硅是常見(jiàn)的元素，那么地球上有多少硅原子可以用來(lái)生成晶體管

硅是一種極為常見(jiàn)的元素，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中。在地殼中，硅是含量第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的26.4%，僅次于第一位的氧(49.4%)。

坐在沙灘上，望著浩瀚無(wú)邊的大海，雙手捧起一捧沙子，讓沙粒從指間慢慢滑落，我們可能會(huì)想，沙子，應(yīng)該是取之不盡、用之不竭的吧！

第** 1 **個(gè)問(wèn)題

地球上有多少個(gè)硅原子？

地球總質(zhì)量：5.965×10^24 kg

地殼占地球總質(zhì)量的：0.42%

硅元素占地殼總質(zhì)量的：26.4%

地球上硅元素總質(zhì)量：

5.965×10^24×0.42%×26.4%=6.614×10^21kg

約為地球總質(zhì)量的千分之一

硅原子質(zhì)量為：28×1.674×10^-27kg（氫原子質(zhì)量）=4.687×10^-26kg

地球上硅原子總數(shù)：

6.614×10^21/4.687×10^-26=1.41×10^47個(gè)

**1.41×10^47 **個(gè)

第** 2 **個(gè)問(wèn)題

一個(gè)晶體管需要多少個(gè)硅原子？

要回答這個(gè)問(wèn)題，首先我們得知道晶體管的體積，人們經(jīng)常說(shuō)的10nm、7nm、5nm、3nm是指的晶體管的特征尺寸。特征尺寸是晶體管中的最小尺寸，以CMOS工藝為例，特征尺寸典型代表為柵的寬度，也即MOS器件的溝道長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。

而晶體管的體積（邊長(zhǎng)）自然要比特征尺寸大得多，應(yīng)該是多少呢？

上圖為某芯片的數(shù)據(jù)圖，每平方毫米集成約1億（10^8）只晶體管。

1平方毫米=10^12平方納米

10^12平方納米/10^8個(gè)=10^4平方納米

由此可知，每一只晶體管的面積約為10000平方納米

假定晶體管為正方形，則邊長(zhǎng)為100nm

假定晶體管的高也約為100nm，則一個(gè)晶體管體積為10^6立方納米

1立方納米硅由多少硅原子組成？答案：50個(gè)

計(jì)算方法如下：

硅的密度：2328.3 kg/m3

硅原子質(zhì)量：28×1.674×10^-27kg

1立方納米包含的硅原子

=2328.3÷28÷1.674=49.7≈ 50

1個(gè)晶體管組成的硅原子數(shù)

=50×100×100×100=5000萬(wàn)個(gè)硅原子

是不是這樣就可以算出地球上的硅總共能生產(chǎn)多少個(gè)晶體管？

請(qǐng)稍等，我們看下面一張圖

雖然晶體管本身的厚度約為100nm，芯片有源區(qū)的厚度不到10um，但其下方支撐的硅體卻大約有1mm，如何得出？首先，晶元厚度一般為800um，晶元切割損耗約為200um，800+200=1000um=1mm。

1個(gè)晶體管占有（消耗）的硅原子數(shù)為50×100(長(zhǎng))×100(寬)×10^6(厚度)

=5×10^11=5000億個(gè)硅原子，這就是說(shuō)，晶體管本身所占的硅原子只占晶元中硅原子的萬(wàn)分之一，99.99%的硅原子只是作為陪襯，在生產(chǎn)過(guò)程中被占用或者被消耗掉了。

以臺(tái)積電7nm工藝生產(chǎn)一只晶體管消耗的硅原子不是5000萬(wàn)個(gè)而是5000億個(gè)！

1個(gè)Transistor=****5000億 ****個(gè)硅原子

第3個(gè)問(wèn)題

地球上的硅能生產(chǎn)多少只晶體管？

以現(xiàn)有的采用臺(tái)積電7nm FinFET Plus EUV工藝制造的晶體管，地球上的硅可生產(chǎn)的晶體管數(shù)量為：地球上的硅原子數(shù)量÷每一晶體管所消耗的晶體管數(shù)量，如下

1.41×10^47÷(5×10^11)= 2.82×10^35個(gè)

地球上的硅可生產(chǎn)的晶體管數(shù)量為：

**2.82×10^35 **個(gè)晶體管

得到這個(gè)答案后，問(wèn)題就到此為止了嗎？

沒(méi)有，這僅僅只是個(gè)開(kāi)始！

第4個(gè)問(wèn)題

地球上的硅能用多久？

上面提到某款處理器含有約103億晶體管，其面積約為100平方mm。

實(shí)際上硅的消耗量和并非和晶體管數(shù)量相關(guān)，而是和芯片的面積相關(guān)，因?yàn)楣に嚥煌?，晶體管大小不同，消耗的硅原子數(shù)量也不同，而芯片的面積(體積)卻和硅原子數(shù)量直接相關(guān)。

