在美國俄勒岡州希爾斯伯勒市，有一家體量達48萬立方米的微處理器工廠，這就是英特爾的D1D晶片廠。

在進入D1D晶片廠的清潔室之前，你最好仔細清洗一下手和臉，可能還應該去一趟洗手間。

因為清潔室里沒有洗手間。

此外，參觀者還嚴禁使用化妝品和香水一類的東西。

書寫工具可以帶進去，不過筆需要經過特殊的無菌處理，而會散落微小顆粒的紙張絕對禁止。

如果你想在裡面寫點兒什麼，你只能用一種業內人士所稱的「高性能檔案材料」，這是一種類似紙張但是不會掉落纖維的材料。

戴上髮網後，下一站是設在加壓房裡的更衣站。

加壓房位於從室外進入清潔室之前的位置。

當你進入清潔室時，從相當於四個半足球場大小的清潔系統送出的一股強風迎面吹來，把你身上的零星雜物一吹而凈，不論是灰塵、線頭，還是狗毛、細菌。

你戴上罩袍手套，穿上帶兜帽和類似手術室用口罩的緊身衣，然後再戴上第二副手套、第二副鞋套，然後是防護鏡。

不過，所有這一切防護措施並不是為了保護你，相反，是為了防止你「污染」那些晶片。

你在清潔室里呼吸到的恐怕是你曾經接觸過的最純凈的空氣。

從參數上講，它的潔凈度是10級，相當於每立方英尺的空氣中含有不超過10個直徑大於半微米的微粒（與一個小細菌的尺寸差不多）。

相比之下，即使在一間超級清潔的醫院手術室里，每單位空間裡不小於細菌大小的微粒數也會有1萬個，而這個水平已經不存在細菌感染的特別風險。

而在室外，單位空間裡的微粒數大約有300萬個之多。

清潔室里近乎絕對安靜，只聽到各種機器發出的低沉的嗡嗡聲。

這些機器在英特爾內部被稱作「器械」，它們從外觀上看像是一台台巨大的複印機，每台的成本可高達5000萬美元。

這些器械安裝在跟清潔室的建築框架相連的鋼質底座上，從而保證室內的任何振動都不會影響到晶片，比如其他「器械」發出的振動或人走動時腳步產生的振動等等。

即便如此，你最好還是放輕腳步。

因為這些器械有些精確度極高，可以控制在半個納米的範圍內，也就是兩個矽原子排在一起的寬度。

除了極度潔凈之外，清潔室里光線之暗也讓人感到意外。

幾十年來，英特爾清潔室的照明一直搞得像暗房一樣，浸沒在一種暗沉的黃色調里。

身材瘦小、表情嚴肅的英特爾製造工藝首席科學家馬克玻爾(Mark Bohr)說，「這是歷史遺留問題，雖然已經不合潮流，但沒人有勇氣去改變它。

」在38年的職業生涯中，玻爾一直從事晶片製造業。

晶片製造的基本過程是，在一片經過拋光處理的12英寸矽晶圓片上刻出細微的圖案，所採用的手法包括採用平版照相蝕刻技術、並將超細材料層留在晶圓表面。

這些晶圓會封裝在微波爐大小的被稱為「前開式晶片盒」的容器里，然後被機器人運走。

這些機器人安裝在頭頂上方的軌道上，總共會有數百隻，它們將晶圓運往各種不同的「器械」，進入下一步工序。

晶片盒裡的空氣是1級，也就是說，裡面可能完全沒有一點雜質。

這些晶圓會定期用一種自然界裡不存在的高純度水進行沖洗。

由於極度純凈，這種水高度致命。

如果你飲用足夠量的這種水，它會帶走你身體細胞里的礦物質，進而造成器官衰竭死亡。

接下來的3個月時間裡，這些晶圓將被加工成微處理器金這個過程是波音公司製造一架Dreamliner所需時間的三倍。

它們要經過總共超過2000道工序，包括印刷、蝕刻、附加材料，然後是又一輪蝕刻等等。

