第4章 在更完美的世界边缘 公差0.0000001(10-7).9
芯片的度量单位通常用令人困惑的过程节点来表示。简而言之，过程节点就是相邻的两个晶体管之间的距离，或者是电脉冲从一个晶体管移动到另一个晶体管所需的时间。这样的度量方法更有可能为半导体专家提供有关电路功率和速度的真实情况。对于行业外的观察者来说，硅片上的晶体管数量仍然更具有说明性，尽管有相当数量的晶体管是在发挥与芯片性能无关的功能。
几乎正如摩尔所预测的那样，节点也缩小了。1971年，英特尔4004芯片上的晶体管间距为10微米，这块板上的2300个晶体管之间的距离仅相当于雾滴大小。到1985年，英特尔80386芯片上的节点已经缩小到1微米，相当于一个典型细菌的直径，处理器上通常有超过100万个晶体管。随着芯片不断更新迭代，晶体管数量越来越多，节点距离也越来越小。
1995年的克拉马斯(Klamath)、1999年的科珀曼(Coppermine)以及21世纪前15年的狼谷(Wolfdale)、克拉克代尔(Clarkdale)、常春藤桥(Ivy Bridge)、布罗德威尔(Broadwell)等芯片都参加了这场似乎永无止境的比赛。
对于最后提到的这些芯片，以微米为单位测量其节点已经变得毫无价值，只有使用纳米才有意义。纳米是微米的1/1000，等于十亿分之一米。当布罗德威尔系列芯片在2016年问世时，节点的大小降到了之前难以想象的一百四十亿分之几米，相当于最小病毒的大小，每块硅片上包含不少于70亿个晶体管。在本书撰写时，英特尔公司生产的天湖(Skylake)芯片所使用的晶体管是人眼可见的光波长的1/60，因此是看不见的，而此前4004芯片的晶体管很容易能通过儿童显微镜看到。1971—2016年集成电路芯片上的晶体管数量如图9-5所示。
图9-5 晶体管数量
注：如图所示，摩尔定律始终准确。最初的英特尔4004芯片集成电路在12毫米宽的硅片上塞了2300个晶体管。发展至今，芯片尺寸比之前小了很多，却包含超过100亿个分立式晶体管。摩尔定律描述了一种经验规律，即集成电路上的晶体管数量约每两年翻一番。该发展与其他方面的技术进步同样重要，比如电子产品的处理速度和价格，均与摩尔定律密切相关。
将来还会出现越来越惊人的数字，晶体管的数量会越来越多，节点也会越来越小，而这些全都处在摩尔于1965年提出的参数范围内。该行业已有半个世纪的历史，在这一规律的效益经济的推动下，正尽其所能地维护摩尔定律，在可预见的未来年复一年地加以实现或改进。一位英特尔的高管曾自信地表示，2020年生产的芯片上的晶体管数量可能会远远超过人类大脑中的神经元数量。这样的统计数据表明，摩尔定律的影响是不可估量的。
精密的芯片加工
2018年从阿姆斯特丹运到英特尔钱德勒市晶圆厂的15台巨型芯片机便是用于实现这一目标的。芯片机制造商阿斯麦，原名先进半导体材料国际公司(Advanced Semiconductor Materials International)，成立于1984年，是从最初以电动剃须刀和电灯泡而闻名的荷兰飞利浦公司分立出来的，目的就是为了制造芯片机床，其中，光是关键。在集成电路生产早期，芯片机是利用强烈的光束在芯片上的光敏化学品中蚀刻痕迹的。后来，随着芯片上晶体管的尺寸越来越小，又开始使用激光等高强度光源。
生产一块微处理器芯片需要3个月的时间。首先，将精炼出来的纯硅制成一根非常易碎的400磅重的圆柱形硅晶棒，用细线锯将其切割成餐盘大小的晶片，每个晶片的厚度恰好为2/3毫米；其次，利用相应的化学品和抛光剂把每个晶片的上表面打磨成镜面光洁度；最后，把经过抛光的晶片送入阿斯麦芯片机，进行漫长而烦琐的加工，最终成为可运行的计算机芯片。
