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    • 地球上的硅能生产多少只晶体管?

      硅是一种极为常见的元素,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。在地壳中,硅是含量第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。坐在沙滩上,望着浩瀚无边的大海,双手捧起一捧沙子,让沙粒从指间慢慢滑落,我们可能会想,沙子,应该是取之不尽、用之不竭的吧!,

      1个问题:地球上有多少个硅原子?

      地球总质量:5.965 x 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

      1.41×10^47

      2个问题:一个晶体管需要多少个硅原子?

      地球上的硅能生产多少只晶体管?

      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。

      地球上的硅能生产多少只晶体管?

      地球上的硅能生产多少只晶体管?

      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/m?

      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

      是不是这样就可以算出地球上的硅总共能生产多少个晶体管?

      请稍等,我们看下面一张图

      地球上的硅能生产多少只晶体管?

      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!1个Transistor=5000亿个硅原子

      第3个问题:地球上的硅能生产多少只晶体管?

      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

      地球上的硅可生产的晶体管数量为: 

      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?

      地球上的硅能生产多少只晶体管?

      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

      也就是说,如果同样的美元可买到的芯片数量每隔9-12个月翻一番,不到43年,地球上的硅原子就要用完了。

      这不太可能吧,一定是我们的假设有问题,这时候,耳边飘来一句话:“用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18-24个月翻两番”。

      每隔18-24个月翻两番和每隔9-12个月翻一番应该是相同的意思,不过电脑的性能并不等同芯片的数量,但其中还是有一定的相关性的。

      我们知道:“用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18-24个月翻两番”正是摩尔定律的内容。地球上的硅到底够14万亿年还是43年呢?两者各有什么问题,聪明的读者,你知道吗?

      5个问题:摩尔定律还能再持续吗?

      地球上的硅能生产多少只晶体管?

      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

      如果是每隔18个月翻一番,则43×1.5=64.5< 65 年,如果是每隔24个月翻一番,则43×2=86年也就是说,只要65年或者最多86年,地球上的硅原子就要用完了!

      而且,我们估算时只考虑了硅在芯片制造上的应用,即硅仅仅用来制作高纯硅半导体。实

      际上是,除此之外,硅还广泛应用于耐高温材料、光导纤维通信材料、有机硅化合物、合金等,硅被广泛应用于航空航天、电子电气、运输、能源、化工、纺织、食品、轻工、医疗、农业等行业。另外,我们还没有考虑其它的应用,例如修路、修桥、修房子… 这些大量应用石头和沙子等硅化合物的领域。

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      京东商城

      ,半导体行业观察  ,2020-03-13 04:31:08

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