簡鴻翔助教
前言
近期美國制裁中國華為公司以及中芯半導體，禁止使用美國EDA (電子設計自動化)產品以及曝光機(主要廠商為ASML，荷商艾司摩爾，台灣很多媒體稱為光刻機)進口到中國，導致兩國關係緊張，那麼為什麼這兩樣東西那麼重要呢？這又和CPU有什麼關係呢？手刻7nm真的可能嗎？請聽筆者簡單敘述後各位讀著們就會知道了。
我們首先要知道在你我手邊的電腦、手機、智慧型手表、電視機、等含有晶片(IC)的產品都是由半導體做成。半導體主要是由矽晶片做基底製成經過塗佈光阻劑後曝光顯影蝕刻最後剝除光阻劑等步驟後接著到下游廠商進行封裝測試然後出貨。就因為半導體製程是非常精密且複雜的程序，過程中少了關鍵的設備或是材料都會使得技術直接落後給競爭對手從數個月到數年的時間不等，更因業界摩爾定律(每兩年電晶體密度加倍，INTEL公司則是每18個月加倍)的關係，而且現在的晶片都在追求效能更好，整合的功能更多，而且還要更省電，這時使用舊製程的產品便會得不到廠商的青睞，除了會造成產品更加耗電以外以及因為晶片面積比較大的關係，所以必須犧牲掉部分的功能，會導致自家的產品競爭力下滑，逼使得廠商得轉單給競爭對手，頓失商機。
什麼是奈米?
首先讓我們認識奈米這個單位，1奈米=十億分之一公尺(10-9m)。這樣的尺寸大約只有DNA的大小，1奈米大約是2~3顆金屬原子、或是10個氫原子排列在一起的寬度，一根頭髮的直徑大約是30,000~50,000奈米。所以我們幾乎是感覺不到也摸不著奈米，更別說用手刻，如果想看到奈米的世界，就只有使用高解析度的顯微鏡才看得到它了，更不用說這是物理之壁，就等著工程師來挑戰這個極限了。
什麼是CPU?
CPU的全名為中央處理器Central Processing Unit，英文縮寫：CPU，是電腦核心裝置，也可以比做為大腦，主要功能是提取、解碼以及執行最後是寫回。我們應該要曉得電腦的語言其實是一連串的010101組成，而非人類認知的語言，所以CPU將指令提取後做解碼動作，接下來分給以下兩個單元做執行的動作。
在CPU中其實還包含了控制單元(CU)、算術邏輯單元(ALU)這兩個部分。
控制單元（Control Unit, CU）負責解讀指令，指揮各個單元之間的運作，是電腦的控制中樞，也就是如指揮管制中心，負責控制電腦內其它各單元之間的工作配合及各項資料傳送。
算術與邏輯單元，如果接收到的資訊需要運算或邏輯判斷，則交給算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit, ALU）。ALU內有一個暫存器(Register)，可以用來暫時存放運算過程中使用到的資料或程式。
微處理器發展簡史
我們知道世界上第一顆微處理器是INTEL公司出產的，但應該不多人知道INTEL公司其實是做靜態記憶體(SRAM)起家的，但隨之而來的是日本企業的競爭，東芝、松下、日立、日本電氣(NEC)等企業陸續加入研發記憶體壓縮市場，所以INTEL公司決定壯士斷腕放棄記憶體這塊藍海，轉投入專心發展CPU的研發與製造。雖然最近INTEL公司又將記憶體(NAND)賣給了韓國SK海力士公司。
