之上，這是用來(lái)在硅晶片上蝕刻圖案的模板，最終蝕刻好的晶片將被生產(chǎn)成為芯片。對(duì)于E5來(lái)說(shuō)，光掩模設(shè)計(jì)師們工作在印 度的班加羅爾和科羅拉多州的科林斯堡，他們使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序繪制多邊形來(lái)表示每個(gè)晶體管，或者從某種數(shù)字圖書館里復(fù)制之前設(shè)計(jì)的電路。英特爾的資深 光掩模設(shè)計(jì)師Corrina Mellinger表示，“你必須具備用三維模式想象你的工作。”
和英特爾公司里絕大部分技術(shù)工作不同，光掩模設(shè)計(jì)并不需要工程方面的高級(jí)學(xué)位。這項(xiàng)工作更像 是一門手藝。Mellinger在1989年作為行政助理加入英特爾之后，只在社區(qū)大學(xué)參加過(guò)一門芯片布局的課程。光掩模設(shè)計(jì)最后幾周的工作總是最繁重 的，設(shè)計(jì)師需要不斷地調(diào)整他們的工作以適應(yīng)對(duì)布局的各種最后一分鐘添加的東西。英特爾的副總裁兼Fort Collins 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)理Patricia Kummrow表示，“它從來(lái)不是一蹴而就的。”最好的光掩模設(shè)計(jì)師看著多邊形，立刻就看出如何通過(guò)重新布局不同層上的電路縮減設(shè)計(jì)。Mellinger 表示，“這就好像你已經(jīng)完成了拼圖，現(xiàn)在你走過(guò)來(lái)告訴我還需要增加10小塊拼圖。” Mellinger表示，“我可能會(huì)說(shuō)，‘好吧，讓我看看我能施展什么魔法吧。’
他們一群理性主義者
邏輯是他們每天要做的工作。但是如果你和他們談?wù)撍麄兊墓ぷ?，他們就更傾向于使用更有神秘色彩的語(yǔ)言。他們經(jīng)常會(huì)用到“魔法”這個(gè)詞。
前首席技術(shù)官Gelsinger表示他在1979年進(jìn)入英特爾的幾個(gè)月之后找到了上帝。他在 談到半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和信仰的時(shí)候表示，“我一直覺得它們?cè)谑譅渴值厍斑M(jìn)。”英特爾的產(chǎn)品經(jīng)理Maria Lines在談到過(guò)去幾年的職業(yè)生涯時(shí)情緒激動(dòng)。她表示，“我參與的幾代之前的產(chǎn)品有大約20億個(gè)晶體管，我現(xiàn)在參與的項(xiàng)目有100億個(gè)晶體管。”她表 示，“這真的太令人震驚了，令人難以置信。”
芯片誕生的時(shí)刻被稱為“first silicon”(第一次生產(chǎn)成功的產(chǎn)品)。對(duì)于E5來(lái)說(shuō)，first silicon出現(xiàn)在2014年。班加羅爾的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)送了一個(gè)大約7.5GB的文件，其中包含了英特爾在圣克拉拉的光掩模車間的全部設(shè)計(jì)。6x6英寸大 小的石英板制成的光掩模上有著略微放大版本的晶體管布局，這將被印到每一塊芯片上，然后在下一周將被運(yùn)送到英特爾位于鳳凰城附近的工廠——它是俄勒岡州工 廠的翻版，然后機(jī)器就開始了它們緩慢而精確的工作。
在所有夜以繼日的趕工之后，設(shè)計(jì)師們將2015年的絕大部分時(shí)間都花在了等待新原型測(cè)試之 上。每一次修改都要花上三個(gè)月左右的時(shí)間。英特爾副總裁兼數(shù)據(jù)中心工程集團(tuán)總經(jīng)理Stephen Smith表示，“這很乏味。”正是電路所有這些錯(cuò)綜復(fù)雜的特性，才讓芯片開發(fā)成為商業(yè)世界中風(fēng)險(xiǎn)最大的豪賭。如果當(dāng)你在完成“first silicon”之前經(jīng)歷了幾次“excursions”，進(jìn)度就會(huì)大大延遲，而且會(huì)損失收入。隨著晶體管越來(lái)越小，風(fēng)險(xiǎn)也在變得越來(lái)越高。 Krzanich表示，現(xiàn)在量產(chǎn)一款芯片的時(shí)間是十年前的兩倍。他表示，“打造更小的東西是一個(gè)物理的問(wèn)題，總是有辦法能夠解決。”他表示，“關(guān)鍵在于你 是否能夠以一半的成本做到這一點(diǎn)?”
