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英特爾希望使用一種被稱為極紫外線的新技術幫助該公司到達這個點，而這種技術目前還沒有被業(yè)界有效利用。在 5 納米之下將采用新的材料——有些人認為碳納米管將取代硅晶體管——或者是全新的技術，例如神經計算和量子計算。
微處理器的開發(fā)是商業(yè)世界中最具風險、代價最為高昂、也是技術上最為復雜的壯舉。
英特爾位于俄勒岡州希爾斯伯勒市的微處理器工廠代號 D1D，在進入這個 1700 萬平方英尺工廠的凈室前，你需要仔細地洗手洗臉，最好再排空膀胱，因為凈室里沒有衛(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，但前提是無菌。普通紙張因為存在微小顆粒被絕對禁止使用，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加壓房間內。當你走進去的時候，占用了四個半足球場面積的大型吹風機會把你身上的雜物吹走——灰塵、棉塵、狗毛、細菌等。戴上內層手套，然后穿上白色緊身衣和一個外科手術式的口罩，緊接著是第二層手套以及一雙鞋套和安全眼鏡。這些嚴密的措施沒有一個是為了保護你的安全的，它們都是為了保護芯片，防止你傷害到它們。
凈室里的空氣應該是你呼吸過最干凈的空氣。它能達到 10 級純度，意味著每立方英尺內超過 0.5 微米的顆粒不會超過 10 個，0.5 微米大概是一個小的細菌的大小。在非常干凈的醫(yī)院里，或者在大約每立方英尺 10000 個細菌顆粒的環(huán)境中，都不用擔心被感染的風險。在外面的世界里，這一數字大約為 300 萬。
凈室?guī)缀跏羌澎o無聲的，除了“工具”（英特爾這樣稱呼它們）發(fā)出非常小的嗡嗡聲。這些工具看起來像是巨型復印機，每一臺的成本高達 5000 萬美元。它們固定在建筑框架上的鋼支架上，所以沒有震動（無論是其他的工具還是你的腳步）能夠影響到芯片的制造。當然即便如此，進去之后你也會放輕腳步。工具中有一些非常精準，它們能夠實現半納米距離的控制，這是兩個硅原子的寬度。
凈室的亮度也令人吃驚。幾十年來，英特爾凈室內的照明被弄得像暗房一樣，沐浴在昏暗的深黃色燈光中?，F在擔任英特爾首席制造科學家的 Mark Bohr 將自己整個 38 年的職業(yè)生涯都用在芯片制造上，這個小個子的男人表情嚴肅，“這種做法已經過時了，” 他表示，“可沒有人有勇氣改變它。”
晶片是通過在拋光的 12 英寸晶元上蝕刻、切割而來的。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”，由機器人負責搬運。事實上有數百個機器人，這些機器人運行在各自的軌道上，將晶片送往不同的工具處。密封罐內的空氣達到一級，這意味著空氣中可能完全不含顆粒物。這些晶片會定期地用純凈水進行清洗，清洗使用的水非常純凈，這在自然界中是不存在的。不過如此純凈的水對人來說是致命的。如果你喝了很多這種純凈水，它將會把重要的礦物質從你的細胞中帶走，并用這種方式殺死你。
在未來三個月里（三倍于波音公司制造一臺夢幻客機（Dreamliner）的時間），這些晶片將會變成微處理器。它們將通過超過 2000 個步驟的光刻、刻蝕、材料應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左右的拇指大小的凹模之中，每一個都將被陶瓷封裝。如果一切順利，在英特爾工作的 10 萬名員工（或者差不多這么多的員工）將沒有一個人會觸摸過它們。這個奇跡般的機械化流程的終點：英特爾至強 E5 v4，該公司最新的服務器芯片以及互聯(lián)網引擎。
做芯片是一場豪賭
當五月份參觀 Hillsboro 工廠的時候，我們獲得機會對這座工廠進行了自 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)世界中最具風險、代價最為高昂的豪賭，這種低調也是可以理解的。
Gartner 表示，即使是簡單地建設一個能夠生產諸如 E5 之類芯片的工廠至少就要花費 85 億美元，這還不包含研發(fā)費用（超過 20 億美元）以及設計電路布局的費用（超過 3 億美元）。即使是程度中等的“excursions”（這是英特爾對于把事情搞砸了的委婉說法）都可能會付出數億美元的代價。整個過程要花五年甚至更長的時間。VMware 首席執(zhí)行官 Pat Gelsinger 有著長期在英特爾擔任公司高管的經驗，并曾擔任該公司的首席技術官，他表示，“如果你追求短期的滿足感，就不要去做芯片設計師。”他表示，“很少有東西像它一樣。”
