地球上的硅能生产多少只晶体管?
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“我思故我在......”
第 1 个问题地球上有多少个硅原子?
- 地球总质量:5.965×10^24 kg
- 地壳占地球总质量的:0.42%
- 硅元素占地壳总质量的:26.4%
- 地球上硅元素总质量:5.965×10^24×0.42%×26.4%=6.614×10^21kg
- 约为地球总质量的千分之一
- 硅原子质量为:28×1.674×10^-27kg(氢原子质量)=4.687×10^-26kg
- 地球上硅原子总数:6.614×10^21/4.687×10^-26=1.41×10^47个
第 2 个问题一个晶体管需要多少个硅原子?
要回答这个问题,首先我们得知道晶体管的体积,人们经常说的10nm、7nm、5nm、3nm是指的晶体管的特征尺寸。特征尺寸是晶体管中的最小尺寸,以CMOS工艺为例,特征尺寸典型代表为栅的宽度,也即MOS器件的沟道长度。一般来说,特征尺寸越小,芯片的集成度越高,性能越好,功耗越低。而晶体管的体积(边长)自然要比特征尺寸大得多,应该是多少呢?
我们就以华为麒麟990为例做一个估算,麒麟990 5G是华为研发的新一代手机处理器,采用台积电7nm FinFET Plus EUV工艺制造,集成了103亿个晶体管,面积约100平方毫米。上图最左侧为麒麟990 5G,每平方毫米集成约1亿(10^8)只晶体管。
- 1平方毫米=10^12平方纳米
- 10^12平方纳米/10^8个=10^4平方纳米
- 由此可知,每一只晶体管的面积约为10000平方纳米
- 假定晶体管为正方形,则边长为100nm
- 假定晶体管的高也约为100nm,则一个晶体管体积为10^6立方纳米
- 1立方纳米硅由多少硅原子组成?答案:50个
- 计算方法如下:
- 硅的密度:2328.3 kg/m³
- 硅原子质量:28×1.674×10^-27kg
- 1立方纳米包含的硅原子=2328.3÷28÷1.674=49.7≈ 50
- 1个晶体管组成的硅原子数=50×100×100×100=5000万个硅原子
虽然晶体管本身的厚度约为100nm,芯片有源区的厚度不到10um,但其下方支撑的硅体却大约有1mm,如何得出?首先,晶元厚度一般为800um,晶元切割损耗约为200um,800 200=1000um=1mm。
- 1个晶体管占有(消耗)的硅原子数为50×100(长)×100(宽)×10^6(厚度)=5×10^11=5000亿个硅原子,这就是说,晶体管本身所占的硅原子只占晶元中硅原子的万分之一,99.99%的硅原子只是作为陪衬,在生产过程中被占用或者被消耗掉了。
- 以台积电7nm工艺生产一只晶体管消耗的硅原子不是5000万个而是5000亿个!
第 3 个问题地球上的硅能生产多少只晶体管?
以现有的采用台积电7nm FinFET Plus EUV工艺制造的晶体管,地球上的硅可生产的晶体管数量为:地球上的硅原子数量÷每一晶体管所消耗的晶体管数量,如下
- 1.41×10^47÷(5×10^11)= 2.82×10^35个
2.82×10^35 个晶体管
得到这个答案后,问题就到此为止了吗?没有,这仅仅只是个开始!
第 4 个问题地球上的硅能用多久?
这,才是我们真正需要关注的问题!上面提到麒麟990 5G处理器含有约103亿晶体管,其面积约为100平方mm。
实际上硅的消耗量和并非和晶体管数量相关,而是和芯片的面积相关,因为工艺不同,晶体管大小不同,消耗的硅原子数量也不同,而芯片的面积(体积)却和硅原子数量直接相关。回答第二个问题时,上面我们已经推导出1立方nm的硅中包含的原子数量为:50 个,那么,1立方mm的硅中包含的原子数量为:50×10^18个,等同于1平方mm晶元中所包含的硅原子。像麒麟990 5G处理器这样100平方mm的芯片,一颗芯片消耗的硅原子数量为:100×50×10^18个,即5×10^21个硅原子。以这样的芯片为例,地球上的硅总共可以生产的芯片的数量为:1.41×10^47 ÷ (5×10^21) = 2.82×10^25个。2019年,中国总共生产了2018.2亿块芯片,约占全球芯片产量的10%,可以估算全球芯片产量超过20182亿块,约为2×10^12块。芯片的面积有大有小,我们暂且以100平方mm为其中位数,则每年需要消耗的硅原子数量为:(2×10^12)×(5×10^21)=10^34个,假定芯片年产量不变,则地球上的硅可用时间为:1.41×10^47÷10^34=1.41×10^13 年,也就是14.1万亿年。看来,我们还不用担心,地球的寿命也不见得有那么长。但是,事实却是:每一年,芯片的需求和产量都会有所增加。2019年全球芯片产值4376亿美元,产量约为2×10^12(20182亿)块。这里,我们做一个假设,假设全球芯片产值不变,但芯片价格越来越便宜,用同样的美元可买到的芯片数量,每隔9-12个月翻一番。2×10^12 × (1 2 2^2 2^3 ... 2^n) = 2.82×10^25,求解得到的n则为可生产的年数。
- (1 2 2^2 2^3 ... 2^n) = 1.41×10^13
- [2^(n 1)-1]=1.41×10^13
- 2^n=7.05×10^12
- n=42.68<43
第 5 个问题摩尔定律还能再持续吗?
摩尔定律内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上(翻两番)。
摩尔定律里的”元器件的数目“实际就是晶体管Transistor数目。
我们就以麒麟990 5G处理器为例,内含晶体管数量约为100亿,2019芯片产量约为20000亿只。当然,很多芯片内的数量达不到这么多,但也有芯片中晶体管数量远远超过百亿,例如WSE芯片中晶体管数量达到了1.2 万亿。目前以7nm主流工艺生产的芯片,其晶体管数量差不多都在百亿量级了。
- 20000×10^8×100×10^8 ×(1 2 2^2 2^3 ... 2^n) =2.82×10^35
- 2×10^22 (1 2 2^2 2^3 ... 2^n) =2.82×10^35
- (1 2 2^2 2^3 ... 2^n) = 1.41×10^13
- [2^(n 1)-1]=1.41×10^13
- 2^n=7.05×10^12
- n=42.68<43
那么,问题到底出在哪里呢???欢迎读者留言讨论!欢迎转发!
答案会在下一篇文章中揭晓