一個視頻瞭解台積電

你一定常常聽到 臺積電做出了兩奈米 甚至開始拼一奈米 可是這個幾奈米到底是在量什麼 我們先來感受一下奈米有多小 一根頭髮的直徑大約是十萬奈米 也就是說所謂的兩奈米 比你一根頭髮還要再細上幾萬倍 小到我們根本看不到 那這麼小的尺寸 究竟被用在什麼地方呢 其實就在晶片裡 手機電腦裡的CPU核心 就是一顆指甲大小的晶片 而在這顆晶片裡 排列著一種叫做電晶體的元件 它的數量不是幾千幾萬 而是高達幾百億個 這幾百億個電晶體 就決定了一整顆晶片的能耐 電晶體裝得越多 這顆晶片就能處理越複雜的運算 也就越聰明越強大 好的 那這個電晶體 到底在做什麼的呢 電晶體說穿了 就是一個電子開關 它只做一件事 控制電流通跟不通 通就是1 不通就是0 我們的電腦 就是靠著幾百億個開關 不斷地開開關關 纔算得出所有的東西 那這個開關 是怎麼開的 怎麼關的 這就要講到FET 也就是場效電晶體 場效這兩個字 顧名思義 就是利用電場來控制的意思 這是什麼意思呢 我們把一個FET 當成一根水管 水想從水管的這一頭 流到另一頭 這兩頭我們就叫做 原集跟集集 也就是電流流進來的地方 跟電流流出去的地方 而在水管的中間 有一道閘門 這道閘門打不打開 就決定了水到底流不流得過去 控制這道閘門的旋鈕 我們就叫做閘集 可是這裡有一個很巧妙的地方 這個閘集 它並不會去真的碰到裡面的水 它是懸在上面的 隔著一層東西 靠著電場 隔空把閘門打開 還記得我們之前說過的電壓嗎 當我們在閘集加上電壓 它就會產生一個電場 這個電場會把下面通道裡的電子 吸過來 原本走不通的路 就被打通了 這就是開 而當我們把電壓拿掉 電場消失 通道關起來 電流就過不去了 這就是關 我們從頭到尾 都沒有真的去碰那些電流 只是用電場隔空控制 這就是場效這個名字的由來 因為閘集幾乎不耗電 我們才能在一顆晶片裡 塞下幾百億個這樣的開關 而它還不會整個燒起來 可是你可能會想 通道裡那些被吸過來的電子 到底是哪來的 這就要講到晶片的主要材料 矽 矽這種東西很特別 它不像銅那樣很會導電 也不像塑膠那樣完全不導電 而是卡在中間 我們叫它半導體 純的矽 其實導電能力很差 於是工程師想了一個聰明的方法 故意在乾乾淨淨的矽裡面 摻進一點點別的元素 這個動作就叫做摻雜 摻進去的雜質 有的會多出一些 可以自由跑的電子 有的會多出一些缺口 這樣一來這塊半導體 就有了可以被電場指揮的電子 通道也纔有水可以流 那這個閘集 為什麼可以隔空控制 卻不會漏電呢 其實就在中間那層隔開的東西 這個FET 最常見的一種叫做MOSFET 中文是金屬氧化物半導體長效電晶體 名字很長 可是它其實是在描述 這個閘門的三層結構 最上面是金屬的閘集 最下面是半導體的通道 而中間夾著一層薄薄的氧化物 這層氧化物是不導電的 我們在講電容的時候說過 兩片金屬板中間夾一層 不導電的介電汁 電荷就會隔著它互相吸引 其實這個MOSFET的閘集 就像是一個迷你的小電容 閘集跟通道 隔著中間這層氧化物 誰也碰不到誰 卻能靠電場隔空吸引 這就是它能隔空開關 又不漏電的方式 好的 那回到最一開始的問題 所謂的兩奈米 到底是在量它的哪裡 最早的時候 這個數字量的 就是 中間這層閘門的長度 也就是閘集的長度 不過到了今天 這個幾奈米 已經比較像是一種 製程世代的代號 不完全等於某個地方 真正量出來的長度 你可以把它理解成 