围观:芯片的制造原来这么复杂

subtitle 了不起的中国制造06-13 06:19 跟贴 8010 条
生产芯片是一个点砂成金的过程,从砂子到晶圆再到芯片。获得晶圆后,利用光刻机和刻蚀机反复刻蚀,再经过百道复杂的工艺和几个月的加工,才能在在指甲盖大小的空间中集成数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件。

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芯片制造究竟有多难?

近期,美国商务部宣布对中兴通讯采取出口管制措施,引发了公众对中国芯片制造业发展和国产替代的关注。

中国集成电路产品连续多年每年进口额超过2000亿美元,早在2013年就超过石油成为最大宗进口产品。对快速膨胀的中国芯片市场来说,“你可长点芯吧”并不是一句玩笑话。

那么“芯片”为什么这么重要?中国芯片制造业的短板在哪里?我们什么时候才能实现真正的“中国芯,中国造”?今天我们来简单谈谈中国的芯片制造业。

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我们经常碰到“芯片”、“集成电路”、“半导体”这几个术语,这些词在我们日常的讨论中经常是混用的,硬要区分的话,可以说集成电路是更广泛的概念。

1958年9月12日,在美国德州仪器公司担任工程师的Jack.Kilby发明了集成电路的理论模型。1959年,曾师从晶体管发明人之一肖克莱的Bob.Noyce率先创造了掩模版曝光刻蚀方法,发明了今天的集成电路技术。

我们所说的集成电路指的是采用特定的制造工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及元件间的连线,集成制作在一小块硅基半导体晶片上并封装在一个腔壳内,成为具有所需功能的微型器件。在国家的产业统计上,集成电路也常常作为一个宽泛的概念而使用。

芯片则是指内含集成电路的半导体基片(最常用的是硅片),是集成电路的物理载体。而半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料,常见的有硅、锗、砷化镓等,用于制造芯片。

集成电路产业离普通人很近又很远。大多数人只知道手机电脑、各行各业里面都要用到电子器件,CPU、GPU、单片机、数控装备、汽车都离不开芯片,但是说起芯片的设计制造,却只有少数人知道。

芯片行业的技术含量可以说十分密集,像画板子、晶圆、流片、制程、封装、光刻这样的芯片制造“黑话”很多人可能闻所未闻。另外,芯片行业资金极度密集,生产线动辄数十亿上百亿美金。此外,人才也是这个行业的稀缺资源。一方面是技术又贵又难、人才难以培养,另一方面是行业的集中度很高,少数的几家大企业垄断了行业的尖端技术和市场,剩下的企业里人才的待遇也就很难赶上几家巨头了。

芯片生产是一个点砂成金的过程,从砂子到晶圆再到芯片,价值密度直线飙升。真正的芯片制造过程十分复杂,下面我们为大家简单介绍一下。

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆。单单从晶圆到芯片,其价值就能翻12倍,2000块钱一片的晶圆原料经过加工后,出来的成品价值约2.5万元,可以买一台高性能的计算机了。

获得晶圆后,将感光材料均匀涂抹在晶圆上,利用光刻机将复杂的电路结构转印到感光材料上,被曝光的部分会溶解并被水冲掉,从而在晶圆表面暴露出复杂的电路结构,再使用刻蚀机将暴露出来的硅片的部分刻蚀掉。

接着,经过离子注入等数百道复杂的工艺,这些复杂的结构便拥有了特定的半导体特性,并能在几平方厘米的范围内制造出数亿个有特定功能的晶体管。再覆盖上铜作为导线,就能将数以亿计的晶体管连接起来。

一块晶圆经过数个月的加工,在指甲盖大小的空间中集成了数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件,经过测试,品质合格的晶片会被切割下来,剩下的部分会报废掉。千挑万选后,一块真正的芯片就这么诞生了。

(切割出合格晶片后报废的晶圆)