制造流程的最后一步完成于馬來(lái)西亞、中國(guó)和越南的裝配廠。在那里，金剛石鋸片將成品晶片切成 正方形，然后打包并進(jìn)行測(cè)試。在2015年秋天，英特爾生產(chǎn)了超過(guò)10萬(wàn)個(gè)芯片，免費(fèi)贈(zèng)送給Super 7以及其他的大客戶。對(duì)每個(gè)芯片攜帶的軟件都進(jìn)行了最后一分鐘的調(diào)整，英特爾花了六周左右的時(shí)間進(jìn)行最后的測(cè)試。
新的E5的完整制造流程到今年早些時(shí)候才開始，由亞利桑那州的工廠以及另一個(gè)位于愛爾蘭Leixlip的工廠進(jìn)行生產(chǎn)。在未來(lái)十二個(gè)月里，英特爾將銷售數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的E5微處理器。
如果幸運(yùn)的話，客戶可能永遠(yuǎn)也看不到這些芯片，更不要說(shuō)去考慮它們是如何被制造出來(lái)的了。但 是如果你打開一臺(tái)新的服務(wù)器，你最終會(huì)發(fā)現(xiàn)芯片，摸起來(lái)很燙，封裝在陶瓷包裝之內(nèi)，包裝上印著英特爾的藍(lán)色標(biāo)志。如果你打開這些芯片，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有13 層互相連接的金屬板，用肉眼觀察的話，你只能看到這些金屬板。下面的很多層是硅，泛著藍(lán)色、橙色以及紫色的光——一個(gè)小小的、擁擠的電路迷宮，以某種方式 讓我們的整個(gè)世界運(yùn)轉(zhuǎn)。你可能會(huì)覺得，它很漂亮。
英特爾首席制造研究員Bohr有時(shí)候也會(huì)這樣認(rèn)為。但是作為一位科學(xué)家，他明白他看到的并不 是真正的色彩——它們只是光，是他和他的同事在硅基上設(shè)計(jì)的造物反射和折射的結(jié)果。單個(gè)的晶體管比任何光的波長(zhǎng)都要小。他表示，“在這么小的尺寸級(jí)別上， 顏色是沒有意義的。”隨后他道歉后匆匆離去。
他要參加討論英特爾5納米芯片的會(huì)議，已經(jīng)遲到了，那是現(xiàn)在的E5之后兩代的產(chǎn)品。5納米被 芯片制造領(lǐng)域的很多人認(rèn)為是一個(gè)臨界點(diǎn)，在此之后，就不可能進(jìn)一步縮小了，摩爾定律也將最終失效。英特爾希望使用一種被稱為極紫外線的新技術(shù)幫助該公司到 達(dá)這個(gè)點(diǎn)，而這種技術(shù)目前還沒有被業(yè)界有效利用。在5納米之下將采用新的材料——有些人認(rèn)為碳納米管將取代硅晶體管——或者是全新的技術(shù)，例如神經(jīng)計(jì)算 (模仿人類大腦設(shè)計(jì)的電路)和量子計(jì)算(單個(gè)原子顆粒替代晶體管)。
Bohr表示，“我們可以減少選項(xiàng)——大量狂野又瘋狂的想法。” Bohr表示，“其中一些想法完全沒有用。”但是，他非?？隙ǖ匮a(bǔ)充表示，會(huì)有一兩個(gè)想法是有用的。
