芯片制造与中国技术

发布时间:
2019/5/13 11:49:41
来源:
易胜博备用网址资本 百里冰
为了把30吨的运算电路缩小,工程师们把能扔东西全扔了,直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发,说说芯片的逆袭之路。 第一:硅 把这玩意儿氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,就叫多晶硅吧,这种硅原子排列混乱,会影响电子运动,所以还得拉制成原子排列整齐的单晶硅,最后切成片就是我们想要的硅片。 硅的主要评判指标是纯度,你想想,如果硅原子之间有一堆杂质,那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。 无论啥东西,纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%,这玩意儿全世界超过一半是中国产的,早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了,11个9),几乎全赖进口,直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产,只是目前产量少的可怜,还不及进口的一个零头。难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该不错。不过,30%的制造设备还得进口…… 电子级高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资),中国任重而道远。
第二:晶圆 硅提纯时需要旋转,成品就长这样。把这圆柱切片后得到的硅片也是圆的,因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了? 切好之后,就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的,干这活的就叫“晶圆厂”。各位拍脑袋想想,以目前人类的技术,怎样才能完成这种操作? 用原子操纵术?想多了,朋友!等你练成御剑飞行的时候,人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件。 晶圆加工的过程相当繁琐,咱说个大概轮廓,谢绝专业人士挑刺。首先在晶圆上涂一层感光材料,这材料见光就融化,那光从哪里来?光刻机,可以用非常精细的光线,在感光材料上刻出图案,让底下的晶圆裸露出来。然后,用等离子体这类东西冲刷,裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽,这套设备就叫刻蚀机。再用离子注入机在沟槽里掺入磷元素,加热退火处理,就得到了一堆N型半导体。 完成之后,清洗干净,重新涂上感光材料,用光刻机刻图,用刻蚀机刻沟槽,用离子注入机撒上硼,就有了P型半导体。 整个过程有点像3D打印,把器件一点点一层层装进去。 这块晶圆上的小方块就是芯片,一块晶圆可以做多个芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路,这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明,最底层都是简单的门电路。只是采用了更多的器件,组成了更庞大的电路,运算性能自然就提高了。 据说这就是一个与非门电路: 提个问题:为啥不把芯片做的更大一点呢?这样不就可以安装更多电路了吗?性能不就赶上外国了嘛? 这个问题很有意思,答案出奇简单:钱!一块300mm直径的晶圆,16nm工艺可以做出100块芯片,10nm工艺可以做出210块芯片,于是价格就便宜了一半,在市场上就能死死摁住竞争对手,赚了钱又可以做更多研发,差距就这么拉开了。 说个题外话,中国军用芯片基本实现了自给自足,因为军用不计较钱嘛!可以把芯片做的大大的。另外,越大的硅片遇到杂质的概率越大,所以芯片越大良品率越低。总的来说,大芯片的成本远远高于小芯片,不过对军方来说,这都不叫事儿。 其实除了成本之外,大芯片的布线比小芯片更长,所以延时也更明显,驱动电流也大很多,由此导致整体设计更臃肿,性能上还是会吃亏。反正,小芯片就是比大芯片好用。 别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈 第三:架构 用70亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路,想想就头皮发麻!一个路口红绿灯设置不合理,就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去,稍微有个PN结出问题,电子同样会堵车。所以芯片的设计异常重要,重要到了和材料技术相提并论的地步。 这么复杂的设计,必须得先有个章法。七十年代,英特尔率先想出了一个好办法:X86架构。详细内容不提了,简单来说,这架构虽然能耗高点、体积大点,但性能那是嗖嗖的,几乎垄断了电脑芯片市场,成就了如日中天的英特尔。 这相当于,英特尔提出造汽车用4个轮子,以后其他人想造4个轮子的汽车,就得先付授权费。这尼玛怎么忍,随后英国ARM公司提出了2个轮子的汽车方案:ARM架构。 毫无疑问,2个轮子肯定跑不过4个轮子,ARM架构虽然省电小巧,但性能实在有点寒碜,于是一直被英特尔摁着打。