制约集成电路技术发展的有四大要素:功耗、工艺、成本和设计复杂度,其中光刻机就是一个重中之重,核心技术中的核心。

一些装备由于其巨大的制造难度被冠以“工业皇冠上的明珠”的称号,最主流的说法是两大装备:航空发动机和光刻机,最先进的航空发动机目前的报价在千万美元量级,但是最先进的光刻机目前的报价已经过亿美金。

芯片的集成程度取决于光刻机的精度,光刻机需要达到几十纳米甚至更高的图像分辨率,光刻机的两套核心系统——光学系统和对准系统的精度越高,可以在硅片上刻的沟槽越细小,芯片的集成度越高、计算能力越强。

目前,世界上80%的光刻机市场被荷兰公司占据,高端光刻机也被其垄断。中国在努力追赶,但是目前仍与国外存在技术代差,比美国差两代、比美国的盟国差一代——但是这不是说我们的追赶不重要,如果我们不做出来,国外就可以想怎么卖就怎么卖,卖不卖、卖啥型号、卖多少钱都不由我们,而我们做出来了,国外更高精度的设备就会卖给我们,价格也相对实惠很多。

(清华大学牵头研发的光刻机双工件台系统样机)

总的来说,中国的芯片制造技术在快速发展,同时存在工艺落后、产能不足、人才紧缺等问题。

中国集成电路行业共分芯片封装、设计、制造三部分,总体呈现高速增长状态。2004年至2017年,年均增长率接近20%。2010至2017年间,年均复合增长率达20.82%,同期全球仅为3%-5%。

但是另一方面,中国集成电路制造工艺落后国际同行两代,预计于2019年1月,中国可完成14纳米级产品制造,同期国外可完成7纳米级产品制造;产能严重不足,50%的芯片依赖进口;同时中国的产能和需求之间结构失配,实际能够生产的产品,与市场需求不匹配;长期的代工模式导致设计能力和制造能力失配、核心技术缺失;投资混乱、研发投入和人才不足等问题,导致中国集成电路产业目前总体还处于“核心技术受制于人、产品处于中低端”的状态,并且在很长的一段时间内无法根本改变。

再具体一点的,数字电路部分的芯片设计我们还可以抄一抄、赶上来,但是在模拟电路部分,我们的晶振、AD采集卡等产品的精度还不够高,积累得还不够,核心技术还没有把握到手里。

虽然中国的芯片产业整体上还比较落后,但是这并不妨碍我们在一些具体的应用场景中造出自己的芯片。

举两个例子,一个是手机芯片、一个是新兴的区块链技术中的底层——“挖矿”用的计算芯片。

在移动互联网的大潮中,中国企业早早介入了手机芯片的研发之中,在手机这个应用场景中占有了自己的地位。

在区块链技术火爆的今天,矿机专用的芯片基本上已经被中国的产品所垄断。挖矿用的芯片起初只是普通电脑的CPU,后来是GPU、FPGA芯片,再后来中国的创业者通过把其中不必要的部件都减掉,造出来专门用来挖矿的芯片,把算力和能耗发挥到极致,再加上中国强大的基础制造体系,一举垄断了这个新兴的市场。

在传统芯片领域已经被巨头垄断的当今,一些面向专门的应用领域的芯片是中国未来实现弯道超车的重点,除了上面提到的手机芯片、矿机芯片,还有专门用于人工智能计算的AI芯片等等。

传统的芯片更多的是在硅片上画二维的电路,而随着物联网技术的兴起,万物互联对传感器技术提出了巨大的需求,一种在硅片上雕出来三维机械结构的新技术“MEMS”(微机电系统)逐渐走入了人们的视野。

(MEMS的加速度计)

相比于传统的传感器,MEMS传感器具有维度碾压上的优势,利用MEMS技术造的陀螺仪、麦克风、压力计等传感器用在导弹、手机和穿戴设备中,发挥着巨大的作用。

目前MEMS领域正在经历年均200%-300%的快速增长。中国在该领域的研究处于世界的前列。

作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

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