經過這些工序，每片晶圓被切割成100隻左右指甲蓋大小的單元裸片，然後，每隻裸片會封裝在陶瓷材質的封套里。

如果一切運轉正常，在整個加工過程中，英特爾總計10萬名左右的員工中，沒有任何人會觸碰這些單元片。

這一奇蹟般的加工過程最終帶來的產品是英特爾「至強」(Xeon) E5 v4晶片，這是該公司最新一款伺服器晶片，也是網際網路的核心動力所在。

這隻12英尺晶圓將被切成122隻「至強」E5晶片。

每隻晶片售價可高達4115美元

小晶片不簡單

一直以來，英特爾公司很少談及它如何製造新晶片。

《彭博商業周刊》(Bloomberg Businessweek)今年5月到希爾斯伯勒工廠採訪時，英特爾為我們安排的參觀內容是自歐巴馬總統2011年訪問該公司以來涉及範圍最廣的。

英特爾如此謹慎可以理解，畢竟，新款微處理器的開發和製造是商業上成本最高、風險最大的冒險行動之一。

據市場研究公司Gartner的數據稱，僅建造能生產類似E5這樣的晶片的工廠，就需要耗資85億美元。

這還不包括晶片研發成本（20多億美元）和集成電路平面設計成本（超過3億美元）。

一旦發生「偏差」（這是英特爾對項目失敗的委婉說法），即便是最小程度的偏差，就要額外耗費掉數百億美元的費用，而整個過程要花費5年甚至更多的時間。

VMware執行長、曾在英特爾長期供職、前不久還在擔任英特爾首席技術官的派特蓋爾辛格(Pat Gelsinger)說，「如果你想短時間內獲得滿足感，還是不要選擇晶片設計師這一行……很少有什麼職業像它這樣的。

」

頂級的E5系列微處理器零售價在4115美元，它外觀僅相當於一枚郵票大小，但一年耗費的能源比一台大容量惠而浦冰箱(Whirlpool)還要多出60%左右。

不論你在谷歌(Google)上搜索，還是用優步(Uber)叫車，或是讓你的孩子在你車裡用流媒體看情景喜劇《打不倒的金咪》(Unbreakable Kimmy Schmidt)第三集，你都要用到這些晶片。

上述這些電腦科技領域的傑出應用成果往往被歸功於智慧型手機的興起，但實際上，難度最大的工作都是通過數千台伺服器完成的，而這些伺服器幾乎全部用的都是英特爾製造的晶片。

1971年，英特爾公司造出了世界上第一隻微處理器，在安迪葛洛夫(Andy Grove)的帶領下，到上世紀90年代，總部位於加州聖克拉拉的英特爾已成為一個家喻戶曉的名字，全世界大部分個人電腦用的都是英特爾的晶片。

但是過去五年來，隨著智慧型手機日漸普及，個人電腦的銷售量一路下滑，英特爾在適合智慧型手機的低能耗晶片的開發方面進展緩慢。

為實現公司現任CEO布萊恩克里扎尼奇(Brian Krzanich)所說的「自我再造」，該公司前不久宣布，將裁減11%的員工。

英特爾目前仍是全世界最大的晶片製造商，據市場研究機構國際數據公司(IDC)稱，全世界電腦伺服器所用晶片有99%來自英特爾。

去年，英特爾的數據中心業務部門實現收入約160億美元，利潤率接近五成。

英特爾之所以能獲得這樣的霸主地位，一方面是由於競爭對手的不力，同時，也因為英特爾為確保其產品每一年都能實現顯著的、可預見的改善，不計代價地大力投入所需資金。

「我們的客戶期待他們能以他們上一年所付的同樣價格，在產品性能上實現20%的提升，」英特爾執行副總裁、公司數據中心業務總經理戴恩布萊恩特(Diane Bryant)說，「這也是我們的信條。

