納米是長(zhǎng)度單位！芯片里的單位納米，代表芯片（處理器、半導(dǎo)體）制造工藝的不同工藝階段，根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)【2017年后不再更新，繼任者是被國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖(IRDS)】，對(duì)半導(dǎo)體制程過(guò)程節(jié)點(diǎn)的定義如下：

芯片的技術(shù)節(jié)點(diǎn)（工藝節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)等）指一個(gè)特定的半導(dǎo)體制造工藝和其設(shè)計(jì)規(guī)則，不同的節(jié)點(diǎn)通常意味著不同的電路設(shè)計(jì)和架構(gòu)。通常，技術(shù)節(jié)點(diǎn)越小意味著特征尺寸越小，從而生產(chǎn)出更小且速度更快且功率效率更高的晶體管。從這個(gè)意義上講，越小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)（納米數(shù)小），代表著生產(chǎn)難度更大，所需要的工藝水平越高，自然，技術(shù)也就越先進(jìn)。

芯片中的納米意味著什么？

納米是什么米？納米是用于測(cè)量長(zhǎng)度的測(cè)量單位。1納米等于一米的十億分之一，因此，納米絕對(duì)不是用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)距離的。相反，它們用于測(cè)量極小的物體，例如現(xiàn)代CPU中的原子結(jié)構(gòu)或晶體管，單個(gè)納米比毫米小一百萬(wàn)倍。所以，納米非常小。

芯片中晶體管是什么結(jié)構(gòu)？任何芯片、IC、處理器、內(nèi)存或GPU都是由大量晶體管的集成制成的。由于此類芯片是在內(nèi)部集成了大量晶體管制成的，通常將其稱為IC（集成電路）。并且根據(jù)制造這種芯片組的集成晶體管的數(shù)量，將它們分為SSI（小規(guī)模集成），LSI（大規(guī)模集成）或VLSI（超大規(guī)模集成）。晶體管由于集成電路（例如計(jì)算機(jī)處理器）包含微觀組件，因此納米對(duì)于測(cè)量其尺寸非常有用。實(shí)際上，納米定義了不同的處理器時(shí)代，代表處理器（芯片）制造工藝的不同工藝階段，這基本上是一種工藝技術(shù)，其中包括所涉及的制造工藝（如光刻）和物理參數(shù)（如尺寸和厚度）等，其中數(shù)字定義了晶體管與CPU中其他組件之間的距離。

晶體管實(shí)質(zhì)上由漏極（Drain），源極（Source）和柵極（Gate）組成。在源極和漏極之間有一條使電子（從而電流）流動(dòng)的路徑，稱為通道。Gate負(fù)責(zé)控制通道的寬度。通道越寬，電子在通道中流動(dòng)的速度越慢，反之亦然。處理器中提到的納米技術(shù)是通道之間平均距離的度量。晶體管越小，源極與漏極之間的距離越小，形成柵極下方的導(dǎo)電溝道所需的電子或空穴的數(shù)量就越少。需要較小的輸入電壓以產(chǎn)生較少的功耗，柵極的最小寬度就是工藝制程中的X納米。

處理器架構(gòu)——納米技術(shù)：任何芯片，無(wú)論是處理器，內(nèi)存還是GPU，都是通過(guò)集成大量晶體管制成的。晶體管只是電子信號(hào)的開關(guān)，具有兩種狀態(tài)（ON/OFF）。納米架構(gòu)是晶體管的大小。尺寸越小，可將更多晶體管嵌入到處理器芯片中，從而增加其計(jì)算量。45nm，32nm，28nm，14nm，10nm和7nm基本上是采用新制造技術(shù)的晶體管的縮放比例。芯片的長(zhǎng)度越短，電流（或信息）可以流過(guò)的速度就越快。同樣，較短的芯片消耗的電壓更少。

為什么納米小一點(diǎn)好？

過(guò)程節(jié)點(diǎn)的大小（以納米為單位）描述了芯片最小可能元素的大小。可以這樣想象：如果芯片的設(shè)計(jì)是數(shù)字圖像，則一個(gè)"像素"的大小將是處理大小。制程越小，可獲得的分辨率越高。制造商可以使晶體管和其他組件更小。這意味著更多的晶體管可以塞滿較小的物理空間。

在給定的空間中可以容納的晶體管越多，處理能力就越大。芯片組上使用的每個(gè)晶體管都將具有較小的尺寸。因此，可以在芯片組內(nèi)部封裝更多數(shù)量的晶體管，這些晶體管的尺寸與以較大納米距離制造的芯片組的尺寸相同。如果平均縮小晶體管的所有部分，則該晶體管的電性能不會(huì)改變。