頂級 E5 大概是一張郵票大小，零售價為 4115 美元，能耗大約是大型惠而浦冰箱的 60%。無論何時，只要你使用谷歌搜索，使用 Uber 或者讓你的孩子在你的車里看 Episode 3 of UnbreakableKimmy Schmidt，你都在使用它們。計算機科學的這些壯舉通常會被歸功于智能手機的興起，但是背后無數的工作其實是在數以千計的服務器上完成的。而幾乎所有的服務器都使用了英特爾的芯片。
總部設在加利弗尼亞州圣克拉拉市的英特爾公司于 1971 年創(chuàng)造了第一個微處理器，并且在 Andy Grove 的領導下，在上個世紀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個人電腦上。但是個人電腦的銷售在過去五年里出現了下滑，隨著智能手機的興起，英特爾遲遲未能針對這些設備開發(fā)出低功耗的芯片。該公司最近宣布裁減員工總數的 11%，如同該公司的首席執(zhí)行官 Brian Krzanich 所說，此舉是為了“重塑自己”。
市場研究公司 IDC 表示，英特爾仍然是這個世界上最大的芯片制造商，該公司銷售的芯片中有 99%的芯片都進入了服務器。去年它的數據中心集團實現了大約 160 億美元的收入，其中將近一半都是利潤。這種競爭優(yōu)勢是建立在競爭對手的失誤以及英特爾不懈努力的基礎之上，英特爾愿意不惜一切代價確保該公司產品大的、可預見的提升，而且年年如此。英特爾的數據中心業(yè)務執(zhí)行副總裁兼總經理 Diane Bryant 表示，“我們的客戶期望花和去年一樣多的錢獲得 20%的性能提升。” Diane Bryant 表示，“這是我們奉行的準則。”
在電腦和手機中，這種策略都有其局限性：在超過某個點之后，客戶就不太在乎速度和效率了。但是對于服務器來說，由 Amazon.com 以及微軟等公司運營的數據中心彼此競爭，爭奪為這個世界上的 Netflixes 以及 Ubers 等公司處理數據的權利，性能是至關重要的。運行和冷卻服務器所需要的能耗是一般數據中心中最大的一筆開銷。如果英特爾能夠用同樣的電力提供更多的計算能力，數據中心的主人將一次又一次地不斷升級。
為了這個“如果”有著很多的努力。每一年，英特爾的高管們基本上都會把賭注押在該公司能夠不斷突破電路、電子和硅原子的極限這一信念之上，在計算利潤之前投入數十億美元進行研發(fā)。最終芯片將重蹈白熾燈、科技以及很多其他發(fā)明的覆轍，隨著年齡的增長，提升的步伐將明顯放緩。Krzanich 自信地表示，“硅技術總有一天會走到那一步，但是這一天在未來幾十年內都不會出現。” Krzanich 表示，“我們的工作是盡可能地推遲這一時刻的到來，直至最后一刻。”
無處不在的微處理器
它們在你的電視里、汽車里、Wi-Fi 路由器里，如果你的冰箱和恒溫器足夠新的話，里面也會有微處理器。即使你沒有這樣認為，這些設備從某種程度上來說也是計算機，這意味著它們是由晶體管組成的。
晶體管是一個開關。但是并不需要用手指來打開或者關閉它，而是使用小的電子脈沖進行控制——在功能強大的計算機中，大概每秒鐘能有 30 萬次這樣的脈沖。這樣一個開關能干什么？你可以用它來存放一個比特的信息。打開或關閉，是或否，0 或 1——無論你是否相信，從技術上說，這些都是可以用一個比特表達的信息（8 個比特組成一個字節(jié)，80 億比特組成一個 GB）。最早的計算機在打孔卡上存儲比特（有孔或者沒有孔？），但是這種做法局限性很強，因為如果你想做點很酷的事情的話，你就需要很多很多比特。例如，如果你想要你的電腦存儲這樣一句話，“上帝，這東西真復雜，”每個字母就需要 8 個比特，總共需要 240 個晶體管。你能用晶體管做的另一件事就是數學。將七個開關按照正確的順序連接起來，你就能夠做兩個小數字的加法；將 29000 個開關連接在一起，你就有了一個芯片，它的計算能力相當于 IBM 在 1981 開發(fā)的最早的計算機；將 72 億開關封裝在一個 E5 芯片內，你就能夠預測全球的天氣模式，進行人類基因組測序、確定海平面之下的石油和天然氣儲量。
每三年左右，英特爾就會將其晶體管的尺寸縮小 30%左右。工藝水平從 2009 年的 32 納米縮小到 2011 年的 22 納米，到了 2014 年，這個尺寸變成了 14 納米。朝著更小尺寸的每次飛躍都意味著芯片設計師們能夠將同樣面積內的容量翻一番。這個現象被稱為摩爾定律，這一定律已經存在了半個世紀之久，確保了你在三年后購買的芯片比你今天購買的芯片至少快一倍。