」

不過，對於個人電腦和手機類晶片來說，這一戰略效果有限，因為，速度和能耗效率達到一定程度之後，個人用戶對進一步改善提高就沒那麼在乎了。

但伺服器行業不同，眼下，諸如亞馬遜(Amazon.com)和微軟(Microsoft)這樣的大公司經營的數據中心正在競相為全世界類似網飛(Netflix)和優步之類的公司處理數據，而對於數據中心來說，晶片的性能至關重要。

在通常的伺服器集聚場，伺服器運行和冷卻所需要的電力是其所需各種成本中最大的一塊。

如果英特爾能以同樣的能耗實現更高的運算能力，數據中心擁有方就可以一次次地升級系統。

有很多東西取決於這一假設。

每一年，英特爾的管理人士都會設想公司能不斷推進集成電路、電子、矽原子的設計極限，在長時間難以盈利的前提下仍不惜花費數十億美元。

最終，隨著時間的推移，晶片會重複白熾燈、噴氣式客機和幾乎每一種其他發明所經歷的興衰過程；性能改進的速度會明顯慢下來。

對此，克里扎尼奇充滿信心地表示，「到一定階段矽晶片技術也會像那樣，不過，至少接下來的20年之內還不會……我們的任務是儘量推後這個過程，直到最後一刻。

」

小晶片多功能

微處理器可謂無處不在。

你的電視機、汽車、Wi-Fi路由器里都有；如果你的冰箱和空調機不算很舊，裡面應該也會有。

現在，甚至與網際網路相聯的照明裝置和一些運動鞋裡面也有晶片。

雖然你可能不認為這些裝置屬於電腦，但在一定程度上它們的確是電腦，也就是說它們用到了半導體晶片。

半導體實際上是一種轉換開關。

與普通開關需要你用手指去操作不同的是，它利用很小的電子脈衝信號來完成開、關操作，以一台功能強大的電腦來說，脈衝頻率可高達每秒鐘30億次。

轉換開關可以做什麼？你可以用它來存儲剛好一個「比特」的信息。

「開」或「關」，「是」或「否」，0或1，這些狀態都可以用一個比特的數據量來傳遞。

（一個字節有8個比特的信息量，一個千兆字節有80億個比特。

）最早期的電腦用穿孔卡片，通過有孔、無孔兩種狀態的排列來存儲比特，但這種方式畢竟存儲容量有限。

用開關可以完成的另一項功能是計算。

將7個開關以適當順序串起來，就可以進行兩個小數字的加法運算了。

如果將2.9萬個開關串起來，那就是1981年IBM公司最早的個人電腦所用的晶片。

到了現在的E5晶片，裡面有72億個開關，用它可以預測全球天氣趨勢、對人類基因組作排序、探明海底的石油天然氣儲量等等。

每隔3年左右，英特爾新出的半導體晶片的尺寸就會縮小大約30%。

2009年時是32納米，到2011年就縮小到22納米，到2014年底的最新技術階段就只有14納米了。

每一次「開關」尺寸明顯縮小，就意味著晶片設計師們可以在同樣的空間裡放進兩倍的半導體。

這種現象被稱為「摩爾定律」。

半個世紀以來，在這一定律的作用下，大約每隔3年，你買到的晶片的性能就提高一倍。

小晶片大世界

英特爾最新的「至強」處理器利用了該公司1990年代以來的研究成果，當時，玻爾在俄勒岡州實驗室的團隊開始嘗試利用「量子隧穿效應」，也就是電子試圖跳過很小的半導體（即便這些半導體處於關閉狀態）的傾向。

這是英特爾公司在挑戰物理現象的鬥爭中所涉及的最新領域。

之前業界一直認為，一旦矽晶半導體的尺寸縮小到65納米以下，它們就會停止正常工作。

玻爾2007年針對這一現象找出的解決辦法是，在半導體部件上塗上鉿（一種銀色光澤的金屬，在自然界中無法單獨存在）；從2011年開始，他們將半導體做成小的塔形，也就是所謂鰭形場效應半導體，簡稱FinFET。