在加工过程中，沿着网格线，每个晶片将被切割出1000块芯片。每块芯片都是从晶片中精确切割而成的，最终将承载数以十亿计的晶体管，形成一颗颗不会跳动的“心脏”。如今，所有的计算机、手机、电子游戏、导航系统、计算器和地球上空的所有卫星，以及地外的所有航天器都拥有一颗这样的“心脏”。在切割出芯片之前，对晶片的处理要求几乎达到了人类无法想象的微型化程度。先是小心翼翼地把新设计的晶体管阵列图案画在透明的熔融二氧化硅掩模上，然后透过掩模发射激光，激光束穿过透镜阵列或经由长距离反射镜反射，最终将高度缩小的图案精确地刻印在已网格化的晶片的相应位置。这样，就可以不断地对晶体管阵列图案进行极其精确的复制。
在第一遍激光蚀刻完毕后，将晶片取下来仔细清洗，干燥后再放回芯片机上，用激光刻印另一个亚微观图案。该工序反复进行，层层叠加，直到刻印完三四十层乃至60层极薄的图案，每一层图案以及每层图案中的每一小块都是复杂的电路阵列。当最后一次蚀刻完成时，晶片虽已经过多次激光蚀刻、清洗和干燥，其厚度并未比3个月前未经加工时增加多少。芯片机对其所进行的加工就是如此精细。
其中，清洁是最重要的。如果在激光穿透时，一粒极微小的灰尘瞬间落在了要绘制图案的掩模上，结果会怎样？尽管尘埃粒子对人眼来说可能是不可见的，比可见光的波长还要小，但是一旦它的影子穿过所有的透镜，经由所有的反射镜反射，就会在晶片上形成一个“巨大”的黑点，毁掉数百块即将制成的芯片，进而造成价值数千美元的产品损失。鉴于此，阿斯麦公司集装箱里所装的芯片机都是在仓库大小的房间里运行，而这些房间比外面的世界清洁数千倍。
各种制造工艺都有众所周知的、国际公认的清洁标准。NASA工程师曾于马里兰州戈达德航天中心(Goddard Space Center)的无尘室里组装詹姆斯·韦伯太空望远镜（见图9-6）。有人可能会认为该无尘室是清洁的，但实际上，其清洁度等级仅为ISO7，而该标准允许每立方米空气中含有35.2万个0.5微米大小的颗粒。与之相比，荷兰阿斯麦工厂内的房间清洁度等级要高很多，达到了ISO1标准中更为严格的限制要求，即每立方米空气中仅允许含有10个大小不超过0.1微米的颗粒。相比之下，生活在正常环境中的人类就像是游走在由空气和蒸汽构成的瘴气中，而这种瘴气的清洁度只是阿斯麦工厂内的房间清洁度的1/5000000。这就是现代集成电路环境的要求，在这个环境中，精确度似乎正逐渐达到一种十分不真实、近乎不可思议的程度。
图9-6 詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜
注：这一望远镜的直径超过7.2米，能从距离地球160万千米的位置进行观测，可以极大地提高我们窥探宇宙边缘以及宇宙形成过程的能力，原定于2019年发射，实际于2021年12月发射升空。
如今，借助最新的光刻设备，就能够制造出包含大量晶体管的芯片：一个电路中包含70亿个晶体管，1平方毫米的芯片空间中包含1亿个晶体管。但这样的数字也给我们敲响了警钟，毫无疑问，我们正在渐渐接近极限。在经过近半个世纪的旅程后，这趟于1971年驶出的列车可能即将抵达宏伟的终点站。这一点似乎越来越有可能成为现实，尤其是当晶体管之间的间距越来越小，迅速接近单个原子的直径时。由于间距如此之小，一个晶体管的电气特性、电子特性、原子特性、光子特性或与量子有关的特性很快就会泄漏到另一个晶体管的场中。简而言之，肯定会出现短路。虽然这种短路没有火花，可能也并不起眼，但仍然会有失火的风险，对芯片及计算机等以芯片为核心的设备的效率和效用产生影响。