在小型芯片組中制造大量晶體管的設(shè)施可提供更多功能。

較小的晶體管速度更快，這使它們可以以更高的時(shí)鐘速率工作。這樣可以提高性能。這是由于計(jì)算并行性和緩存大小的增加。因此，如果希望加快芯片速度或添加新功能，則最好的辦法是縮小其晶體管的尺寸。

較小的工藝也具有較低的電容，從而允許晶體管以更少的能量更快地打開和關(guān)閉。晶體管可以打開和關(guān)閉的速度越快，它的工作速度就越快。以更少的能量導(dǎo)通和截止的晶體管效率更高，從而降低了處理器所需的工作功率或"動(dòng)態(tài)功耗"。動(dòng)態(tài)功耗較低的芯片將使電池耗電更慢，運(yùn)行成本更低并且更加生態(tài)友好。

較小的芯片也更便宜。芯片是在圓形硅晶片上制成的。一個(gè)晶圓通常將包含數(shù)十個(gè)處理器管芯。較小的工藝尺寸將產(chǎn)生較小的管芯尺寸。而且，如果管芯尺寸較小，則可以在單個(gè)硅晶片上安裝更多管芯。這導(dǎo)致制造效率的提高，降低了制造成本。開發(fā)新工藝確實(shí)需要大量投資，但是在收回成本之后，每個(gè)芯片的成本將大大下降。

較小的工藝規(guī)模有何弊端？

散熱。尺寸較小時(shí)，由晶體管產(chǎn)生的熱量將具有較小的散熱面積，這可能會(huì)導(dǎo)致芯片組過(guò)熱。

較小的晶體管更難制造。隨著晶體管的縮小，制造以盡可能高的時(shí)鐘速度運(yùn)行的芯片變得越來(lái)越困難。一些芯片將無(wú)法以最高速度運(yùn)行，并且這些芯片將被"綁定"或標(biāo)記為具有較低時(shí)鐘速度或較小緩存的芯片。較小的工藝通常會(huì)以較低的時(shí)鐘速度合并更多的芯片，因?yàn)橹谱?quot;完美"的芯片更具挑戰(zhàn)性。制造商小心翼翼地消除盡可能多的問(wèn)題，但這通常歸因于模擬世界不可避免的變化。

較小的晶體管也具有更大的"泄漏"。泄漏是晶體管在"關(guān)"位置時(shí)允許通過(guò)多少電流的度量。這意味著隨著泄漏的增加，靜態(tài)功耗或晶體管空閑時(shí)消耗的電量也會(huì)增加。泄漏量更大的芯片即使在不活動(dòng)時(shí)也需要更多的功率，從而更快地消耗電池并降低運(yùn)行效率。

較小的過(guò)程可能會(huì)降低產(chǎn)量，從而導(dǎo)致更少的全功能芯片。這可能導(dǎo)致生產(chǎn)延遲和短缺。這使得收回開發(fā)新工藝所需的投資更加困難。這種風(fēng)險(xiǎn)因素是任何新制造工藝的基礎(chǔ)，但對(duì)于像半導(dǎo)體制造這樣精確的工藝而言，風(fēng)險(xiǎn)尤其如此。

為什么納米對(duì)智能手機(jī)如此重要？

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了半導(dǎo)體行業(yè)的科技進(jìn)步。在芯片制造領(lǐng)域，智能手機(jī)芯片的制作工藝和進(jìn)度，大幅度的領(lǐng)先于傳統(tǒng)的PC行業(yè)，是極具代表性的產(chǎn)業(yè)。追求更好、更快、更小的芯片是智能手機(jī)芯片不斷前行的目標(biāo)，這里就納米對(duì)智能手機(jī)的影響展開。

談?wù)撝悄苁謾C(jī)之繞不開的話題：納米？在智能手機(jī)的世界中，不斷看到終端制造廠商互相競(jìng)爭(zhēng)，每年都在配備最新的X納米處理器的同時(shí)發(fā)布旗艦智能手機(jī)。旗艦產(chǎn)品或任何智能手機(jī)必須具備的關(guān)鍵功能是性能、功耗和散熱，在此基礎(chǔ)上它應(yīng)具有無(wú)滯后，快速且高效的界面，而這些都與"納米"有關(guān)。智能手機(jī)的性能取決于各種因素，例如應(yīng)用程序優(yōu)化、RAM大小、操作系統(tǒng)和處理器的優(yōu)化，而這其中，處理器的性能是重中之重，芯片制程工藝的數(shù)值是旗艦機(jī)比對(duì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，相當(dāng)于一個(gè)水杯的容量，決定著可以裝多少水。下圖統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)Android手機(jī)在安兔兔上的跑分，但就芯片比對(duì)而言，制程的進(jìn)步的確帶來(lái)了性能的飛躍（藍(lán)色：旗艦機(jī)，黃色：中端機(jī)，紅色：低端機(jī)）。

