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对比“两弹一星”工程,聊聊搞芯片的难!
目前芯片产业的重要性得到了全体国民认同,加快发展芯片产业已成为社会各界共识,同时公众对搞芯片的艰巨性也有所了解。但是芯片到底有多难搞?是否要全部自己搞?认识还难统一。有人问光刻机和氢弹哪个更难搞?这是两个单项的比较。发展“国产芯片”是个系统工程,可否和“两弹一星”工程比较一下,想想哪个更难搞?本文重点从学科交叉、精密至极、规模巨大、极其复杂、元素超广、机器生产、投资巨大、品种繁多这9个方面,聊一聊搞芯片的难。

“两弹一星”和“国产芯片”对中国发展进程都是至关重要的。前者是老一辈革命家为新中国的强盛和稳定做出的重大战略部署,也是老一辈科学家向难而生,呕心沥血,隐姓埋名,为祖国繁荣献上的大礼。他们值得后辈永远敬重、学习和纪念。而后者将在中华民族伟大复兴的进程中发挥巨大作用。因此,这两个系统工程对中国发展的意义非凡,所以可以放在一起分析比较,找出发展国产芯片的难点和痛点,制定中国芯片产业补短板,强弱项的最佳路径。

 

笔者认为“两弹一星”从发展条件看,比“国产芯片”难得太多了。但从涉及的科技领域的广度看,发展“国产芯片”应该是更难一些。这不是否定前者的难度,在物资极度匮乏的条件下,“两弹一星”人克服千难万险取得任务圆满成功,是很了不起的历史壮举。但从涉及的科技领域的广度看,发展“国产芯片”的任务也非常艰巨。另外,搞芯片的难度还在于芯片应用广泛,要满足众多用户的性能和体验要求比较困难。例如手机,只有大众愿意买单才会成功,否则就不算成功。而“两弹一星”的目标很明确,目标实现即是成功。

下面就聊聊搞芯片的各种难。
 

一、制造之难

 

造芯片之难,虽没有难于上青天,但却是让中国高科技发展面临前所未有的困难。这个集多种学科之大成的领域,确实不是一时半会儿,想突破就能突破的。“不经历风雨,怎么见彩虹,没有人能随随便便成功”。只有充分认识困难,克服困难,“把握生命里的每一分钟,全力以赴我们心中的梦”,芯片实现自主可控的中国梦才能实现。下面就从9个方面,看看发展芯片产业到底有多难。

 

1.学科交叉

芯片是一门多学科综合应用的的技术。其中包括固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、几何光学、材料科学、化学,还涉及电子线路、信号处理、计算机辅助设计、自动控制、测试和加工、图论等多个领域。所以需要许多跨领域专业人才的积累,需要产业链各环节的紧密合作。例如化学,芯片制造流程中的化学反应有100多种。随着新材料应用和工艺进步,芯片制造中还会不断利用新的化学反应过程。

 

2.精密至极

瑞士手表佳天下,瑞士工匠以精湛、精密的制表技艺雄霸世界。但是手表的精密性与芯片相比,却是小巫见大巫。我们拿根头发来对比一下,看看芯片中电路是何等的的精细和密集。

 

人类头发的直径一般是0.1mm。把一根头发切断,在显微镜下看,发丝的横切面是直径0.1mm(即100μm)的圆。图4可以看到芯片上的晶体管(图中箭头所指的小红点,面积在1μm x 1μm以内)相对于头发横切面是多么微小。现在的晶体管还可以做得更小。晶体管虽然微小,但它的结构并不简单,它是由多层物质和多个条块结构组成(图示在虚线框中)。

 

假如要在发丝横切面大小的硅片上制作集成电路,按照台积电(TSMC)7nm的逻辑工艺,这个面积上可以并排制造2127根连线(100000nm/47nm,47nm是线宽7nm加上连线间距40nm)。当然集成电路不是简单的连线,它由复杂的电路布图组成的。图4中部圆里的图案,表示发丝横切面大小的硅片上可制造的电路图案,线条精细度为7nm的。芯片的“精密至极”实至名归。今天,用户要求很高,芯片人不得不沿着“面积缩小,性能增加”的摩尔魔鬼定律一条道走到黑。

 

3.规模巨大

芯片规模大小是指芯片中集成的晶体管、存储单元、电阻、电容等元件数量多少。芯片功能越复杂,集成的元件数量越多,芯片规模就越大。目前,面积不到1cm²的CPU芯片中可集成多达几十亿只晶体管,存储器芯片中可集成多达数万亿个存储单元。例如苹果公司iPhone6的CPU芯片A8(最新款是A11)集成了20亿只晶体管,面积只有89.25㎜²(8.5mm×10.5mm),采用20nm的制造工艺,也就是说芯片中电路的最窄线宽是20nm。长江存储128层3D Nand闪存芯片X2-6070的容量为1.33Tb,即单芯片中至少集成了1.33万亿个存储单元。而且随着制造工艺的进步,芯片规模还会继续增大。

说这多还是没有感觉?那就用有形东西的面积做个对比吧!