警钟就这样敲响了。然而，对于一个真正的芯片狂或是真正相信严格遵循摩尔定律及其预测便可以使人类世界变得更加美好的人来说，有一句口头禅耳熟能详：“再来一次，再试一次。”功率再增加一倍，尺寸再缩小一半，让“不可能”这个词在该行业变得无人提及、无人听闻、无人理睬。分子现实可能会试图强加新的规则，但是，这些规则与过去发生的一切都背道而驰，遵守这些规则就会剥夺计算机世界为人们所带来的雄心壮志及其影响力，而在计算机世界存在的这些岁月中，其影响力已远远超出人们的掌控范围。
因此，芯片机制造商现在正尽其所能去实现芯片制造商的愿望，帮助其达成在某些人看来似乎永远无法达成的技术梦想。尤其是荷兰的芯片机制造商，他们已经在这个行业投资了数十亿美元，迫切希望并需要保住那些投资。这些芯片机制造商研发的新一代设备似乎确实能够让芯片制造商将芯片尺寸变得更小，甚至达到看似不可能或不够审慎的程度，或许还会达到既看似不可能又不够审慎的程度。
新机器不再使用可见光激光，而是使用所谓的极紫外辐射，其特定波长为一百三十五亿分之一米。从理论上讲，这将使晶体管的制造达到原子级，达到最前沿、最尖端的超亚显微精确度，同时也能保持某种商业优势。
使用极紫外辐射远非易事。极紫外辐射只能在真空中传播，不能通过透镜聚焦，也不适用于众所周知的反射镜，只能借助昂贵的多层设备，即布拉格反射器。此外，极紫外辐射最好由等离子体产生。等离子体是熔融金属的高温气态形式，最易通过向合适的金属发射传统的高功率激光来获得。
一家后来被阿斯麦收购的美国公司已经探索出一种独特的方法来生产这种特殊的极紫外辐射。有人称该公司的方法近乎疯狂，原因显而易见。
将极纯的金属锡加热至熔化，然后将高温溶液喷射到真空室中，形成微小的喷射流。这股喷射流看似是连续的，但实际上是由液滴组成，其喷射频率为每秒5万滴。在经过第一遍激光照射后，这些液滴会变成扁平的薄饼状，表面积增大，然后再用非常强大的二氧化碳激光进行第二遍照射，每个扁平的液滴就会立即变成超高温等离子体，释放出所需的极紫外辐射流。与此同时，液滴在受到轰击时也会产生废锡碎片。若没有一股位置合宜的氢气射流将其轻轻拂去，这些废锡碎片可能就会凝固。
在这种冥古宙环境中产生的极紫外辐射先是穿过绘制了晶体管阵列的复杂掩模，即新的超微型集成电路，然后沿着布拉格反射器的阶梯路径向下移动，其中每个反射器都达到了惊人的光学精确度，最后抵达硅晶片本身，开始进行刻印，其机械公差低至十亿分之七米，甚至可能是十亿分之五米。在本书撰写时，这种技术似乎都运作正常。如果持续正常下去，那么以这种怪异的方式制造的第一批超复杂芯片会在2018年开始上市。到那时，已有53年历史的摩尔定律将再次应验。
挑战精确度极限
然而，所有人都在问：摩尔定律还能存续多久？极紫外光刻机的使用就像缓冲器一样，可能会让摩尔定律继续存在一段时间，但随后该缓冲器肯定会遭到全速撞击，一切都将戛然而止。换句话说，好日子很快就要到头了。天湖晶体管只有大约100个原子那么厚。尽管产生计算命脉1和0的开关正常进行，但这种微小元件所包含的原子确实非常少，使得这些数字的存储和使用变得越来越困难，越来越难以实现。有人计划绕过这些限制，将芯片堆叠在芯片上，通过一排排超精密排列的、非常细小的导线将芯片连接起来，使芯片本身变得越来越立体，以便可以再多推出几种所谓的“传统”芯片。这样一来，在一段时间内，芯片中晶体管的数量便可继续增加，而无须缩小单个晶体管的尺寸。
除此之外，还有其他材料和其他架构。有传言称，可以使用奇特的单分子厚物质石墨烯来制作芯片，因为石墨烯是一种二维薄膜状纯碳。此外，二硫化钼、黑磷和磷硼化合物也被认为是硅的替代品，可以保持势不可当的微型化趋势不断前进，以实现所需的用途。量子计算利用海森堡在1927年描述的亚原子世界的怪异模糊性，把它作为其能力的基础，这个领域越来越有吸引力，可能是未来的发展方向。
