我国芯片正经历着卡脖子。

2021-06-28

卡脖子(qiǎ bó zi),意思是指用双手掐住别人的脖子,多比喻抓住要害,致对方于死地。


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又指中国仍依赖发达国家的多项关键核心技术和设备,如光刻机、操作系统等。

 

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我国的芯片技术一直都在被国外“卡脖子”,早有很多报道指出我国的芯片行业具体卡脖子在光刻机上,而对于业内来说,我国的芯片行业的各个环节都是在卡脖子。

 

首先来简单了解下芯片从设计到成品的几个环节:

 

1. 设计

2. 制造

3. 封装测试

 

01

芯片复杂繁琐的设计流程

 

芯片制造过程类似于盖房子的步骤,先打好地基,在往上层层叠加,然后产生所需要的芯片。而盖房子的这个步骤中,除了必要的建造工人外,房子的设计师也是不可缺少的部分。设计师设计出的设计图是芯片建造的依据。因此,芯片设计是芯片制造的前提。那么,芯片设计中的“建筑师”又有哪些呢?

 

在芯片生产制造流程中,芯片设计一般都由设计公司进行规划和设计。根据2020年第二季全球十大芯片设计公司营收排名可以看出,芯片设计大厂博通、高通、英伟达等均为美国企业,而以中国为代表的联发科、联咏等企业也都集中在中国台湾省。

 

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这些大厂已有多年的设计经验与工程技术,他们都自行设计各自的芯片,然后根据芯片不同的规格、效能供给下游厂商选择,由于是由各厂工程师自行设计,所以工程师的技术直接影响着企业的价值。那么,芯片设计究竟有哪些过程?


第一步:规格制定

 

设计师会根据芯片的实际应用要求定制芯片的规格,这就好比在设计房子之前,室内设计师会根据客户具体的需求,如家庭人口数量或者是客户的实际要求设计房子相应的室内图纸,或是三室一厅或是两室一厅等等。同样的,芯片设计也有一定的规格。一般来说,芯片设计的越大芯片规格越高,性能越强。

 

比如一颗PC芯片和手机芯片的设计标准就不同,一颗标准的CPU大小在一百平方毫米以上是正常的,而高端CPU和高强处理器大小达到二百多毫米也是正常的事。


由于PC的体积较大,因而散热的环境较好,因此做大芯片的规格来提升芯片的性能是常有的方法。

 

但对于手机芯片来说,手机内部原本的空间就比较狭小,因而芯片的规格控制在几十毫米以内就已经是较好的结果,过大的芯片自然也就不能适用于手机内部。

  

第二步:绘制蓝图

 

设计师根据已经做好的规划,在电脑上将规划画出平面设计图。在IC设计中,逻辑合成这个步骤至关重要。将确定无误的程式码放入电子设计自动化工具中,用电脑将程式码转换成逻辑电路产生电路图,反复进行修改最终确认正确。

  

然后将合成完的程式码再放入另一套电子设计自动化工具中,进行电路布局与绕线。在经过不断的检测后,最后形成纵横交错的电路图。蓝、红、绿、黄等不同颜色,每种不同的颜色就代表着一张光罩。

 

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层层光罩,叠起一颗芯片

 

首先已经知道一颗IC会产生多张的光罩,这些光罩有上下层的分别,每层有各自的任务。

 

下图中,左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图,在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。右边则是将每张光罩摊开的样子。

 

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制作是,由底层开始,逐层制作,最后便会产生期望的芯片了。

02

芯片的制作过程

 

说完光罩,再说下晶圆。我们经常会听到很多晶圆厂,如台积电、联华电子、三星、中芯国际等等,都是晶圆制作的大厂。而晶圆尺寸常以6寸、8寸、12寸等规格进行划分,这里阐述下什么是晶圆,这里的6寸、8寸、12寸指的又是什么?

 

晶圆(Wafer)是芯片制作的基础。正如前文提到的芯片制造过程类似于盖房子的步骤,先打好地基。而晶圆就是这个地基,在这个地基上层层叠加,达到自己期望的造型,不同的造型对应的不同的应用芯片。因此,打好地基(造好晶圆)是造出优质芯片基础。

 

说到这里就需要回顾下晶圆的制作过程《你真的懂芯片吗?一文带你深入探寻芯片的奥秘。》


晶圆又称硅晶圆,无论前面的电路设计是什么样子,最终都要叠加在晶圆上。

 

而通过他的名字“硅晶圆”不难看出其主要成分就是“硅”(Si)。硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐(R(SiO3)n)或二氧化硅(SiO2)的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。


硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。

 

从上面的数据看,自然界硅的含量不少。但上文同时也指出硅是极少以单质的形式出现的,也就是说,制作晶圆所需的硅是需要从砂石中提纯的,含硅的石头不少,但是提纯的技术却不易,这项技术是我们的卡脖子之一。

 

芯片制作不可缺少的部分二——光刻机。光刻机(Mask Aligner) 又名:掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等,是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。


如果说晶圆是地基的话,那么光刻就是造主体。地基打好了,要将之前设计好的电路图信息内容传递到晶圆上,这时候就需要光刻这项技术,光刻也是制造芯片的最关键技术,他占芯片制造成本的35%以上。也就是我们要有光刻机才能对晶圆进行光刻,而作为我国半导体“卡脖子”技术的光刻机,在世界范围内的拥有者也是屈指可数。

 

用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

 

半导体制造由于超高的精度,无法通过手工和机器装配,只能通过激光来刻蚀,而光刻机就是这个设备,是半导体制造的关键,无论台积电、三星还是中芯国际都会受制于光刻机技术。


由于光刻机是生产大规模集成电路的核心设备,制造和维护需要高度的光学和电子工业基础,世界上只有少数厂家掌握:


ASML

尼康

佳能

欧泰克

上海微电子装备

SUSS

ABM, Inc.

 

以上列举的是全球为数不多的光刻机制造商。我国光刻机的最高水平代表要属上海微电子的光刻机,制程工艺为90nm,而ASML早在15年前就已经量产了90nm。这就好比,2021年了,别人已在用iPhone13的时候你还在使用初代iPhone3GS,别人已经博士后的时候,你还在上初中。

  

03

芯片的封装测试

 

从造晶圆到光刻再到掺杂最后到封装测试,困难贯穿于整个步骤。到达最后,将做好的芯片用精细的切割器从晶圆上切下来,焊接到基片上装壳密封,最后测试包装才是成品。(关于芯片的制作详细内容可回顾之前的文章:你真的懂芯片吗?一文带你深入探寻芯片的奥秘。

04

我国芯片事业的现状

 

通过介绍不难看出芯片的制作过程之复杂、困难,而我国在芯片事业的关键技术上自始至终都面临着巨大的挑战,不管是芯片设计还是芯片制作,所有核心环节都缺少关键技术和人才。


随着我国科学实力与经济实力的不断壮大,尽管我们在诸多方面已经有了巨大的飞跃,但是国际半导体大厂的技术实力仍然令我们望其项背。


如今的中国不缺“粮草”,更多的是对半导体领域专业人才的渴求。



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