A8芯片放大25万倍后,面积有半个深圳湾高新区大,电路连线精细至5毫米;再放大500倍,面积将超过西藏面积,电路连线精细至2.5米。

 

人眼看5mm宽的线条才能看得清楚和舒服。所以,若要看看A8芯片中晶体管规模有多大、电路有多复杂,就要把20nm的线宽放大到5mm宽,放大倍数是250000倍(25万倍)。这时,A8芯片的面积就达到5.578平方公里,大约是半个深圳湾高新园区的面积(11.5平方公里)。你将会看到震撼的画面!在半个深圳湾高新园区的平面上,布满了由5mm宽的线条纵横交错连接构成的“电路森林”。把20亿只晶体管平均开来,在每1平方米的面积上就集成了358个晶体管以及电路连线,连线宽度只有5mm。
你如果还想钻进这个“电路森林”看看,就把A8芯片再放大500倍,面积达到了139.45万平方公里。在这个比西藏面积还大的平面上,布满了2.5米宽的线条纵横交错构成的“电路深林”。以下视频展示芯片无限放大,人们可飞入芯片中的“电路森林”,看看集成电路的精密和电路规模的巨大。
 

5.极其复杂

芯片的复杂性是由精密至极和规模巨大两个特点决定的,主要包电路结构、EDA工具、制造设备、制造程序、条件保障等方面的复杂性。

电路结构复杂:芯片应用五花八门,芯片内部的结构也千变万化。最复杂的芯片当属CPU、GPU、人工智能等芯片,数十亿只晶体管连接成预设的电路功能,在软件配合下完成像人的大脑一样的工作,复杂性和难度可想而知。

 

EDA工具复杂:EDA工具软件就是电子设计自动化软件(Electronic Design Automation)。开发EDA工具虽然是写软件,但它离不开芯片制造技术方面的知识的积累。这样的软件要能把数十亿(甚至更多)晶体管摆放在面积不到1cm²(甚至更小)的硅片上,并且连接成想要的电路功能。同时,还要具有仿真和验证功能,保障送去芯片制造厂(晶圆厂)的设计数据万无一失。随着制造技术的更新和换代,EDA工具还要随之更新和升级。EDA工具软件是最难设计的软件。

 

制造设备复杂:芯片制造用到的设备很多,主要包括单晶炉、气相外延炉、氧化炉、磁控溅射台、化学机械抛光机、光刻机、刻蚀机、离子注入机、晶圆减薄机、晶圆划片机、引线键合机等等。大家对光刻机已不陌生,先进的EUV光刻机只有荷兰阿斯麦尔(ASML)能生产,据说其中的光源技术来自于美国。每台高达1.2亿美元的售价,我们有钱也难买。光刻机的精密程度决定了芯片制造的工艺的精度。

 

制造程序复杂:芯片制造过程一般包括芯片设计、晶圆片制造、晶圆上电路制作、封装和测试等几个过程,其中晶圆上电路制作过程尤为的复杂。首先是根据芯片设计数据制作多层的光掩膜(Mask)。其次是制作晶圆表面上的电路。按照工艺和光掩膜数量,从第一层光掩膜开始,有选择地循环进行“晶圆涂膜、晶圆光刻显影、蚀刻、掺加杂质、氧化膜、抛光”,返回做下一层光掩膜循环。最后是晶圆测试、划片、封装和成品测试。晶圆表面电路制作程序的复杂性由光掩膜层数决定。目前,芯片制造有时要执行100多道工序,制造程序十分复杂。

 

条件保障复杂:芯片制造除了设备重要外,水、电、气的条件保障也很重要。水是纯水,芯片制造厂要有高质量的纯水制备能力,这里的纯水比饮用纯净水的纯净度要高。电力保障是更重要的一环,芯片制造厂要有双变电站、双线路的备份供电保障,防止电站和回路出现故障时停电。芯片制造厂意外停电的经济损失很大。气体是指生产中要用到十多种化学气体。这些气体按用途分可为运载气、保护气和反应气。反应气还可细分为外延气、成膜气、掺杂气和干刻蚀气。主要包括氧、氢、氮、氩、氦、氢化物、卤化物等。