最新的至強芯片利用了從上個世紀九十年代開始進行的研究成果，當時在俄勒岡州 Bohr 的團隊開始嘗試利用量子隧穿效應，或者電子跳過很小的晶體管的趨勢，甚至是在關閉的情況下。這是英特爾一直進行的物理戰(zhàn)爭的最前線。一旦硅晶體管縮小到了 65 納米之下，就無法正常工作了，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，它被稱之為鰭形場效應晶體管，或者簡寫為 FinFETs。“我們的首個 FinFET 不是狹長筆直的，它更像是個梯形。” Bohr 語帶失望——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很神秘地浮現在淺灰色的底色之上。照片看起來很像牙科的 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。另一個挑戰(zhàn)是管理大量的、更復雜的連線矩陣，縱橫交錯的連線將一個晶體管同另一個連接在一起。至強處理器配備了 13 層銅導線，有一些比單個的病毒還要細，是通過在玻璃上蝕刻出的細槽沉積金屬形成的。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。它們越小，傳導的電流越少。
負責至強 E5 布線的是 Kevin Fischer，這位英特爾的中級工程師從 2009 年年初坐在自己位于俄勒岡州的實驗室里開始就有一個簡單的目標：調整兩個最密集的布線層——被稱為 Metal 4 和 Metal 6 之間的連接。45 歲的、擁有美國威斯康星大學麥迪遜分銷電氣工程博士學位的 Fischer 采用了英特爾的研究人員經常使用的方式——翻查學術文獻。英特爾已經使用了銅，這是導電性最好的金屬之一，所以他決定把重點放在提高絕緣性或者介電材料上，它將使通過導線的電流流動放緩。一個選擇是使用新的、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。他好像對自己的優(yōu)雅方案感到震撼，他表示，“空氣是終極的電介質。”這種做法奏效了。Metal 4 和 Metal6 之間的連接速度現在提高了 10%。
芯片設計主要是一個布局的問題。從英特爾 PC 部門退休了的工程師 Mooly Eden 表示，“這有點像設計一個城市。”但是用城市設計進行類比還是降低了困難的程度。芯片設計師必須將相當于全世界人口數量那么多的晶體管放在 1 平方英寸的面積里——安排好一切，讓計算機能夠以每秒 30 億次的頻率使用每個獨立的晶體管。
芯片的構造塊包括內存控制器、高速緩存、輸入 / 輸出電路以及——最重要的部分——內核。你在上個世紀九十年代擁有的奔騰 III 芯片中，通過提高時鐘頻率——計算機每秒鐘內能夠打開或關閉其晶體管的次數——通常能夠讓芯片更快。十年前，時鐘頻率最高能夠達到 4GHz，或者是每秒 40 億次脈沖。如果芯片切換的速度再快一些，硅晶體管就會過熱并出現故障。芯片行業(yè)對這個問題的答案是增加內核，本質上只在芯片內增加小的芯片，這些小的芯片能夠同時運行，就像快艇上的多個舷外馬達。按照計劃新的 E5 有高達二十二個內核，比之前的版本多了六個，它將在英特爾設在以色列 Haifa 市的開發(fā)中心進行設計。
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?？斓碾娐罚簿褪嵌ㄖ苹?。E5 中大約有 25%的電路是專門用于（除了其他任務外）壓縮視頻和加密數據的。E5 上還有其他的特殊電路，但是英特爾不能談論它們，因為這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（通常自己組裝）配備了至強處理器的服務器，采購的數量以數十萬計。如果你購買戴爾或者惠普配備了至強處理器的服務器成品，里面的至強處理器將包含你無法使用的技術。Bryant 表示，“我們將（云客戶）獨特的功能整合進產品，只要這種做法不會讓模具變得太大，成為其他所有人的成本負擔就行。” Bryant 表示，“當我們將它發(fā)貨給客戶 A 的時候，他將會看到它?？蛻?B 將完全看不到這些功能。”
英特爾的架構師（最高級的設計師）花了一年的時間，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，然后再將其轉換成單個電路的示意圖還需要再花一年半的時間。最后就到了這個流程中最后也是勞動最密集的一個環(huán)節(jié)——光掩膜（mask）設計，這個環(huán)節(jié)涉及到如何將電路放入物理布局之中。布局最終轉化到光掩模之上，這是用來在硅晶片上蝕刻圖案的模板，最終蝕刻好的晶片將被生產成為芯片。對于 E5 來說，光掩模設計師們工作在印度的班加羅爾和科羅拉多州的科林斯堡，他們使用計算機輔助設計程序繪制多邊形來表示每個晶體管，或者從某種數字圖書館里復制之前設計的電路。英特爾的資深光掩模設計師 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工作不同，光掩模設計并不需要工程方面的高級學位。這項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)大學參加過一門芯片布局的課程。