然而，到了这个级别，测量会变得越来越不稳定，模糊性会超越准确度，精确度徘徊在悖论的世界中，极限变得毫无意义，数字消失在量子化的迷雾中，只有一些实数需要认真对待。也许最重要的是所谓的“普朗克长度”(Planck length)，在这个由计算而得的固定尺度上，经典时空观逐渐消逝，物理尺寸的概念也变得毫无意义。
普朗克长度有一个实际值。至少，只要大家相信已知宇宙中的两个确定常数本身是永恒不变的，相信光速和牛顿引力常数是恒量，那么它就有一个值。普朗克长度已经计算出来：
1普朗克=0.000000000000000000000000000000000016229(38)米
小数点后的位数比氢原子的直径多了约20位。换言之，只要相关常数也永恒不变，我们就可以根据这个距离计算出时间。因此，光子穿过一个普朗克长度所需的时间可以计算出来，而且已经计算出来了：对这一微小的时间范围的最佳估计值为5.39×10-44秒。
至此，精确度的发展被打乱了，它完全不可能超越某个点。某些国家的计量中心以及世界上某些高水平的国家和大学实验室正在研究的技术可以在一定程度上突破原子极限。例如，光场压缩技术(light squeezing)可以在亚原子的尺度上进行一些实际测量，而非如前文给出的那两个非常小的数字般基于计算而得出。但是，存在一个几乎普遍公认的极限，超过这个极限的东西是无法测量的，因此也就无法制造。
精确度的发展在近原子级微小的世界中可能确实存在局限性，但在另一个极端还是有些潜力的。超精密设备和仪器的制造在这个被打乱的极端世界的另一端仍然有效，正如经过精密设计的詹姆斯·韦伯太空望远镜可以窥探宇宙边缘，这类制造在对遥远事物的探究中是有价值的。此外，在探究萦绕于我们现代人的想象中的重大宇宙学问题时，超精密设备和仪器的制造也有效用。
因此，美国正在挑战精密工程的最高精确度极限，于华盛顿州和路易斯安那州建造激光干涉引力波天文台巨型仪器，而这些仪器也将在印度西部的平原上建造（见图9-7）。从各个角度来看，激光干涉引力波天文台都是巨大的，这点与集成电路可能恰恰相反。前者达数千米之巨，而后者却仅有几纳米。但是，两者的制造所达到的纯度和精确度几乎相同，这点在偏远的激光干涉引力波天文台基地可能更加显著。此类基地用于探究宇宙中一个持久而基本的问题。
图9-7 激光干涉引力波天文台鸟瞰图
注：位于美国华盛顿州中部的沙漠里的即图中所示的天文台。
激光干涉引力波天文台观测实验
爱因斯坦曾预言，遥远的宇宙事件会在时空结构中引发涟漪，即引力波。如果这些引力波经过或穿过地球，就会改变地球的形状。激光干涉引力波天文台的建造就是为了观察地球形状的这种微小变化是否真的存在，以及它是否可以测量。
为了证明地球的形状发生了微小的变化，需要建造一台巨型的超灵敏的干涉仪。因此，1991年，激光干涉引力波天文台诞生了，更准确地说，是政府批准拨款了。人们公认激光干涉引力波天文台的组件是人类制造的精确度最高的物体。这就说明，不但在研究或创造近原子级精确度的微小物体时需要达到最高精确度，在研究尺度巨大且距离接近无穷远的外层宇宙物体时也需要达到最高精确度。
典型的干涉仪使用的是一种已知颜色和波长的纯色强光。这种光通过透镜照射到一个设备上，该设备主要为半镀银镜，可以精确地将光束一分为二。接着，这两束管状纯红光由彼此成90度角的路径导向反射镜，然后由反射镜反射回分光镜上，最后在导向探测器的过程中进行复合与叠加。
如果两束光的长度完全相同，则复合红光的圆形图像就会被放大，其亮度与分光前相同。反之，如果两束光的长度不同，就会相互产生破坏性干扰，探测器将记录颜色环，观察和分析人员可从中看出差异有多大。
