纳米是长度单位！芯片里的单位纳米，代表芯片（处理器、半导体）制造工艺的不同工艺阶段，根据国际半导体技术蓝图(ITRS)【2017年后不再更新，继任者是被国际设备和系统路线图(IRDS)】，对半导体制程过程节点的定义如下：

芯片的技术节点（工艺节点、节点等）指一个特定的半导体制造工艺和其设计规则，不同的节点通常意味着不同的电路设计和架构。通常，技术节点越小意味着特征尺寸越小，从而生产出更小且速度更快且功率效率更高的晶体管。从这个意义上讲，越小的技术节点（纳米数小），代表着生产难度更大，所需要的工艺水平越高，自然，技术也就越先进。

芯片中的纳米意味着什么？

纳米是什么米？纳米是用于测量长度的测量单位。1纳米等于一米的十亿分之一，因此，纳米绝对不是用来测量长距离的。相反，它们用于测量极小的物体，例如现代CPU中的原子结构或晶体管，单个纳米比毫米小一百万倍。所以，纳米非常小。

芯片中晶体管是什么结构？任何芯片、IC、处理器、内存或GPU都是由大量晶体管的集成制成的。由于此类芯片是在内部集成了大量晶体管制成的，通常将其称为IC（集成电路）。并且根据制造这种芯片组的集成晶体管的数量，将它们分为SSI（小规模集成），LSI（大规模集成）或VLSI（超大规模集成）。晶体管由于集成电路（例如计算机处理器）包含微观组件，因此纳米对于测量其尺寸非常有用。实际上，纳米定义了不同的处理器时代，代表处理器（芯片）制造工艺的不同工艺阶段，这基本上是一种工艺技术，其中包括所涉及的制造工艺（如光刻）和物理参数（如尺寸和厚度）等，其中数字定义了晶体管与CPU中其他组件之间的距离。

晶体管实质上由漏极（Drain），源极（Source）和栅极（Gate）组成。在源极和漏极之间有一条使电子（从而电流）流动的路径，称为通道。Gate负责控制通道的宽度。通道越宽，电子在通道中流动的速度越慢，反之亦然。处理器中提到的纳米技术是通道之间平均距离的度量。晶体管越小，源极与漏极之间的距离越小，形成栅极下方的导电沟道所需的电子或空穴的数量就越少。需要较小的输入电压以产生较少的功耗，栅极的最小宽度就是工艺制程中的X纳米。

处理器架构——纳米技术：任何芯片，无论是处理器，内存还是GPU，都是通过集成大量晶体管制成的。晶体管只是电子信号的开关，具有两种状态（ON/OFF）。纳米架构是晶体管的大小。尺寸越小，可将更多晶体管嵌入到处理器芯片中，从而增加其计算量。45nm，32nm，28nm，14nm，10nm和7nm基本上是采用新制造技术的晶体管的缩放比例。芯片的长度越短，电流（或信息）可以流过的速度就越快。同样，较短的芯片消耗的电压更少。

为什么纳米小一点好？

过程节点的大小（以纳米为单位）描述了芯片最小可能元素的大小。可以这样想象：如果芯片的设计是数字图像，则一个"像素"的大小将是处理大小。制程越小，可获得的分辨率越高。制造商可以使晶体管和其他组件更小。这意味着更多的晶体管可以塞满较小的物理空间。

在给定的空间中可以容纳的晶体管越多，处理能力就越大。芯片组上使用的每个晶体管都将具有较小的尺寸。因此，可以在芯片组内部封装更多数量的晶体管，这些晶体管的尺寸与以较大纳米距离制造的芯片组的尺寸相同。如果平均缩小晶体管的所有部分，则该晶体管的电性能不会改变。

在小型芯片组中制造大量晶体管的设施可提供更多功能。

较小的晶体管速度更快，这使它们可以以更高的时钟速率工作。这样可以提高性能。这是由于计算并行性和缓存大小的增加。因此，如果希望加快芯片速度或添加新功能，则最好的办法是缩小其晶体管的尺寸。

较小的工艺也具有较低的电容，从而允许晶体管以更少的能量更快地打开和关闭。晶体管可以打开和关闭的速度越快，它的工作速度就越快。以更少的能量导通和截止的晶体管效率更高，从而降低了处理器所需的工作功率或"动态功耗"。动态功耗较低的芯片将使电池耗电更慢，运行成本更低并且更加生态友好。

较小的芯片也更便宜。芯片是在圆形硅晶片上制成的。一个晶圆通常将包含数十个处理器管芯。较小的工艺尺寸将产生较小的管芯尺寸。而且，如果管芯尺寸较小，则可以在单个硅晶片上安装更多管芯。这导致制造效率的提高，降低了制造成本。开发新工艺确实需要大量投资，但是在收回成本之后，每个芯片的成本将大大下降。

较小的工艺规模有何弊端？

散热。尺寸较小时，由晶体管产生的热量将具有较小的散热面积，这可能会导致芯片组过热。

较小的晶体管更难制造。随着晶体管的缩小，制造以尽可能高的时钟速度运行的芯片变得越来越困难。一些芯片将无法以最高速度运行，并且这些芯片将被"绑定"或标记为具有较低时钟速度或较小缓存的芯片。较小的工艺通常会以较低的时钟速度合并更多的芯片，因为制作"完美"的芯片更具挑战性。制造商小心翼翼地消除尽可能多的问题，但这通常归因于模拟世界不可避免的变化。