ARM熬到了九十年代,终于熬不住了,决定不再生产芯片,而是将ARM架构授权给其他公司生产,赚点授权费,这才保住了一条命。 人算不如天算,进入21世纪,智能手机横空出世,芯片的能耗和体积一下成了关注点,于是ARM架构一飞中天,几乎垄断了手机芯片。 小结一下: X86架构,能耗高、体积大、性能强。 ARM架构,能耗低、体积小、性能弱。 于是,一个占了电脑,一个占了手机,直到今天,仍是主流设计方案。至于其他3个轮子或5个轮子的汽车,多多少少还是有些劣势,没有形成主流。 最近有新闻说,中国和ARM要成立中方控股的合资公司,ARM欲借此重回芯片制造商的角色,中方当然走的还是市场换技术的路子。 决定汽车用几个轮子,距离造出汽车还差得很远。有了基本架构,后面的设计依然是漫漫长征路,所以还得要有好工具,简称EDA软件。 Synopsys,Cadence,Mentor,三巨头几乎垄断了全球EDA市场,一水儿的美帝公司。直到最近,熬了三十年的华大九天终于露头了,这家中国电子信息产业集团的二级公司,连续多年以50%的年增长率狂追,算是站稳了脚跟。 业界首创模拟电路异构仿真系统Empyrean ALPS-GT 虽然借助EDA软件的仿真功能可以判断电路设计是否靠谱,但要真正验证这种精巧线路的靠谱程度,只有一种办法,那就是:用!广泛的用!长久的用!正因为如此,芯片设计不光要烧钱,也需要烧时间,属于试错周期较长的核心技术。 既然是核心技术,自然就会发展出独立的公司,所以芯片公司有三类:既设计又制造、只设计不制造、只制造不设计。 第四:设计制造 但凡要处理信息,基本都有芯片,包括通信芯片、服务器芯片、手机芯片、电脑芯片等等。早期的芯片复杂程度不算夸张,所以设计制造可以在同一家公司完成,最有名的:美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体;中国大陆的华润微电子、士兰微;中国台湾的旺宏电子等。 外国、台湾、大陆三方,最落后的就是大陆,早期的产品多集中在家电遥控器之类的低端领域,手机、电脑这些高端芯片几乎空白!
后来随着芯片越来越复杂,设计与制造就分开了,有些公司只设计,成了纯粹的芯片设计公司。如,美国的高通、博通、AMD,中国台湾的联发科,大陆的华为海思、展讯等。 大名鼎鼎的高通就不多说了,世界上一半手机装的是高通芯片,AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。电脑和手机是芯片市场的两块大蛋糕,全是美国公司,世界霸主真不是吹的。 台湾联发科走的中低端路线,手机芯片的市场份额排第三,很多国产手机都用,比如小米、OPPO、魅族。不过最近被高通干的有点惨,销量连连下跌。 华为海思是最争气的,手机处理器芯片麒麟,市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会,海思芯片的进步真的相当不错。最近华为又推出了服务器芯片鲲鹏920,5G基站芯片天罡,5G基带芯片巴龙5000,性能都是世界顶级的,隐隐看到了在芯片设计领域崛起的势头。 展讯是清华大学的校办企业,比较早的大陆芯片企业,毕竟不能被人剃光头吧,走的是低端路线。前段时间传出了不少危机,后来又说是变革的开始,过的很不容易,和世界巨头相差甚多。 大陆还有一批芯片设计企业,晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等,都是台湾老大哥的子公司,产品应用于电视、便携式电子产品等领域,还挺滋润。 在大陆的芯片设计公司,台湾顶住了小半边天,另大半边天原本是塌着的,现在华为算是撑住了。
还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂,这必须得先说台湾最大的企业:台积电。正是台积电的出现,才把芯片的设计和制造分开了。2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%,规模和技术均列全球第一,市值甚至超过了英特尔,成为全球第一半导体企业。 晶圆代工厂又是台湾老大哥的天下,除了台积电这个巨无霸,台湾还有联华电子、力晶半导体等等,连美国韩国都得靠边站。 大陆最大的代工厂是中芯国际,还有上海华力微电子也还不错,但技术和规模都远不及台湾。不过受制于台湾诡谲的社会现状,台积电开始布局大陆,落户南京。这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂,这架势和当年合资汽车有的一拼。 大陆中芯国际的14nm生产线刚刚上路,可惜还没盈利。大家还是愿意把这活交给台积电,台积电几乎拿下了全球70%的28nm以下代工业务。 美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力,最近几个月台积电刚刚上线了7nm工艺,稳稳压过三星,首批客户就是华为的麒麟980芯片。这俩哥们儿早就是老搭档了,华为设计芯片,台积电制造芯片。 说真的,如果大陆能整合台湾的半导体产业,并利用灵活的政策和庞大的市场促进其进一步升级,中国追赶外国的步伐至少轻松一半。现在嘛,中国任重而道远呐! 第五:核心设备 芯片良品率取决于晶圆厂整体水平,但加工精度完全取决于核心设备,就是前面提到的“光刻机”。 光刻机,荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下!不好意思,产量还不高,你们慢慢等着吧!无论是台积电、三星,还是英特尔,谁先买到阿斯麦的光刻机,谁就能率先具备7nm工艺。