回答第二個(gè)問(wèn)題時(shí)，上面我們已經(jīng)推導(dǎo)出1立方nm的硅中包含的原子數(shù)量為：50 個(gè)，那么，1立方mm的硅中包含的原子數(shù)量為：50×10^18個(gè)，等同于1平方mm晶元中所包含的硅原子。一個(gè)100平方mm的芯片，一顆芯片消耗的硅原子數(shù)量為：100×50×10^18個(gè)，即5×10^21個(gè)硅原子。

以這樣的芯片為例，地球上的硅總共可以生產(chǎn)的芯片的數(shù)量為：1.41×10^47 ÷ (5×10^21) = 2.82×10^25個(gè)。

2019年，中國(guó)總共生產(chǎn)了2018.2億塊芯片，約占全球芯片產(chǎn)量的10%，可以估算全球芯片產(chǎn)量超過(guò)20182億塊，約為2×10^12塊。

芯片的面積有大有小，我們暫且以100平方mm為其中位數(shù)，則每年需要消耗的硅原子數(shù)量為：（2×10^12）×（5×10^21）=10^34個(gè)，假定芯片年產(chǎn)量不變，則地球上的硅可用時(shí)間為：1.41×10^47÷10^34=1.41×10^13 年，也就是14.1萬(wàn)億年?？磥?lái)，我們還不用擔(dān)心，地球的壽命也不見(jiàn)得有那么長(zhǎng)。

但是，事實(shí)卻是：每一年，芯片的需求和產(chǎn)量都會(huì)有所增加。

2019年全球芯片產(chǎn)值4376億美元，產(chǎn)量約為2×10^12（20182億）塊。

這里，我們做一個(gè)假設(shè)，假設(shè)全球芯片產(chǎn)值不變，但芯片價(jià)格越來(lái)越便宜，用同樣的美元可買(mǎi)到的芯片數(shù)量，每隔9-12個(gè)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則為可生產(chǎn)的年數(shù)。

(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

也就是說(shuō)，如果同樣的美元可買(mǎi)到的芯片數(shù)量每隔9-12個(gè)月翻一番，不到 43 年，地球上的硅原子就要用完了。

這不太可能吧，一定是我們的假設(shè)有問(wèn)題，這時(shí)候，耳邊飄來(lái)一句話：“用一個(gè)美元所能買(mǎi)到的電腦性能，每隔18-24個(gè)月翻兩番”。

每隔18-24個(gè)月翻兩番和每隔9-12個(gè)月翻一番應(yīng)該是相同的意思，不過(guò)電腦的性能并不等同芯片的數(shù)量，但其中還是有一定的相關(guān)性的。

我們知道：“用一個(gè)美元所能買(mǎi)到的電腦性能，每隔18-24個(gè)月翻兩番”正是摩爾定律的內(nèi)容。

地球上的硅到底夠用14萬(wàn)億年還是43年呢？

兩者各有什么問(wèn)題，聰明的讀者，你知道嗎？

第5個(gè)問(wèn)題

摩爾定律還能再持續(xù)嗎？

摩爾定律內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上（翻兩番）。

摩爾定律里的”元器件的數(shù)目“實(shí)際就是晶體管Transistor數(shù)目。

我們就以某款 5G處理器為例，內(nèi)含晶體管數(shù)量約為100億，2019芯片產(chǎn)量約為20000億只。當(dāng)然，很多芯片內(nèi)的數(shù)量達(dá)不到這么多，但也有芯片中晶體管數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)百億，例如WSE芯片中晶體管數(shù)量達(dá)到了1.2 萬(wàn)億。目前以7nm主流工藝生產(chǎn)的芯片，其晶體管數(shù)量差不多都在百億量級(jí)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

如果是每隔18個(gè)月翻一番，則43×1.5=64.5<65年，如果是每隔24個(gè)月翻一番，則43×2= 86 年

也就是說(shuō)，只要 65 年或者最多 86 年，地球上的硅原子就要用完了！

而且，我們估算時(shí)只考慮了硅在芯片制造上的應(yīng)用，即硅僅僅用來(lái)制作高純硅半導(dǎo)體。

實(shí)際上是，除此之外，硅還廣泛應(yīng)用于耐高溫材料、光導(dǎo)纖維通信材料、有機(jī)硅化合物、合金等，硅被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣、運(yùn)輸、能源、化工、紡織、食品、輕工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。

另外，我們還沒(méi)有考慮其它的應(yīng)用，例如修路、修橋、修房子... 這些大量應(yīng)用石頭和沙子等硅化合物的領(lǐng)域。








審核編輯：劉清