近日臺積電在歐洲 OIP 論壇上展示了 A14 制程的最新數(shù)據(jù)：在相同功耗和復(fù)雜度下性能提升可達(dá) 16%，在相同頻率下功耗下降約 27%。這意味著晶體管的尺寸再次被推向極限，制程繼續(xù)朝著“更小、更密集、更節(jié)能”的方向邁進(jìn)。隨著 A14 計劃在 2028 年量產(chǎn)，先進(jìn)工藝的競賽也進(jìn)入一個全新的階段。

當(dāng)前AI芯片的發(fā)展從根本上是出于對更高性能的追求，但這也帶來了一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)“熱管理”。隨著性能不斷提高，“熱管理”正成為一個無法回避的核心挑戰(zhàn)：如何有效散出功耗增加帶來的大量熱量，已經(jīng)逐漸變成影響芯片架構(gòu)設(shè)計的重要因素，也是不少芯片廠商面臨的現(xiàn)實難題。

在邏輯工藝方面，以臺積電為代表的英偉達(dá)系列AI 芯片從N3→N2→A16→A14的演進(jìn)，這個過程涉及的不僅僅是尺度上的幾何縮放，也代表了晶體管架構(gòu)的轉(zhuǎn)變：從FinFET，到GAA（Gate-All-Around），這一系列變化旨在實現(xiàn)PPA（功率、性能和面積）的最佳平衡，為高效的AI計算奠定基礎(chǔ)。

那么，“A14”到底意味著什么？為什么制程越做越小，芯片卻越來越難散熱？要理解這些問題，我們需要從沙子開始講起——從現(xiàn)在的 FinFET，到下一代的 GAA。借著 A14 的機(jī)會，小編也和大家一起重新回顧一下芯片制造。目前整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈可劃分為設(shè)計、晶圓制造（前道工藝）和封裝測試（后道工藝）三個主要環(huán)節(jié)。今天我們重點圍繞前道和后道工藝做個介紹。

1.芯片怎么制造？

大家應(yīng)該看過很多諸如“沙子造芯片”類型的視頻或者科普文章。沒錯，目前主流的芯片都是以硅Si基芯片為代表，沙子的成分主要是以二氧化硅SiO2為主，因此就有了很多關(guān)于沙子和芯片的故事。制造芯片的第一步就是提純通過高溫加熱還原出硅，我們就得到了多晶硅。

在集成電路中我們需要的是單晶硅，多晶硅中的雜志含量太高無法滿足集成電路的使用要求，通常我們需要9N-11N純度的單晶硅。這一步常用的方法有柴可拉斯基法又稱直拉法（CZ）和區(qū)域熔融法（FZ）；目前約85%的硅片由直拉法生產(chǎn)，15%的硅片由區(qū)域熔融生產(chǎn)。按應(yīng)用分直拉法生長出的單晶硅，主要用于生產(chǎn)集成電路元件，而區(qū)熔法生長出的單晶硅主要用于功率半導(dǎo)體。

通過提拉法得到晶棒之后，再通過切割-滾磨-定位邊研磨-切割-清洗-倒角/磨邊-研磨-清洗/刻蝕得到粗硅片；再通過化學(xué)機(jī)械拋光-清洗-檢驗就得到了“硅片”。常用的有外延片、退火片、SOI硅片、結(jié)隔離片等；常見的單晶硅片直徑8-19英寸，目前主流6（150mm）、8（200mm）、12（300mm）英寸。

接下來我們繼續(xù)前道的工藝，有了單晶硅片接下來晶體管都是被通過什么工藝刻在上面。工程師通過氧化-涂膠-曝光-顯影-刻蝕-去膠-涂膠-摻雜-薄膜沉積-化學(xué)機(jī)械拋光等工藝流程；

整個過程需要重復(fù)多次，形成數(shù)百層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。每一層都是微觀建筑的一部分，最終在指甲蓋大小的芯片上排列出幾百億個晶體管。這些晶體管通過金屬互連形成完整的邏輯電路，使芯片能夠完成計算、存儲和通信等任務(wù)。