「我們最早的FinFET更像是梯形，而不是又細又直的塔形。

」玻爾帶著有點失望的語氣回憶說，「但現在它們更細更直了。

」他又驕傲起來，指著一張近期通過顯微鏡拍攝的圖片說。

圖片上，一片淺灰色基底上落著兩塊筆直的黑影。

這些圖片很像是牙齒的X光照片。

對這些照片，英特爾人稱它們是「嬰兒照」。

如何讓半導體尺寸縮小還只是研究團隊要解決的難題之一。

另一個難題是，如何處理更複雜的導線布線問題，所謂導線，這裡指的是將一個又一個半導體相互連接起來的交叉引線。

「至強」處理器有13層銅導線，其中有些導線的直徑比單個病毒尺寸還小。

布線時先在絕緣的玻璃材料上刻出細線槽，然後將銅絲嵌入這些槽里。

雖然半導體材料往往尺寸越小傳導效率越高，但導線並不存在這樣的特性。

相反，導線越細，單位時間裡可以通過的電流就越小。

英特爾公司負責「至強處理器導線問題的是公司中級工程師凱文菲舍爾(Kevin Fischer)。

2009年年初，當他坐進俄勒岡實驗室的時候，他只有一個簡單的目標，那就是解決導線最密集的布線層當中Metal 4 和Metal 6兩層的傳導性問題。

菲舍爾今年45歲，擁有威斯康星大學麥迪遜分校電子工程學博士學位。

為找到解決方案，他開始檢索學術資料，這也是英特爾公司研究人員通常採用的做法。

那個時候，英特爾已經採用了銅金屬這種導電性最好的材料，因此，他決定將問題集中在如何改善絕緣材料上面，也就是所謂電介質，這類材料會讓電流通過導線的速度放慢。

對於這個問題，選擇之一是採用新的更類似海綿結構的電介質，以便減少傳導阻力。

但菲舍爾提出，取消玻璃材料，什麼都不用。

「空氣是最好的電介質。

」他果斷地說，似乎他自己也被如此簡潔的解決方案驚呆了。

這個辦法果然奏效了。

Metal 4和Metal 6的傳導速度現在提高了10%。

晶片設計的核心主要是平面布局問題。

英特爾退休工程師、曾主管公司個人電腦分部的穆雷艾登(Mooly Eden)說，「它有點像做城市規劃設計。

」不過，將其比做城市規劃可能還是低估了它的難度。

再進一步打比方，一名晶片設計師必須把相當於全世界人口數量的半導體以適當的方式布置到僅1平方英寸的面積上，以便電腦能以每秒30億次的速度接入每一隻半導體。

一隻晶片的基礎部分包括內存控制器、緩存、輸入/輸出電路，以及最最重要的核心處理器。

在1990年代末常見的奔騰III處理器中，核心處理器和晶片本身基本等同於一回事；同時，一般來說，運行頻率越高，晶片的性能也就更強。

所謂運行頻率，就是指電腦每秒鐘可以開、合半導體開關的次數。

十年前，這個運行頻率最高可達每秒4000兆赫左右，也就是每秒鐘產生40億個電脈衝。

如果讓晶片運行得更快，它可能會因矽晶半導體變得過熱而不能正常工作。

對此，晶片行業的解決辦法是開始增加核心處理器，也就是晶片裡面再加小晶片，它們可以同時運行，就像一艘快船上裝上多部舷外馬達。

英特爾的這款新E5處理器計劃最多需要增加22個核心處理器，比之前的版本多了6個，準備在英特爾位於以色列海法的研發中心進行設計。

為了提高運行速度，另一個辦法是在上面增加特殊電路，也就是只完成單一功能、但運行速度極快的電路。

E5上面的各種電路中，大約有25%主要用於壓縮視頻和給數據加密。

E5還有其他的特殊電路，不過英特爾還不能透露，因為這些是為其最大的被稱為「超級七強」的客戶設計的，這七強是：谷歌、亞馬遜、Facebook、微軟、百度、阿里巴巴和騰訊。