 

6.元素超广

世间万物都是由元素组成,元素周期表中罗列了地球上发现的所有元素。如果把芯片产业中用到的元素用彩色标出,可以看到覆盖了一大半的元素,利用率高达52.68%。这些元素通过晶圆、靶材、气体、光刻胶、抛光液等形式应用在制造工艺中。这些元素利用过程既是研究、发现和创新,也是克服困难和经验积累,从另一方面说明了芯片制造涉及知识之广、造芯之难。
 

7.机器生产

芯片生产线是全自动化的流水线。各工序节点的设备都是在参数设置好后自动工作。工序节点之间的半成品通过机器人完成运输。技术人员只需按生产工艺要求设置好设备和仪器参数即可。更自动化的目标是参数设置都无需人来完成,可通过主控网络系统自动设置。技术人员只需完成工艺研发、规范文件编制和生产计划制定。可以说芯片生产线是智能制造的高级典范。下图是某晶圆代工厂车间的生产场景。
 

8.投资巨大

芯片制造投资巨大是大家公认的。新建8吋、12吋特色工艺的晶圆厂需要数十亿元~数百亿元人民币,新建12吋晶圆代工厂需要数百亿美元的投资。武汉12吋存储器生产基地投资总额高达240亿美元。近日,台积电(TSMC)宣布在美国建厂,投资额为120亿美元。另外,芯片设计公司研发一款先进工艺的芯片投入也很大。芯片研发、流片、测试、封测等费用合计在数千万元~数亿元人民币不等。因此芯片业是烧钱的行业。只有对的人、在对的时间、并占据了行业优势地位才能赚钱。但是在国外技术封锁条件下,芯片产业作为信息技术产业和国防建设的基础保障,再大强度的投入都不为过。

 

9.品种繁杂

芯片广泛应用在各个领域。因应用环境和功能不同,芯片的品种非常多。可按照不同的关注点进行分类,例如按电路性质分为数字芯片、模拟芯片和数模混合芯片,包括 CPU、存储器、放大器、ADC、DAC等;按通用性分为通用芯片和专用芯片,包括通用逻辑门、接口电路、SOC、计量芯片等;按芯片功能分为处理器、存储器、电源、接口等;按外观和封装形式分的话种类更多,包括DIP、SIP、CLCC、PGA、BGA等多达20种以上。芯片的外观更是形态各异、千变万化。

 

二、应用之广

 

芯片应用之广实际佐证了它的重要性,重要的事情往往难度较高。芯片广泛应用在国防军工、航空航天、通信导航、电子政务、消费电子、物联网、人工智能、机器人、云计算、大数据、智慧城市、装备制造等领域。随着全球信息化和知识经济时代的到来,芯片产业的战略地位越来越重要,已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全的关键产业。芯片和软件一起,被称为信息化社会的基石。早在二十年前就有人预言,谁控制了超大规模集成电路,谁就控制了世界产业。
 

三、大国必争

 

现在,大家都明白了芯片产业的重要性,尤其是支撑产业发展的芯片核心技术。《国家集成电路产业发展推进纲要》开头就指出,集成电路产业是信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。近两年美国打压中国的高技术产业,就是从芯片入手,从核心技术方面卡中国的脖子。虽然全球科技合作和产业链全球化布局是时代主流,但是我们可以预见,中美在芯片核心技术上的长期竞争将无法避免。中国要更加重视芯片核心技术研究和创新,重视补短板、强弱项工作,坚持既独立自主又开放合作的大方向,大力促进我国集成电路产业上新台阶。

 

结语:本文从9个方面,分析了搞芯片的难。正因为难,芯片产业才成为当代高技术产业金字塔上的皇冠,才成为美国为了保持高科技领先地位,坚决打压中国的利器。十多年来,行业人士一直宣传和呼吁芯片产业的重要性,但效果不佳。一些人对芯片产业没有感觉,原因是花钱多、太难搞、规模不大,而且认为这是发展了60多年的旧东西,不如物联网、云计算、大数据、人工智能等,概念又新,规模又大。但是他们不明白,这些产业的支撑根基却是在芯片产业!美国打压中兴和华为,让我国民众惊醒,认识到了芯片产业的重要性。本文希望说明发展芯片产业的艰巨性。只有认识到其重要性和艰巨性,我们才能制定出正确和科学的发展路线,我国芯片产业自主、安全、可控的目标才能尽早实现。(转自芯论语