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芯片|一颗小小芯片 为何会产生那么大的热

滚烫的手机，温度过高而死机的电脑，这些问题时常困扰着广大的使用者们，这背后的原因多半要归咎于芯片过热 。实际上芯片的发热问题不仅造成了使用上的不便，也给生产者们带来了巨大的技术成本，并限制了芯片性能的进一步的提升 。
一颗小小的芯片为何会产生那么大的热量？芯片的性能与发热量有什么关系？工程师和科学家们又是用什么方法来解决这一问题？本文就将为你揭晓以上问题的答案 。
一，功耗是芯片的梦魇
1965年，英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出了经典的摩尔定律， “每18个月性能提升一倍，价格降低一半”，这条金科玉律就像一座路标，指引着行业发展的方向与节奏 。随之而来的就是更小的晶体管，频率更高的CPU，集成度更高的数字电路和更低的成本 。一代又一代的芯片和电子产品由专用走向普及，并逐渐渗透到了生活和工作的方方面面 。
也正是如此，人们打开了数字世界的大门，看到了前所未见的光景 。但与此同时，芯片性能的跃升也逐渐遇到了瓶颈……
【芯片|一颗小小芯片 为何会产生那么大的热】以栅极氧化层为例，在采用CMOS数字电路构造的CPU里，它起到关键的绝缘作用 。栅极氧化层不仅要保证表面平整，不能有缺陷，为了符合半导体工艺标准，它的厚度也有一个理论的上限值 。当制程工艺由90nm向65nm过渡时，虽然芯片的集成度得到了提升，但是想要将小于2nm的这层栅极氧化层的厚度继续降低，却是十分困难 。这一技术难题让英特尔这样的芯片巨头也为之头疼 。
随着芯片的加工工艺精度进入原子级别，任何缺陷都被会被无限放大，比如在内部结构中仅仅缺少一个原子的厚度，就可能引起非常大的漏电流，这样的漏电流不仅白白浪费了电能，更是引起芯片严重发热的原因 。以早期的英特尔奔腾四CPU为例，有一半的功耗就是由于漏电被浪费了 。
如今的CPU的单核速度可达到4GHz，算力的提升也带来了功耗和发热量的水涨船高，这时如果还照方抓药式地采用传统的风扇降温，CPU内部的热量就会迅速攀升甚至将其融化 。为了兼顾算力和功耗，工程师则采用了双核芯片及多核的方法，走多核芯片路线以分担单颗CPU的工作负荷间从而降低功耗和发热 。除此以外，此后材料的革新，也能够对功耗和散热起到了非常大的优化作用 。
二，神秘的测试
测试是检验真理的唯一标准 。就像学生时代的临考前，老师们千叮咛万嘱咐的一句话：做完题目别着急交卷，先检查检查，在半导体制造过程中更是如此，从芯片的制造到交付出货期间，芯片测试已成为了不可或缺的环节 。
在所有电子元器件的制造工艺里面，存在着去伪存真的需要，为了实现试验的过程，就需要各种试验设备，这类设备就是所谓的ATE（Automatic Test Equipment） 。
ATE是一种通过计算机控制，进行芯片、电路板和子系统等测试的设备，通过计算机编程取代人工劳动，自动化地完成测试序列 。ATE的应用场合涵盖集成电路整个产业链，主要包括了芯片的设计验证、晶圆制造相关的测试到封装完成后的成品测试 。
ATE市场的发展可以追溯到1960年代，早期的半导体测试设备发展并不完全是由独立的设备商引导，而是由半导体制造公司主导 。仙童半导体（Fairchild）、德州仪器（TI）等制造企业生产ATE都是用于内部使用，而从1980年代起，ATE领域开始进行整合，2011年惠瑞捷（VERIGY）被收购后，形成了以泰瑞达（Teradyne）和爱德万测试的双寡头格局 。
回顾ATE的发展史，可以说泰瑞达是“第一个吃螃蟹的人” 。早在1960年，两位麻省理工高材生在波士顿创立了泰瑞达公司 。如今，在波士顿总部的展示区域，依旧陈列着世界上第一台ATE设备D133，它是1961年推出的第一台二极管测试机，标志着自动测试设备迈入全新纪元 。Teradyne（泰瑞达）的命名颇有意思，名字中的"Tera"取自10的12次方的前缀，"dyne"是力学的单位 。如此命名，也意味着这家公司将是一股不容小觑的巨大力量 。
从70年代到80年代早期的十年间，集成电路经历了由小规模到中规模再到大规模和超大规模的变迁 。这时计算机控制的测试系统成为主要的测试设备 。80年代中期，随着门阵列器件的成功开发，对于测试方面要求达到了256管脚，速度高于40MHz 。进入到90年代，单片处理器单元（MPU）的问世也带来了高速高管脚数的ATE 。随后多媒体器件的出现使ATE变得更加复杂，需要同时具有数字电路、模拟电路和存储器电路的测试能力 。


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