世界上第一顆微處理器是INTEL公司出產的4004，或者應該說是第一顆將分散各處的處理器合併到一顆積體電路內，該CPU為4位元，10m製程，2,300顆電晶體，賣給日本Busicom公司生產計算器用，後續的CPU為4040、8008、8080、8085等，直到8086之後才比較廣為人知，因為IBM公司代號為PC XT產品就是採用此款處理器的微電腦；這顆處理器也是所謂的X86架構的起點，同時也是INTEL公司的第一顆16位元處理器，8086為3m製程，29,000顆電晶體，16位元處理器的發展直到80286為止。後繼的80386是INTEL公司第一顆32位元的處理器，將個人電腦帶入32位元的時代，也稱為IA32，直到AMD公司(美商超微)開發的AMD64指令集的出現才正式將個人電腦帶入64位元的時代，80386為1m製程，275,000顆電晶體。其實在AMD64出現之前，INTEL公司和HP公司合作出過IA-64架構，處理器名稱為Itanium，可惜其指令不相容X86指令集，雖然可以透過模擬X86指令，但是轉譯出來的效能頗差，導致只能在特定機型上看到，例如:印表機，特定型號伺服器才看的到這款處理器的蹤影，但筆者不得不稱讚一下這款處理器的誕生其實是為了解決X86指令混亂且長短不一，導致需要更多的電晶體來解決這些衍生的問題，Itanium的架構可以節省電晶體的面積，又可以達到簡單又高效能的期望，但最後INTEL公司還是在2017年停止生產這款處理器。
我們現在使用的個人電腦CPU則幾乎都是x86-64指令集架構。綜觀微處理器的發展史，曾經有一段時期是將CPU的輔助記憶體L2 Cache(第二層快取記憶體)從CPU外搬到CPU旁，因為當年製程的關係導致晶片的良率不足，所以導致CPU產量少而且價格昂貴，所以又將L2從CPU旁搬出來(本段歷史代表為INTEL Pentium Pro~Pentium 3-Coppermine)，其實當年INTEL公司在發展Pentium 4時曾經有個偉大的計畫要將CPU的時脈提升到10GHz，但是因為當年製程的關係最後卡關在3.8GHz，因為當年的製程&設計的關係導致電晶體的漏電流激升使得CPU溫度上升，最後就是CPU會啟動保護機制導致降頻，而且因為架構設計為超深管線的關係導致效能落後競爭對手(主要為AMD公司)，最後該計畫以失敗收場，因為競爭對手已經發表雙核心處理器了。
結語
曾經是半導體的龍頭INTEL公司，因其內部一連串的決策錯誤關係導致製程在今年(2020)才能量產10nm的CPU，前兩三年則是卡關在14nm，被戲稱為14nm++++++，而其它業界的競爭對手則已經進步到7nm以及更先進的5nm製程甚至3nm，導致INTEL公司的市占率下滑，雖然INTEL公司的10nm製程在相同的單位面積可塞入的電晶體數量比競爭對手更多，但是該製程出現的太晚，前一陣子還有新聞傳出INTEL公司想將部分CPU轉交給台積電代工但是遭INTEL公司否認。而中國以及歐洲也不想受制於美國，歐洲也要開始發展自己的晶圓產業鏈了，中國則是投資的更早，但是晶片的代工需要長時間的知識累積以及大量人力的投入(例如台積電的夜鷹計畫)方有今天成就，不是說從哪邊把人挖來或者是肯砸大錢就可以在幾年內追上業界領先者的(目前為台積電以及韓商三星公司)，更不用說還有業界最大的魔王-專利權的問題，而即使將電路圖畫好，也需要透過EDA等軟體的驗證證明設計可行性，然後提供修改意見才能進行晶圓的製作，更不用說設立晶圓廠帶來的環保問題以及水電消耗的問題等等，所以要發展晶圓產業鏈，這些都非一蹴可幾，不過雖然臺灣在這晶圓代工短時間暫時不會被追上，但當年認為不可能挑戰的王者INTEL公司都落後了，那還有什麼是不可能的呢?套一句網路鄉民說的話:十萬青年十萬肝，GG(網路上的人對台積電的暱稱)輪班救台灣有興趣的讀者可以GOOGLE一下大盤扣除台積電，就知道鄉民所言不假。
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