婚礼进行到后半程的时候,高槿之的手机震了一下。不是电话,是邮件。邮件的标题是FAB确认流片排期。他看了一眼,把手机翻过去扣在桌上。许兮若注意到这个动作——扣手机是高槿之紧张时的习惯,不是紧张邮件内容,是紧张自己会忍不住在婚礼上看邮件。他忍了三秒,没忍住,又翻过来,点开了。
邮件是代工厂发来的。他们那颗芯片——代号PHX-3——的光刻掩模板已经完成制作,将在下周进入光刻工序。高槿之看完邮件,把手机递给许兮若看。许兮若看不懂邮件里的技术参数,但她看懂了高槿之的表情。那个表情和安安绣完最后一份请柬时的表情是同一种——不是完成后的疲惫,是完成后的空。空不是空的,空是满到溢出了语言能描述的范围,只能以面部肌肉的微运动形式存在。高槿之的颧大肌和眼轮匝肌同时收缩了一下,收缩的幅度很小,小到除了许兮若没人注意。许兮若注意到了,因为她在安安脸上见过完全相同的肌肉运动模式。模式是镜像神经元在颞上沟完成的跨个体匹配——她的大脑把高槿之的表情和记忆中安安的表情进行了特征对齐,对齐的误差在神经表征空间里小于一个标准差。
高槿之说:下周光刻。
许兮若问:光刻是什么?
高槿之想了想。他不是在想定义,是在想把一个他用了十年才真正理解的概念翻译成许兮若能听懂的词汇。翻译是压缩,压缩是有损的。他选择了有损最少的一条路径:就是用光在硅片上画电路。跟你用针在丝绢上绣花差不多——你用的是针,它用的是光。你绣的是丝线,它画的是导线。你的图案是泡桐叶,它的图案是几亿个晶体管。
许兮若说:光怎么画?
高槿之说:光不画。光照。
光照。这就是光刻层和其他所有层的根本区别。铜声层是砸,丝墨层是染,骨记层是刻,印刻层是印——都是用某种物质直接作用于另一种物质。光刻层不同:光刻层用光。光不是物质,光是电磁波。电磁波没有质量,没有体积,不占据空间——在它被吸收之前。被吸收的那一刻,它从波变成了能量,能量加热电子,电子跃迁,化学键断裂,分子结构改变。改变就是光刻——光不雕刻物质,光诱导物质自己改变自己。
高槿之设计的那颗芯片,光刻工序要经过四十二层掩模。每一层掩模是一片石英玻璃,上面镀了一层铬。铬膜上有图案——不是泡桐叶,是几百万个矩形和多边形。图案是怎么到铬膜上的?是用电子束写的。电子束的斑直径是几个纳米,在光刻胶上逐点扫描,扫描的路径由EDA工具生成的GDSII文件控制。GDSII文件是一个几GB大小的文本文件,里面记录的是每一个多边形的顶点坐标。坐标的精度是纳米级——一纳米是十的负九次方米,大约是硅原子晶格常数的两倍。
高槿之写的那几万行Verilog代码,经过逻辑综合、布局布线、时序优化、物理验证,最终变成了GDSII文件里的几百万个多边形。代码是他写的,但多边形不是他画的——是EDA工具自动生成的。自动生成的意思是:高槿之定义了功能,工具实现了结构。功能是这颗芯片要做什么,结构是用什么物理方式做。功能到结构的映射不是一对一,是一对多——同一个功能可以用无数种结构实现。工具从无数种可能中选一种,选择的标准不是好不好看,是功耗、面积、时序的综合最优。最优不是绝对的,是约束条件下的局部极值。约束条件是代工厂给的工艺库——里面规定了每一种晶体管的尺寸、电容、电阻、导线间距的物理极限。物理极限的本质是光刻的分辨率。分辨率是光的波长除以数值孔径再乘以一个工艺因子。
这颗芯片用的是极紫外光刻,波长十三点五纳米。十三点五纳米的光,在空气中走不到一毫米就会被吸收。所以光刻必须在真空中进行。真空里没有空气分子散射光线,没有尘埃落在硅片上,没有任何东西干扰光从光源到硅片的路径。路径长约十几米,中间经过二十几面反射镜——不是透镜,是反射镜。极紫外光不能被透镜聚焦,因为所有材料对十三点五纳米的光都有强吸收。反射镜是布拉格反射镜,由几十层钼和硅交替镀制,每层的厚度精确控制在原子量级。光在每一层界面上反射一部分,几十层反射的光在特定角度下相位一致,叠加增强。增强后的光强是入射光的几十倍。几十倍的光强,打在掩模上,穿过掩模上的镂空图案,再经过缩小投影系统,以四比一的缩小比例投射到硅片表面的光刻胶上。
缩小。高槿之的芯片设计尺寸,在掩模上是四倍大,到了硅片上才缩成真正的尺寸。缩小的过程是光学投影的逆过程——不是把大图缩小,是把光的波前重新整形,让它在更小的面积上聚焦。聚焦的极限由衍射决定。光通过掩模上的缝隙时会发生衍射,衍射让光斑的边缘变得模糊。模糊的程度和波长成正比,和数值孔径成反比。十三点五纳米的波长,零点三三的数值孔径,理论上可以分辨十几纳米的细节。细节就是晶体管的栅极长度——栅极是晶体管的核心,电流从源极流到漏极,经过栅极下方的沟道。栅极的电压控制沟道的导通和关断。导通是,关断是。零和一之间的切换,每秒可以发生几十亿次。
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