激光干涉引力波天文台观测基本上是一项实验，使用了两台设计相当简单的巨型干涉仪，且很快就会变成3台。乘飞机在华盛顿州中部沙漠或路易斯安那州中南部茂密的森林上空8千米的高空飞过时，使用过干涉仪的人很容易就能认出这两台激光干涉引力波天文台观测仪器：两条长臂正好成90度；两臂相交处有一栋建筑，里面必然放着分光镜；还有延伸建筑和较小的建筑，里面分别放着激光光源、探测器和分析设备；在美国北部的沙漠灌木丛或南部深处的山毛榉木兰林地中，一切都显得平和宁静，长而直的小路横贯其中，看起来就像纳斯卡(Nazca)线条，显得格格不入却又令人惊叹。
激光干涉引力波天文台观测实验的目的是，测定每个天文台的两条长臂相对于彼此的长度是否发生了变化。如果发生了，即便是极其微小的变化，也有可能是引力波在穿过地球时造成的。
在地面上，这些仪器是工业规模的庞然大物，其长臂主要是一眼望不到头的地铁大小的管子。两条长臂连接的地方聚集着嗡嗡作响的机器和复杂得令人眩晕的电子设备。使用机油的技术和使用硅的技术在这里完美共存：真空泵抽真空；激光发生器产生激光；伺服电机进行微观调整；控制室里的计算机昼夜不停地运转，解读光束以每秒数百次的速度在镜间来回传播时流入的数据。一切都是为了那个极其微弱的希望：有激光束沿之传播的两条管子相对于彼此的长度将偶尔发生变化。
2015年9月14日，变化发生了。当时，观察者首次发现了爱因斯坦在几乎整整一个世纪前预测的现象。利文斯顿控制室里的计算机注意到了这一点：周四早上5：51，路易斯安那州当地日出前半小时，河口鳄鱼还在睡觉，信号出现了异常。那里的观察者可能已经疲惫不堪，但是在激光干涉引力波天文台科学合作组织这个庞大的参与者网络中，世界上其他地区有些精神饱满的观察者也注意到了这一现象。当时，华盛顿州的汉福德本应是夜深人静的3：51，莱布尼茨是12：51，德里是17：21，东京是20：51，墨尔本的莫纳什大学(Monash University)是深夜22：51。
世界各地的观察者都发现了这一变化。在利文斯顿发现一个信号突然上升，汉福德的探测器便准确地复制了这个信号。然而，并不是所有的探测器都打开了，当时，天文台正处于检修运行阶段，在长达数月的时间里，检修人员对各个部件都要认真地检查以确保其精确度和准确度。通常情况下，观察者只有在观测运行时才会进行观察，但在引力波的世界里并不存在什么通常情况。第一个基本的激光干涉引力波天文台建于20世纪90年代末，于2002年开始探测引力波。然而，在过去13年的所有运行期间都没有任何发现。花费了纳税人数亿美元的财产，却没有任何收获，这让观察者近乎绝望，他们早就盼着能有所发现了。
因此，当帕萨迪纳那位午夜观察者发出第一条标题为“第八次检修运行中发生非常有趣的事件”的消息时，整个组织的人都睁大了眼睛，同时也开始变得疑惑起来。
他们说这是不可能的，因为设备正处于调试阶段，肯定会时不时地抛出虚假数据。此外，系统中还有防止操之过急的设置，即由观察者和机器进行所谓的“注射”，将匿名的虚假结果注入系统中，以使所有的天体物理学家都保持警觉。
几天过去了，几周过去了，几个月过去了。在这段时间里，世界各地的观察者都接受了调查，都被问到了这样一个问题：你注入虚假结果了吗？他们纷纷表示否定。同时，技能、学识和智慧均日益提高的分析师和数学家反复对两个天文台和那些小观测站的观测结果进行了分析，逐渐打消了人们的疑虑。激光干涉引力波天文台的大师们意识到他们手上有了可公布的发现，于是在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一篇科学论文，然后于2016年2月11日在华盛顿举行了一场人头攒动的新闻发布会，宣布了一项至少会使科学界以及许多非专业人士深受震撼的消息。
