地球上的硅能生产多少只晶体管 晶体管是硅吗
作者:075玩 来源:互联网 2023-09-09 08:00:07
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!
“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 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 PlusEUV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/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
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?
以现有的采用台积电7nm FinFET PlusEUV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?
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
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