2.關(guān)于“晶體管”

晶體管是讓計算機(jī)芯片工作的微型開關(guān)。沒錯，就是開關(guān)。現(xiàn)代芯片本質(zhì)上是大量微小晶體管的集合。雖然它們看似簡單，但晶體管是現(xiàn)代計算機(jī)的基礎(chǔ)——被認(rèn)為是歷史上最重要的發(fā)明之一。

在 20 世紀(jì)，計算機(jī)先驅(qū)們探索了各種用于計算和存儲數(shù)據(jù)的設(shè)備，最終形成了二進(jìn)制系統(tǒng)與真空管的組合。二進(jìn)制允許將信息編碼為 0 和 1——開或關(guān)，而真空管則是第一個可靠的電子開關(guān)。這些“比特”成為現(xiàn)代計算的基石。第一臺可編程電子計算機(jī) ENIAC（1945 年）使用了 18,000個真空管，但這些管子耗電量大、容易發(fā)熱且容易損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)常宕機(jī)。顯然，需要更小、更可靠的開關(guān)。

1947 年貝爾實驗室首次展示晶體管，它迅速取代了真空管，成為節(jié)能且可靠的電子開關(guān)。隨后MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）出現(xiàn)，通過在硅上構(gòu)建受控氧化層，實現(xiàn)了高效的平面電路制造。光刻技術(shù)在這一過程中至關(guān)重要——工程師通過曝光、刻蝕等工序，在晶圓上精確排列晶體管，為后續(xù)的復(fù)雜電路打下基礎(chǔ)。

每個 MOSFET 由源極和漏極組成，電流在通道中流動，由柵極控制通斷。柵極施加電壓即可吸引通道內(nèi)的電荷，實現(xiàn)電流開關(guān)。nMOS 與 pMOS 晶體管組合成 CMOS，用于構(gòu)建各種邏輯電路，從簡單加減法到復(fù)雜的 AI 計算。

3.FinFET 到 GAA：晶體管結(jié)構(gòu)的演進(jìn)與熱管理挑戰(zhàn)”

芯片之所以會發(fā)熱，根源在于其內(nèi)部成千上億個晶體管在不斷地“開”和“關(guān)”。在這個過程中，一部分電能不可避免地轉(zhuǎn)化成熱能。一個芯片中可能包含數(shù)十億、甚至超過一萬億個晶體管。在摩爾定律不斷逼近物理極限的背景下，晶體管結(jié)構(gòu)也在經(jīng)歷代際更替。從Planar（平面晶體管）到FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）已經(jīng)在十幾年內(nèi)主導(dǎo)了芯片工藝的主流路線，通過設(shè)計、材料、制造、封裝各類技術(shù)的推進(jìn)摩爾定律也得以持續(xù)推進(jìn)。

4.總結(jié)

隨著AI芯片計算能力不斷提升，其內(nèi)部成千上萬億個晶體管產(chǎn)生的熱量也越來越集中，傳統(tǒng)風(fēng)冷和普通液冷已難以應(yīng)對。芯片熱量的傳遞涉及硅襯底、金屬互連、微凸塊、熱界面材料等多層結(jié)構(gòu)，層層熱阻導(dǎo)致局部“熱點”成為限制性能的關(guān)鍵因素。為解決這一問題，業(yè)界開始采用高導(dǎo)熱材料如碳化硅（SiC）、金剛石薄膜和銅-金剛石復(fù)合材料，以縮短熱路徑、降低界面熱阻，同時通過微通道液冷技術(shù)（MCL/MLCP）顯著增加流體與芯片接觸面積，實現(xiàn)高功率密度下的高效散熱。臺積電和英偉達(dá)在這一領(lǐng)域采取不同策略，但目標(biāo)一致：通過材料優(yōu)化、封裝創(chuàng)新與液冷技術(shù)結(jié)合，使未來AI芯片在千瓦級功耗下仍能穩(wěn)定運行，推動熱管理從傳統(tǒng)工程手段演進(jìn)為決定芯片性能與競爭力的核心技術(shù)。