芯片制造有多难

2018年05月05日19:35  来源:深圳商报
 
原标题:芯片制造有多难

▲5月3日,寒武纪发布国内首款云端人工智能芯片,理论峰值速度达每秒128万亿次定点运算,达到世界先进水平。新华

  5月3日,寒武纪发布国内首款云端人工智能芯片,理论峰值速度达每秒128万亿次定点运算,达到世界先进水平。阿里巴巴继宣布自主研发芯片后,日前又宣布全资收购中天微系统有限公司,在布局芯片产业发展上更迈进一步。百度近几年也采用结盟、自主研发的方式布局芯片产业。近日,芯片发展引起越来越多的国人关注。芯片究竟是什么?对设计、制造有哪些要求?生产一颗芯片需要哪些步骤呢?

  芯片有几十种大门类

  广义上,只要是使用微细加工手段制造出来的半导体片子,都可以叫做芯片,里面并不一定有电路。狭义的概念中,芯片是内含集成电路硅片的总称,其体积小,常常作为计算机或其他电子设备的一部分。

  芯片组则是一系列相互关联的芯片组合,它们互相依赖,组合在一起以发挥更多作用。比如计算机里面的处理器和南北桥芯片组,手机里面的射频、基带和电源管理芯片组。

  芯片的种类很多,仅从产品来说,就有电脑芯片、人脑芯片、生物芯片等几十种大门类,上千种小门类。

  以运营商业务为例,通信基站设备是其最主要的产品之一。仅在一台通信基站中就有上百颗芯片,分别实现不同功能。简单来说,基站发射并回收手机信号。收回信号后首先通过芯片滤波,稳定信号,然后通过芯片将这种特别小的信号放大,再通过芯片对信号进行解析、处理,最后通过芯片把信号进行传输和转发。

  基站核心跟电脑类似,可以实现各种功能,但它可以支持多个手机,因而速度更快,芯片更复杂。其中最典型的是模数转换器(ADC)。ADC芯片是模数转换芯片,负责将天线接收的连续的模拟信号转换为通话或上网的数字信号。

  比航天还要高的高科技

  一颗芯片的制造工艺非常复杂,一条生产线大约涉及50多个行业、2000-5000道工序。其中许多工艺都在独立的工厂进行,而使用的设备也需要专门的设备厂制造;使用的材料包括几百种特种气体、液体、靶材,需要专门的化工工业。另外,集成电路的生产都是在超净间进行的,因此还需要排风和空气净化等系统。

  这些工序可简单描述为:设计—制造—封装。在这个过程中,有三个步骤极为关键:第一步,提炼高纯度的二氧化硅,做成比纸还薄的晶圆;第二步,在晶圆上用激光刻出数十亿条线路,铺满几亿个二极管和三极管;第三步,把每片晶圆切割封装好。

  要做成比纸还薄的晶圆,必须对原料硅进行纯化和拉晶。拉晶过程中,要用到单晶硅生产炉、切片机、倒角机等多种设备和材料,其中90%需要进口。在做好的晶圆基础上,把集成电路做到上面,主要包含镀膜、光刻、刻蚀、离子注入这些工艺,也需要多项设备来实现。

  光刻机是其中的核心技术。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。

  有说法认为,集成电路是比航天还要高的高科技。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,最先进的光刻机目前的报价已经过亿美元。

  “投入几十亿元可能就听个响”

  有从业者说,做芯片“投入几十亿元可能就听个响”。制造芯片需要实践,但芯片的实践和试错成本太高,往往一颗芯片就能决定一家公司的生死。如果投入无法获得对等产出,这种耗资巨大的试错和实践就不会持久。如果没有实践中的经验积累,那么设计制造芯片过程中出错率高,产出率也差,形成恶性循环。

  芯片牵涉到产业链经济化、标准化,还有品牌应用的问题。即使能生产出芯片,生产芯片的机器如果是进口的,也会受制于人。

  全球范围内,美、欧、韩等发达国家在产业政策、人才、发展基础等一直有比较大的优势,芯片高端市场几乎被这三大主力地区垄断。

  数据显示,全球共有94家先进的晶圆制造厂商,其中17家在美国,71家在亚洲,6家在欧洲。集成电路是高技术行业,里面有非常多的技术壁垒,“弯道超车”挑战比较大。韩国和日本就是非常典型的例子。从模拟到数字的这轮变换里面,日本走错了方向,还是守着过去模拟电路的地盘,很快就被韩国、美国的企业超越。

  韩国在包括存储、手机芯片、应用处理器等方面具有优势,而这些都是韩国在新兴产业刚刚起步的阶段通过长期创新、持续投入等取得的成绩。

  芯片制造是一个对技术、资金、人才都高度依赖的行业,特别是在工艺上。

  传统芯片领域被国际巨头垄断的今天,一些新兴芯片领域将成为重要突破口,为未来占据一席之地提供对策。(记者 吴远方 整理报道)

  集成电路与芯片

  究竟有什么区别

  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。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。(综合)

(责编:李语、陈育柱)
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