光掩模設計最后幾周的工作總是最繁重的，設計師需要不斷地調整他們的工作以適應對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 設計團隊的經理 Patricia Kummrow 表示，“它從來不是一蹴而就的。”最好的光掩模設計師看著多邊形，立刻就看出如何通過重新布局不同層上的電路縮減設計。Mellinger 表示，“這就好像你已經完成了拼圖，現在你走過來告訴我還需要增加 10 小塊拼圖。” Mellinger 表示，“我可能會說，‘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論他們的工作，他們就更傾向于使用更有神秘色彩的語言。他們經常會用到“魔法”這個詞。
前首席技術官 Gelsinger 表示他在 1979 年進入英特爾的幾個月之后找到了上帝。他在談到半導體設計和信仰的時候表示，“我一直覺得它們在手牽手地前進。”英特爾的產品經理 Maria Lines 在談到過去幾年的職業(yè)生涯時情緒激動。她表示，“我參與的幾代之前的產品有大約 20 億個晶體管，我現在參與的項目有 100 億個晶體管。”她表示，“這真的太令人震驚了，令人難以置信。”
芯片誕生的時刻被稱為“first silicon”（第一次生產成功的產品）。對于 E5 來說，first silicon 出現在 2014 年。班加羅爾的一個團隊發(fā)送了一個大約 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計。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，設計師們將 2015 年的絕大部分時間都花在了等待新原型測試之上。每一次修改都要花上三個月左右的時間。英特爾副總裁兼數據中心工程集團總經理 Stephen Smith 表示，“這很乏味。”正是電路所有這些錯綜復雜的特性，才讓芯片開發(fā)成為商業(yè)世界中風險最大的豪賭。如果當你在完成“first silicon”之前經歷了幾次“excursions”，進度就會大大延遲，而且會損失收入。隨著晶體管越來越小，風險也在變得越來越高。Krzanich 表示，現在量產一款芯片的時間是十年前的兩倍。他表示，“打造更小的東西是一個物理的問題，總是有辦法能夠解決。”他表示，“關鍵在于你是否能夠以一半的成本做到這一點?”
制造流程的最后一步完成于馬來西亞、中國和越南的裝配廠。在那里，金剛石鋸片將成品晶片切成正方形，然后打包并進行測試。在 2015 年秋天，英特爾生產了超過 10 萬個芯片，免費贈送給 Super 7 以及其他的大客戶。對每個芯片攜帶的軟件都進行了最后一分鐘的調整，英特爾花了六周左右的時間進行最后的測試。
新的 E5 的完整制造流程到今年早些時候才開始，由亞利桑那州的工廠以及另一個位于愛爾蘭 Leixlip 的工廠進行生產。在未來十二個月里，英特爾將銷售數以百萬計的 E5 微處理器。
如果幸運的話，客戶可能永遠也看不到這些芯片，更不要說去考慮它們是如何被制造出來的了。但是如果你打開一臺新的服務器，你最終會發(fā)現芯片，摸起來很燙，封裝在陶瓷包裝之內，包裝上印著英特爾的藍色標志。如果你打開這些芯片，你會發(fā)現其中有 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，泛著藍色、橙色以及紫色的光——一個小小的、擁擠的電路迷宮，以某種方式讓我們的整個世界運轉。你可能會覺得，它很漂亮。
英特爾首席制造研究員 Bohr 有時候也會這樣認為。但是作為一位科學家，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計的造物反射和折射的結果。單個的晶體管比任何光的波長都要小。他表示，“在這么小的尺寸級別上，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 納米芯片的會議，已經遲到了，那是現在的 E5 之后兩代的產品。5 納米被芯片制造領域的很多人認為是一個臨界點，在此之后，就不可能進一步縮小了，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幫助該公司到達這個點，而這種技術目前還沒有被業(yè)界有效利用。在 5 納米之下將采用新的材料——有些人認為碳納米管將取代硅晶體管——或者是全新的技術，例如神經計算（模仿人類大腦設計的電路）和量子計算（單個原子顆粒替代晶體管）。
Bohr 表示，“我們可以減少選項——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充表示，會有一兩個想法是有用的。
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