如果把超大规模的芯片打开,会发现其内部结构的复杂程度堪比一座大型的城市。以苹果 M1 Ultra芯片为例,内部集成了1140亿晶体管,拥有20个CPU核心、64个GPU核心和32个NPU核心(尽管现在很多处理器芯片,包括高通骁龙、苹果M系列等都属于SoC芯片,但人们仍然习惯称他们为CPU)。作为对比,超一线城市上海人口“仅为”2500万左右,和M1 Ultra芯片的晶体管数目相比还是太少了。

 

把CPU和城市作类比,其中的控制及协调模块可以类比为政府及协调部门、电源模块相当于供电部门、内部的走线相当于街道,而其中一个有一个的小模块可以看做是小区、工业区、大学城等。但和城市不同的是,这些复杂的功能模块都要集成在指甲大小的芯片中,并且实现大规模的量产,实现算力普惠,这一切的一切,没有众多前沿学科技术的支撑是无法完成的。

 

可以进一步从CPU诞生的几个细微之处来体味一下,为什么说CPU是人造物的巅峰。

 

第一个是在制作晶圆的时候,要进行硅提纯。首先将沙石原料放入一个电弧炉中,在高温下发生还原反应得到冶金级硅,然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应,生成液态的硅烷,最后通过蒸馏和化学还原工艺,得到了高纯度的单晶硅,其纯度要达到99.999999999%,即11个9,才符合晶圆制作的标准。作为对比,市面上所宣传的999或9999足金首饰,在晶圆级别的硅面前,杂质还是太多了。

 

第二个细节是薄薄的高端芯片中,居然有上百层电路。在晶圆上经过一次镀膜、涂胶、曝光、显影、除胶等步骤,便可形成一层电路。如果把一层电路比作一层楼,那么芯片内部到处都是摩天大楼,颇为壮观!只不过芯片内部的“大楼”层高只有几纳米,如下图所示。

 

 

第三个细节是CPU是微观的艺术,是跳跃在原子尺度上的浪漫,它的精密程度以及它数十年如一日的准确运算,即便是人类最天才的大脑,在它的面前都只能俯首称臣。它的复杂性、巧妙性、逻辑性都处在人类所能理解的巅峰!

 

如果未来有一天,人类要通过一件物品向宇宙展示自己的科技实力,我不会选择航空发动机,也不会选择航母,而是选择一颗芯片。速度和庞大在宇宙中并不起眼,而方寸之间的芯片内部,随处都在诉说着这个星球上的智慧和文明。