没办法,就是这么强大! 日本的尼康和佳能也做光刻机,但技术远不如阿斯麦,这几年被阿斯麦打得找不到北,只能在低端市场抢份额。 阿斯麦是全球唯一的高端光刻机生产商,每台售价至少1亿美金,2017年只生产了12台,2018年24台,这些都已经被台积电三星英特尔抢完了,2019年预测有40台,其中一台是给咱们的中芯国际,不过最近听说莫名其妙被烧了,得延期交货。 既然这么重要,咱不能多出点钱吗?第一:英特尔有阿斯麦15%的股份,台积电有5%,三星有3%,有些时候吧,钱不是万能的。第二,美帝整了个《瓦森纳协定》,敏感技术不能卖,中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。 有意思的是,2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功(核心部件进口),2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国,后来中国开始攻关65nm光刻机,2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国,再后来美帝开始管不住小弟了,中芯国际才有机会去捡漏一台高端机。 不过咱也不用气馁,咱随便一家房地产公司,销售额轻松秒杀阿斯麦,哦耶! 2018年底有则消息让人惊出一身冷汗,最早中科院只是淡淡说了句光刻项目通过验收,然后铺天盖地的“中国光刻机终于翻身农奴把歌唱”,闹到最后连人民日报都坐不住了,直接批“国产光刻机自嗨文”误导公众,损坏中国科研形象。引一句原文:“这台光刻机要想应用于芯片,还要攻克一系列技术难题,距离还相当遥远。” 相比于光刻机,中国的刻蚀机要好很多,16nm刻蚀机已经量产运行,7-10nm刻蚀机也在路上了,所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。 不过离子注入机又寒碜了,2017年8月终于有了第一台国产商用机,水平先不提了,离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的。涂感光材料得用“涂胶显影机”,日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料,也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。 2015年至2020年,国内半导体产业计划投资650亿美元,其中设备投资500亿美元,再其中480亿美元用于购买进口设备。 算下来,这几年中国年均投入130亿,而英特尔一家公司的研发投入就超过130亿美元。 论半导体设备,中国,任无比重、道无比远啊! 第六:封测 芯片做好后,得从晶圆上切下来,接上导线,装上外壳,顺便还得测试,这就叫封测。 封测又又又是台湾老大哥的天下,排名世界第一的日月光集团,后面还跟着一堆实力不俗的小弟:矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。 大陆的三大封测巨头,长电科技、华天科技、通富微电,混的都还不错,毕竟只是芯片产业的末端,技术含量不高。 小结 这全景图大概描述了从硅片到芯片的全过程及中国的设备制造商,绝对是业内专家所做,值得一看。 中国芯 说起中国芯片,不得不提“汉芯事件”。2003年上海交通大学微电子学院院长陈进教授从美国买回芯片,磨掉原有标记,作为自主研发成果,骗取无数资金和荣誉,消耗大量社会资源,影响之恶劣可谓空前!以致于很长一段时间,科研圈谈芯色变,严重干扰了芯片行业的正常发展。 硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测,以及相关的半导体设备,绝大部分领域中国还是处于“任重而道远”的状态,那这种懵逼状态还得持续多久呢?有答案! 国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出,2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,产业实现跨越式发展。 从研发的过程来看,需求不缺,资金不缺,只要烧足了时间,没理由烧不出芯片。当前,中国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零突破的阶段,虽然市场份额不多,但每个领域都参了一脚,而且势头不错,前景还是可期待的。 极限 芯片,作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准,作为其根基的能带理论竟然只是个近似理论,电子行为仍然没法精确计算。再往大了说,别看现在的技术纷繁复杂,其实就是玩玩电子而已,顶多再加个光子,至于其他几百种粒子,还完全不知道怎么玩! 芯片加工精度已经到了7nm,虽然三星吹牛说要烧到3nm,可那又如何?你还能继续烧吗?1nm差不多就是几个原子而已,量子效应非常显著,作为基石的能带理论就不好使了,半导体行业就得在这儿歇菜。 烧钱也好,烧时间也罢,烧到尽头就是理论物理。基础科学除了烧钱烧时间,还得烧人,烧的异常惨烈,100个高智商,99个都是垫脚石!工程师可以半道出家,但物理学家必须科班出身,基础科学被忽视了五千多年,如今每年填报热度还不如耍戏的。 不能光折腾电子了,为了把中微子也用起来,咱赶紧忽悠,哎,不对,是呼吁更多孩子学基础科学吧!