较小的晶体管也具有更大的"泄漏"。泄漏是晶体管在"关"位置时允许通过多少电流的度量。这意味着随着泄漏的增加，静态功耗或晶体管空闲时消耗的电量也会增加。泄漏量更大的芯片即使在不活动时也需要更多的功率，从而更快地消耗电池并降低运行效率。

较小的过程可能会降低产量，从而导致更少的全功能芯片。这可能导致生产延迟和短缺。这使得收回开发新工艺所需的投资更加困难。这种风险因素是任何新制造工艺的基础，但对于像半导体制造这样精确的工艺而言，风险尤其如此。

为什么纳米对智能手机如此重要？

移动互联网的飞速发展，带动了半导体行业的科技进步。在芯片制造领域，智能手机芯片的制作工艺和进度，大幅度的领先于传统的PC行业，是极具代表性的产业。追求更好、更快、更小的芯片是智能手机芯片不断前行的目标，这里就纳米对智能手机的影响展开。

谈论智能手机之绕不开的话题：纳米？在智能手机的世界中，不断看到终端制造厂商互相竞争，每年都在配备最新的X纳米处理器的同时发布旗舰智能手机。旗舰产品或任何智能手机必须具备的关键功能是性能、功耗和散热，在此基础上它应具有无滞后，快速且高效的界面，而这些都与"纳米"有关。智能手机的性能取决于各种因素，例如应用程序优化、RAM大小、操作系统和处理器的优化，而这其中，处理器的性能是重中之重，芯片制程工艺的数值是旗舰机比对的关键性能指标，相当于一个水杯的容量，决定着可以装多少水。下图统计了近年来Android手机在安兔兔上的跑分，但就芯片比对而言，制程的进步的确带来了性能的飞跃（蓝色：旗舰机，黄色：中端机，红色：低端机）。

移动处理器头痛的心脏健康指数——"纳米"，工艺节点越小，意味着更高的性能、更低的功耗和更高的集成度，也就意味着单位生产力更高，智能手机的心脏——芯片更强。

为什么晶体管之间的距离，纳米很重要？智能手机是便携式设备，这意味着它的空间有限，只能有限地容纳其硬件部件。所以不能使用标准的计算机和笔记本电脑处理器，因为它们的尺寸很大，这意味着需要更好的散热系统，这只会有一个结果——"空间不足！"。因此，许多公司已经开发了非常小的间距晶体管，以适合纳米面积的小型处理器，从而使其与智能手机兼容。移动处理器中的是处理器内部晶体管之间的最短距离。高通、三星、联发科、华为和苹果是为智能手机开发"纳米"移动处理器的领先公司。近年来，移动处理器中的"纳米"计数一直在从12纳米减少到10纳米再到7纳米（高通骁龙865、华为麒麟990）。纳米制造工艺术语定义了处理器的尺寸。使用20nm晶体管，可以将大约2500亿个晶体管安装在指甲大小左右的硅晶片上。比如说有一个盒子可以容纳100个大小为10cm的橡皮擦，每个橡皮擦之间相距1cm。如果减少橡皮擦之间的长度，我们可以容纳更多的橡皮擦吧？在移动处理器中的纳米后面使用类似的逻辑。同样，如果减小处理器中晶体管之间的距离，则可以安装更多的晶体管。更多的晶体管紧密堆叠在一起，这意味着在减少处理的同时电子的传播路径。这意味着更快的处理能力，更少的热量产生和低功耗。因此，移动处理器中的纳米越小，效率和功能就越强大。

高通公司的Snapdragon 855是在7纳米FinFET处理器上设计的，与10纳米芯片相比，可提供高达45％的性能提升或25％的功耗降低。

晶体管可以看做是单个处理单元，制程越小，可以在同一区域内放置的晶体管就越多，芯片中晶体管集成度就越高，从而可以进行更快，更高效的芯片设计，芯片中的晶体管数量倾向于确定芯片的处理能力。

写在最后

智能手机处理器可能无法提供PC和服务器硬件的最佳性能，但是这些小芯片在制造工艺方面一直处于业界领先地位。智能手机芯片第一个制造出了10nm和7nm尺寸的芯片，看起来它们很快也将达到5nm。先进的制造技术为提高能效，减小芯片尺寸和提高晶体管密度铺平了道路。

如果不谈论摩尔定律，就无法提及纳米和晶体管密度。简而言之，摩尔定律预言了加工技术的持续改进水平。通常将芯片收缩的速度与摩尔的预测进行比较，以衡量技术进步是否在放缓。摩尔定律是一项古老的观察，观察到芯片上的晶体管数量每年都会翻番，而成本却减半，这种情况已经维持了很长时间，但是最近一直在放缓。

缩小工艺尺寸是很困难的，但是这样做的好处是促使制造商追求越来越小的工艺尺寸。由于有了这种推动力，消费者每两年就能获得更快，更高效的芯片。这些进步使像智能手机这样的技术奇迹成为可能，并将带来下一代技术成就。

Mr.zhu

2025-05-26 19:34:45