數字越小 代表這一代的技術越先進 那問題來了 為什麼大家要這麼拼命 這裡有三個很實際的好處 第一 電晶體越小 同樣大小的一片晶片 就能塞進越多的電晶體 晶片就越強大 第二 電晶體排得越密 電子要跑的距離就越短 訊號從一個電晶體 傳到下一個就更快 晶片的速度就更快 第三 每一個電晶體越小 開關一次需要的電就越少 整顆晶片就越省電 也越不會發熱 這就是為什麼你的新手機 明明變強了 卻反而更省電 你想想看 要把電晶體做到只有幾奈米 還要一次做出幾百億個 而且幾乎不能有任何一個出錯 這是全世界最難的工藝之一 可是你有沒有想過 這麼小的電晶體 到底是怎麼做出來的 這裡用的方法其實有點像 照相 或小時候玩的曬板 工程師會先把整張電路設計圖 畫在一片叫做光罩的板子上 這片光罩就像是底片 接著用光通過這張底片 把上面的圖案一次印刷到晶圓上 這個動作就叫做光刻 聽起來好像很簡單 可是麻煩的來了 當你要印線的時候 越來越細 原本用的光就顯得太粗了 那這時候怎麼辦呢 答案是換用波長更短的光 於是就有了EUV 也就是極紫外光 它的波長短到只有13.5奈米 細到可以刻出那些奈米級的線條 可是這種光非常難伺候 難搞到連空氣 連一般的玻璃鏡片 都會把它整個吸收掉 所以整臺機器 必須在真空裡工作 來帶著光走 光是要產生這種光 就得用雷射 去連續轟擊微小的錫滴 把它打成電漿 這種機器 全世界只有一家荷蘭公司 叫做艾斯摩爾做得出來 一臺就要好幾十億 而且越往下做 良率就越難顧 那既然只是把電晶體越做越小 為什麼不一直縮下去就好了呢 這就要講到兩個麻煩了 第一個麻煩 還記得我們那道閘門嗎 當電晶體越做越小 這道閘門也會跟著變短 短到一定程度 它就關不緊了 明明我們已經把電壓拿掉 叫它關起來 可是電子還是會漏過去 這在電晶體上是很致命的 因為它該關的時候關不掉 就會白白漏電 也會算錯 那怎麼辦呢 工程師想到的辦法 就是改造這道閘門 最早的閘門 只從上面壓往通道 後來他們把通道立起來 做的像一片魚鰭 讓閘戟從三個面把它包住 這就是FinFET 騎士電晶體 而到了2奈米這個世代 他們更進一步 讓戟戟從上下左右 整整一圈 把通道360度包起來 這就是現在最先進的GAA 也就是環繞閘戟電晶體 所以你會發現 臺積電比的 其實不只是把電晶體做小 更是在比誰能換上 更厲害的閘門結構 那未來呢 1奈米之後又會怎麼樣 這就要說到我們剛剛埋下的 第二個可怕的麻煩了 你可能不知道 2奈米其實只有 十幾個原子排在一起那麼寬 當電晶體小到這個極限 通道也只剩下幾個原子那麼薄 這時候就算閘門關得再緊 牆壁本身已經薄到不像話 電子居然還有機會 不開門 直接穿牆而過 跑到另一邊去 這聽起來很荒謬 可是在原子這麼小的尺寸下 它真的會發生 這在物理上 就叫做量子穿隧效應 所以未來的方向 除了繼續改造閘門 還會去換用全新的材料 讓電子在更小的尺度下 乖乖聽話 可是除了往小裡鑽 其實還有另一條路 你想想看 當一顆晶片上 已經很難再塞進 更多電晶體了 那有什麼辦法 能繼續提升效能呢 答案是 不再執著於單獨一顆晶片 而是把好幾顆晶片 一層一層疊起來 或是把它們並排放在一起 中間用極短的線路連起來 讓資料用最短的距離 在晶片之間傳遞 這種把好幾顆晶片 整合在一起的技術 就叫做先進封裝 讓晶片從平面設計 走向立體的三維空間 而這 就是現在這一波 AI浪潮最關鍵的技術