美国国家科学基金会在项目启动后的40年里投入了约11亿美元，承担着其历史上最大的一系列财政风险。在发布会上，该基金会主任彬彬有礼地进行了介绍，然后便在时任激光干涉引力波天文台负责人的加州理工学院教授戴维·瑞兹(David Reitze)及其同事天体物理学家基普·索恩(Kip Thorne)的陪同下正式宣布：现在已经通过使用有史以来最精密的测量仪器发现了引力波，更准确地说，已经推断出了引力波的存在。
瑞兹说：“我们做到了。”会场里立即爆发出了掌声。天文学迎来了一个新时代，发现了一种探索宇宙神奇的复杂之处的新方法，同时也迎来了一个和平的新时代。有人说，该发现堪比400年前伽利略第一次用望远镜进行观测。会场的人们流下了喜悦和骄傲的泪水。
凡是曾经近距离接触过阿斯麦芯片机和激光干涉引力波天文台机械装置的人都会发现一个显而易见的奇特之处：荷兰产的阿斯麦芯片机重达160吨，却可以将70亿个晶体管放置在一块尺寸不超过指甲盖大小的硅片上，而激光干涉引力波天文台机械装置像航空公司机库加火车站一样庞大，却被用来探测一位作者所说的“引力耳语”。
设计这两种机器都是为了处理微小的、微弱的、微观的、原子级的、宇宙级的东西，而两者在设计上都具有维多利亚时代的宏伟性，在规模上都是如此宏大，比过去那些大机器还要大得多。而在精密制造刚刚起步的时候，机器所处理的东西涉及蒸汽、铁、车床、螺丝、调速轮、飞轮、高温、连续不断的噪声和颤动。以前，精密制造是用小机器来制造大的东西，现在则是用大机器来制造或探测微小的东西。
此外，还有一点奇特之处。1776年，坎伯兰(Cumberland)的铁匠大师约翰·威尔金森从一块实心金属上钻出了一个空心圆柱体，这是有史以来第一个精密装置，专门用于瓦特蒸汽机，而当时正是工业革命初期。现在，激光干涉引力波天文台的负责人瑞兹口中“有史以来最精密的测量仪器”的核心部件也是一个圆柱体。与威尔金森的圆柱体不同，这是一个被称为“配重测试仪”的实心圆柱体（见图9-8），重40千克，由熔融石英制成，每330万个撞击它的光子中只有一个不会被反射。
图9-8 配重测试仪
注：“配重测试仪”基本上就是一个悬挂在复杂阻尼系统中的超精密反射镜，可以反射沿着4千米长的纯真空管道射过来的高强度激光束，探测出管道长度的微观变化，从而证明引力波的存在。在本书撰写时，激光干涉引力波天文台已经4次证明了这类引力波的存在。
熔融石英经过加工、研磨和抛光，达到完美的平整度，用一个由400微米粗的二氧化硅细丝构成的网悬挂在管子末端的吊篮中，还有一系列玻璃、金属、磁铁和线圈作为平衡配重，使之可以由每几分之一秒击中其280次的激光进行测试和测量，这样配重测试仪就可以测量出它所在的管子的长度，从而检测是否有引力波穿过。迄今为止已经检测到4次。
威尔金森设计的圆柱体汽缸可以精确地装进瓦特蒸汽机里，其误差仅相当于英国一先令硬币的厚度，约为0.1英寸。这样的精确度在之前从未达到过，但之后则一直被超越。
两个半世纪之后，激光干涉引力波天文台的工程师也把他们的配重测试仪做成了一个圆柱体。该圆柱体由熔融石英制成，而熔融石英实际上是一种纯粹的沙子，完全就像威尔金森使用的铁一样，是一种基本物质。
位于华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台设备的配重测试仪制作十分精密，在测量其反射的光时甚至可以精确到质子直径的万分之一，还可以非常精确地计算出地球和邻近的半人马座阿尔法A星之间的距离，即4.3光年。
4.3光年的距离相当于41万亿千米，即41000000000000千米。现在已经完全确定，激光干涉引力波天文台的圆柱体配重测试仪有助于将这一遥远距离的测量精确到人类头发的直径大小。
这就是精确。