這些大公司採購裝有「至強」系列處理器的伺服器時都是十萬套數量級的，而且往往會自己組裝。

如果你在戴爾(Dell)或惠普(HP)買了台現貨「至強」伺服器，裡面的「至強」處理器所包含的技術對你是保密的。

「我們（對雲服務客戶）會將獨特性能集成到產品里，只要它不會讓晶片過大、對其他人增加成本負擔，」布萊恩特說，「我們發貨給客戶甲的時候，它會看到這些獨特性能。

但客戶乙不會知道裡面有這些性能。

」

為向客戶解釋晶片性能，英特爾會編寫動輒數千頁的極其詳盡的說明書，為此，英特爾的架構師們需要花上一年的時間金這些架構師屬於最高級別的設計師，他們在工作中需要與客戶及俄勒岡實驗室的研究人員密切配合。

然後，他們要將這份說明翻譯成一種由各種基本的邏輯指令［比如AND、OR和NOT等（即與、或、非）］組成的程序代碼，再根據代碼生成顯示各個電路的扼要圖解。

這個過程中，最後、也是最耗費精力的一環是掩模設計，它需要構思如何將所有電路擠進一個實物平面圖里。

這個平面圖最終會轉移到掩模上，也就是用來在矽晶圓上燒制電路圖案並最終製成晶片的模版。

E5的掩模設計師分布在印度的班加羅爾和科羅拉多州的柯林斯堡。

他們採用計算機輔助設計程序來繪製代表每隻半導體的多邊形，或是複製從某類數字圖書館裡找到的以前繪製的電路圖。

曾經在英特爾擔任掩模設計師的科瑞納梅林傑(CorrinaMellinger)說，「你必須具備以三維方式將你的設計內容加以可視化的能力。

」

與英特爾公司里的大部分技術性職位不同，掩模設計不需要工程方面的高級學位。

這項工作更像是一門手藝。

梅林傑1989年加入英特爾擔任行政助理後，在一所社區大學單獨學了一門晶片平面布局設計課程。

每一次掩模設計到最後幾周總是最忙碌的，設計師們要不斷更新設計，以便安排最後一刻要加到平面圖裡的東西。

英特爾副總裁、柯林斯堡設計團隊經理帕特里夏庫姆羅(Patricia Kummrow)說，「從來沒有過一開始做的設計到最後能直接通過的。

」

最優秀的掩模設計師在看到多邊形圖後，立刻就知道如何將電路分別布置到各層，從而儘可能壓縮整個設計的體量。

「這就像是你剛完成一個拼圖遊戲，然後走過來跟我說，我需要再加10個小圖塊到大圖里。

」梅林傑說，「這種時候我會想，『好吧，讓我看看能用點什麼魔法。

小晶片有「魔法」

英特爾的晶片設計師都是些工作非常投入的理性主義者。

可以說邏輯是他們每天都要打交道的東西。

但如果要讓他們談談自己的工作，他們往往會藉助於近乎神秘的語言。

他們經常用的一個詞就是「魔法」。

英特爾前CTO蓋爾辛格說，1979年進入英特爾幾個月之後，他就「找到了上帝」。

「我一直認為他們是相依相伴的。

」他指的是半導體設計與信仰的關係。

英特爾產品經理瑪麗亞萊恩斯(Maria Lines)在回顧過去幾年的職業生涯時變得很激動，她說，「我工作涉及的產品幾代之前有大約20億個半導體，現在呢，已經是100億個了……這怎麼說呢，真讓人震驚，簡直不可思議。