移動(dòng)處理器頭痛的心臟健康指數(shù)——"納米"，工藝節(jié)點(diǎn)越小，意味著更高的性能、更低的功耗和更高的集成度，也就意味著單位生產(chǎn)力更高，智能手機(jī)的心臟——芯片更強(qiáng)。

為什么晶體管之間的距離，納米很重要？智能手機(jī)是便攜式設(shè)備，這意味著它的空間有限，只能有限地容納其硬件部件。所以不能使用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)和筆記本電腦處理器，因?yàn)樗鼈兊某叽绾艽螅@意味著需要更好的散熱系統(tǒng)，這只會(huì)有一個(gè)結(jié)果——"空間不足！"。因此，許多公司已經(jīng)開發(fā)了非常小的間距晶體管，以適合納米面積的小型處理器，從而使其與智能手機(jī)兼容。移動(dòng)處理器中的是處理器內(nèi)部晶體管之間的最短距離。高通、三星、聯(lián)發(fā)科、華為和蘋果是為智能手機(jī)開發(fā)"納米"移動(dòng)處理器的領(lǐng)先公司。近年來(lái)，移動(dòng)處理器中的"納米"計(jì)數(shù)一直在從12納米減少到10納米再到7納米（高通驍龍865、華為麒麟990）。納米制造工藝術(shù)語(yǔ)定義了處理器的尺寸。使用20nm晶體管，可以將大約2500億個(gè)晶體管安裝在指甲大小左右的硅晶片上。比如說(shuō)有一個(gè)盒子可以容納100個(gè)大小為10cm的橡皮擦，每個(gè)橡皮擦之間相距1cm。如果減少橡皮擦之間的長(zhǎng)度，我們可以容納更多的橡皮擦吧？在移動(dòng)處理器中的納米后面使用類似的邏輯。同樣，如果減小處理器中晶體管之間的距離，則可以安裝更多的晶體管。更多的晶體管緊密堆疊在一起，這意味著在減少處理的同時(shí)電子的傳播路徑。這意味著更快的處理能力，更少的熱量產(chǎn)生和低功耗。因此，移動(dòng)處理器中的納米越小，效率和功能就越強(qiáng)大。

高通公司的Snapdragon 855是在7納米FinFET處理器上設(shè)計(jì)的，與10納米芯片相比，可提供高達(dá)45％的性能提升或25％的功耗降低。

晶體管可以看做是單個(gè)處理單元，制程越小，可以在同一區(qū)域內(nèi)放置的晶體管就越多，芯片中晶體管集成度就越高，從而可以進(jìn)行更快，更高效的芯片設(shè)計(jì)，芯片中的晶體管數(shù)量?jī)A向于確定芯片的處理能力。

寫在最后

智能手機(jī)處理器可能無(wú)法提供PC和服務(wù)器硬件的最佳性能，但是這些小芯片在制造工藝方面一直處于業(yè)界領(lǐng)先地位。智能手機(jī)芯片第一個(gè)制造出了10nm和7nm尺寸的芯片，看起來(lái)它們很快也將達(dá)到5nm。先進(jìn)的制造技術(shù)為提高能效，減小芯片尺寸和提高晶體管密度鋪平了道路。

如果不談?wù)撃柖桑蜔o(wú)法提及納米和晶體管密度。簡(jiǎn)而言之，摩爾定律預(yù)言了加工技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)水平。通常將芯片收縮的速度與摩爾的預(yù)測(cè)進(jìn)行比較，以衡量技術(shù)進(jìn)步是否在放緩。摩爾定律是一項(xiàng)古老的觀察，觀察到芯片上的晶體管數(shù)量每年都會(huì)翻番，而成本卻減半，這種情況已經(jīng)維持了很長(zhǎng)時(shí)間，但是最近一直在放緩。

縮小工藝尺寸是很困難的，但是這樣做的好處是促使制造商追求越來(lái)越小的工藝尺寸。由于有了這種推動(dòng)力，消費(fèi)者每?jī)赡昃湍塬@得更快，更高效的芯片。這些進(jìn)步使像智能手機(jī)這樣的技術(shù)奇跡成為可能，并將帶來(lái)下一代技術(shù)成就。