地球上的硅能生产众少只晶体管?

硅 是一栽极为常见的元素,普及存在于岩石、砂砾、尘土之中。在地壳中,硅是含量第二雄厚的元素,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,看着众多无边的大海,双手捧首一捧沙子,让沙粒从指间徐徐滑落,吾们能够会想,沙子,答该是取之不尽、用之不息的吧!

地球上的硅能生产众少只晶体管?“吾思故吾在......” 

第1个题目:地球上有众少个硅原子?

地球上的硅能生产众少只晶体管?

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个题目:一个晶体管必要众少个硅原子?

地球上的硅能生产众少只晶体管?

要回答这个题目,最先吾们得清新晶体管的体积,人们频繁说的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幼尺寸,以CMOS工艺为例,特征尺寸典型代外为 栅的宽度 ,也即MOS器件的 沟道长度。

清淡来说,特征尺寸越幼,芯片的集成度越高,性能越益,功耗越矮。

而晶体管的体积(边长)自然要比特征尺寸大得众,答该是众少呢? 

吾们就以华为麒麟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 Plus EUV工艺制造,集成了103亿个晶体管,面积约100平方毫米。

地球上的硅能生产众少只晶体管?

地球上的硅能生产众少只晶体管?

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

伪定晶体管为正方形,则边长为100nm

伪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立方纳米硅由众少硅原子构成?答案:50个

计算手段如下:

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个晶体管构成的硅原子数

=50×100×100×100= 5000万个硅原子

是不是如许就能够算出地球上的硅一切能生产众少个晶体管?

请稍等,吾们看下面一张图 

地球上的硅能生产众少只晶体管?

固然晶体管自己的厚度约为100nm,芯片有源区的厚度不到10um,但其下方撑持的硅体却大约有1mm,如何得出?最先,晶元厚度清淡为800um,晶元切割消耗约为200um,800 200=1000um=1mm。

1个晶体管占据(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,晶体管自己所占的硅原子只占晶元中硅原子的万分之一,99.99%的硅原子只是行为陪衬,在生产过程中被占用或者被消耗失踪了。

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个题目:地球上的硅能生产众少只晶体管?

地球上的硅能生产众少只晶体管?

以现有的采用台积电7nm FinFET Plus EUV工艺制造的晶体管,地球上的硅可生产的晶体管数目为:地球上的硅原子数目÷每一晶体管所消耗的晶体管数目,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目为: 

2.82×10^35个晶体管得到这个答案后,题目就到此为止了吗?异国,这仅仅只是个最先! 

第4个题目:地球上的硅能用众久?

地球上的硅能生产众少只晶体管?

这,才是吾们真实必要关注的题目!上面挑到麒麟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目有关,而是和芯片的面积有关,由于工艺差别,晶体管大幼差别,消耗的硅原子数目也差别,而芯片的面积(体积)却和硅原子数目直接有关。

回答第二个题目时,上面吾们已经推导出1立方nm的硅中包含的原子数目为:50个,那么,1立方mm的硅中包含的原子数目为: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处理器如许100平方mm的芯片,一颗芯片消耗的硅原子数目为:100×50×10^18个,即 5×10^21个硅原子。

以如许的芯片为例,咨询中心 地球上的硅一切能够生产的芯片的数目为 :1.41×10^47 ÷ (5×10^21) = 2.82×10^25个 。

2019年,中国一切生产了2018.2亿块芯片,约占全球芯片产量的10%,能够估算全球芯片产量超过20182亿块,约为2×10^12块。芯片的面积有大有幼,吾们暂时以100平方mm为其中位数,则每年必要消耗的硅原子数目为:(2×10^12)×(5×10^21)=10^34个,伪定芯片年产量不变,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,吾们还不必不安,地球的寿命也不见得有那么长。但是,原形却是:每一年,芯片的需乞降产量都会有所增补。

2019年全球芯片产值4376亿美元,产量约为2×10^12(20182亿)块。这边,吾们做一个倘若,倘若全球芯片产值不变,但芯片价格越来越益处,用同样的美元可买到的芯片数目,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<43

也就是说,倘若同样的美元可买到的芯片数目每隔9-12个月翻一番,不到43年,地球上的硅原子就要用完了。

这不太能够吧,必定是吾们的倘若有题目,这时候,耳边飘来一句话:“用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18-24个月翻两番”。

每隔18-24个月翻两番和每隔9-12个月翻一番答该是相通的有趣,不过电脑的性能并不等同芯片的数目,但其中照样有必定的有关性的。

吾们清新:“用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18-24个月翻两番”正是摩尔定律的内容。地球上的硅到底够14万亿年照样43年呢?两者各有什么题目,智慧的读者,你清新吗?

第5个题目:摩尔定律还能再不息吗?

地球上的硅能生产众少只晶体管?

摩尔定律内容为:当价格不变时,集成电路上可原谅的元器件的数现在,约每隔18-24个月便会增补一倍,性能也将升迁一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上(翻两番)。 

摩尔定律里的”元器件的数现在“实际就是晶体管Transistor数现在。 

吾们就以麒麟990 5G处理器为例,内含晶体管数目约为100亿,2019芯片产量约为20000亿只。自然,许众芯片内的数目达不到这么众,但也有芯片中晶体管数目远远超过百亿,例如WSE芯片中晶体管数目达到了1.2 万亿。

现在以7nm主流工艺生产的芯片,其晶体管数目差不众都在百亿量级了。

20000×10^8×100×10^8 ×(1 2 2^2 2^3 ... 2^n) =2.82×10^35

2×10^22 (1 2 2^2 2^3 ... 2^n) =2.82×10^35

(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<43

倘若是每隔18个月翻一番,则43×1.5=64.5< 65 年,倘若是每隔24个月翻一番,则43×2=86年也就是说,只要65年或者最众86年,地球上的硅原子就要用完了!

而且,吾们估算时只考虑了硅在芯片制造上的行使,即硅仅仅用来制作高纯硅半导体。实

际上是,除此之外,硅还普及行使于耐高温原料、光导纤维通信原料、有机硅化相符物、相符金等,硅被普及行使于航空航天、电子电气、运输、能源、化工、纺织、食品、轻工、医疗、农业等走业。另外,吾们还异国考虑其它的行使,例如修路、修桥、修房子... 这些大量行使石头和沙子等硅化相符物的周围。

posted on 2020-03-14  admin  阅读量:

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