就像生寶寶一樣神奇。

」

一款晶片降生的那一刻被稱為「第一隻矽片」，即晶片樣本。

E5處理器的「第一隻矽片」誕生於2014年。

當時，班加羅爾的一個團隊向位於加州聖克拉拉的英特爾掩模中心送出了一份7.5千兆字節的包含全部設計內容的文件。

在接下來的一周，相應的掩模被送到英特爾位於鳳凰城附近的一處與俄勒岡一模一樣的實驗室里，隨後，各種機器開始進行緩慢而精確的工作。

這些掩模是一些6×6英寸的半導體矽片，上面攜帶有之後將刻印到每隻晶片上的半導體被稍加放大後的版本。

在經過所有這些沒日沒夜的忙碌之後，2015年的大部分時間裡，設計師們靜靜等待著對新樣品進行測試。

每次修改大約需要3個月左右的時間。

英特爾公司副總裁、數據中心設計部門總經理史蒂芬史密斯(Stephen Smith)說，「這個過程冗長而乏味。

」

儘管晶片電路本身已經無比複雜，但是測試過程讓微型晶片的開發成為所有行業風險最大的一個。

如果在拿到「第一隻矽片」前經過了多次失敗，整個項目將會大大延遲，收入會嚴重受損。

而隨著半導體一代比一代小，後面的風險也越來越高。

克里扎尼奇指出，與10年前相比，現在開發生產一款新晶片的時間整整增加了一倍。

「把東西做得更小是一個物理上的問題，總還是有辦法解決的，」他說，「但問題是，你能以一半的成本來實現這一點嗎？」

整個製造過程的最後一環是封裝，由分布於馬來西亞、中國和越南的封裝廠完成。

在這些工廠里，成品晶圓被金剛石鋸切成小方片，隨後進行封裝和測試。

2015年秋季，英特爾向「超級七強」及其他大客戶贈送了10萬隻晶片。

隨同每隻晶片一同交付的軟體到最後一刻還做了小改動，英特爾用了6周的時間進行了最後測試。

直到今年的早些時候，新款E5處理器的生產才全面鋪開，在英特爾的亞利桑那工廠，以及跟它設施完全一樣的愛爾蘭萊克斯利普工廠進行。

在接下來的12個月，英特爾將發售數百萬隻這款晶片。

如果客戶足夠幸運，他們可能永遠都「無緣」見到藏在伺服器里的這些晶片，更不用考慮它們是如何製作出來的了。

但是，如果你有機會打開一台新的伺服器，你就可以看到一隻完好的晶片了，它封裝在印有英特爾藍色標識的陶瓷材質封套里。

如果你仔細查看封套裡面，就會發現13層連接引線，但如果裸眼看上去的話，除了一塊光禿禿的金屬板好像什麼也沒有。

隔著多個材料層下面會是閃爍著藍、橙、紫色光的矽金正是這些纖細密集的迷宮般的電路，以某種方式幫助我們的整個世界日夜運行。

你或許會覺得它們看上去很美。

身為英特爾製造工藝研究部門首席科學家的玻爾有時也會這麼覺得。

不過，作為一名科學家，他知道他看到的並不是顏色，而是光，是經過他和他的同事們印製在矽片上的設計圖案反射和折射後的光。

單個半導體本身的尺寸比任何光波的尺寸都要小，「當東西做到那麼小的尺寸之後，顏色已經沒什麼意義了。

」他說。

他要去參加一個有關英特爾5納米晶片的討論會，這比現在的E5處理器要先進兩代，不過他遲到了。

在許多晶片業人士看來，5納米晶片將是一個臨界點，再往下面，就沒可能繼續縮小晶片尺寸了，也就是說，摩爾定律將最終失效。

英特爾希望採用一種被稱為極端超紫外光的新技術來製作5納米晶片。

這種新技術尚未被有效利用。

5納米之後再提升，就需要藉助於新材料了，有人認為，納米碳管將取代矽金甚至可能還會誕生全新的技術，比如神經形態運算技術（模仿人腦設計的電路）和量子運算（以原子粒子單體取代半導體）等。

「我們正在壓縮要考慮的選項，各種大膽而瘋狂的想法太多了，」玻爾說，「其中有些想法最後根本做不出來，」但接著他又非常肯定地追了一句說，「有那麼一兩個應該還可以。

」

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