硅的产地 地球上的硅能生产多少只晶体管？

硅是一种非常常见的元素，广泛存在于岩石、砾石和灰尘中。在地壳中，硅是第二富的元素，占地壳总质量的26.4%，仅次于第一氧。坐在沙滩上，看着浩瀚的大海，双手捧着一把沙子，让沙子从手指间慢慢滑落，我们可能会觉得，沙子应该是取之不尽，用之不竭的。

“我想我是这样的……”

问题1:地球上有多少硅原子？

地球总质量:5.965 x 10^24千克

地壳占地球总质量的0.42%

硅占地壳总质量的26.4%

地球上硅的总质量:

5.965×10^24×0.42%×26.4%=6.614×10^21kg

大约是地球总质量的千分之一

硅的原子质量为28× 1.674× 10-27千克= 4.687× 10-26千克

地球上的硅原子总数:

6.614× 10 21/4.687× 10-26 = 1.41× 10 47

1.41× 10 47件

问题2:一个晶体管需要多少个硅原子？

要回答这个问题，首先要知道晶体管的体积。人们常说10纳米、7纳米、5纳米和3纳米是指晶体管的特征尺寸。特征尺寸是晶体管中最小的尺寸。以CMOS工艺为例，特征尺寸一般用栅极的宽度，即MOS器件的沟道长度来表示。

一般来说，特征尺寸越小，芯片集成度越高，性能越好，功耗越低。

晶体管的体积自然比特征尺寸大得多。应该是什么？

我们以华为麒麟990为例做个估计。麒麟990 5G是华为开发的新一代手机处理器。它由TSMC的7纳米鳍场效应晶体管加EUV工艺制造，集成了103亿个晶体管，面积约为100平方毫米。

上图最左边是麒麟990 5G，每平方毫米集成约1亿个晶体管。

1平方毫米= 10-12平方纳米

10 12平方纳米/10 8片= 10 4平方纳米

可以看出，每个晶体管的面积约为10000平方纳米

假设晶体管为正方形，边长为100纳米

假设晶体管的高度也是100纳米左右，那么一个晶体管的体积是10 6立方纳米

1立方纳米硅由多少个硅原子组成？答案:50

计算方法如下:

硅的密度:2328.3 kg/m？

硅的原子质量:28×1.674×10^-27kg 27千克

1立方纳米含有硅原子

=2328.3÷28÷1.674=49.7≈50

由一个晶体管组成的硅原子数量

= 50×100×100×100 = 5000万个硅原子

地球上的硅能生产多少个晶体管就是这个？

请稍等。我们来看下一张图片

虽然晶体管本身厚度在100nm左右，芯片有源区厚度小于10um，但其下方支撑的硅体约为1 mm，如何得到？首先，晶圆厚度一般为800 μm，晶圆切割损耗约为200 μm，800+200 = 1000 μm = 1mm。

一个晶体管占据的硅原子数量为50× 100× 100× 10 6

= 5×10 ^ 11 = 5000亿个硅原子，也就是说晶体管本身占据的硅原子只占晶胞中硅原子的万分之一，99.99%的硅原子只作为箔片使用，在生产过程中被占据或消耗。

TSMC 7纳米工艺生产晶体管消耗的硅原子是5000亿，而不是5000万！1晶体管= 50000亿个硅原子

问题3:地球上的硅能生产多少晶体管？

使用TSMC 7纳米场效应晶体管加EUV工艺制造的现有晶体管，地球上的硅可以生产的晶体管数量为:地球上的硅原子数量÷每个晶体管消耗的晶体管数量，如下所示

1.41×10 ^ 47 u present = 2.82×10 ^ 35

硅在地球上可以生产的晶体管数量是:

2.82×10 ^ 35晶体管得到这个答案后，问题就到此为止了吗？不，这只是开始！

问题4:硅在地球上能存在多久？

这才是我们真正需要注意的！上面提到的麒麟990 5G处理器包含约103亿个晶体管，面积约100平方毫米。

事实上，硅的消耗与晶体管的数量无关，而是与芯片的面积有关。由于工艺不同，晶体管的尺寸不同，消耗的硅原子数量也不同，而芯片的面积与硅原子数量直接相关。

在回答第二个问题时，我们已经推导出1立方nm硅中所含的原子数是50，所以1立方mm硅中所含的原子数是50×10 ^ 18，相当于1平方mm晶体中所含的硅原子。

对于麒麟990 5G处理器这种100平方mm的芯片，一个芯片消耗的硅原子数量是100× 50× 10 18，也就是5× 10 21个硅原子。

以这样的芯片为例，地球上硅能生产的芯片总数为1.41× 10 47 ÷ = 2.82× 10 25。

2019年，中国共生产芯片2018.2亿片，约占全球芯片产量的10%。可以估计全球芯片产量超过20182亿片，约为2×10 ^ 12片。芯片面积有大有小。暂且以100平方mm为其中位数，每年消耗的硅原子数为×= 10 ^ 34。假设芯片年产量不变，硅在地球上的可用时间为1.41× 10 47 ÷ 10 34 = 1.41× 10 13年，即14.1万亿

看来我们不用担心，地球的寿命可能也没那么长。然而，事实是，芯片的需求和产量每年都会增加。

2019年全球芯片产值4376亿美元，产量约2× 10 12个芯片。这里我们假设一下，芯片的全球产值不变，但是芯片的价格越来越便宜，每9-12个月能用同样的美元购买的芯片数量翻倍。

2×10 ^ 12 ×= 2.82×10 ^ 25，解得到的n是可以产生的年数。

= 1.41×10^13

=1.41×10^13

2^n=7.05×10^12

n=42.68