『芯芯』之火，可以燎原

本刊綜合

你家中一共有多少塊芯片？這個(gè)問題恐怕很少有人能準(zhǔn)確回答。

在萬物互聯(lián)時(shí)代，衣、食、住、行等多個(gè)領(lǐng)域正在被物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等高科技包圍，而高科技的實(shí)現(xiàn)都離不開小小的芯片。

芯片又稱集成電路，是絕大多數(shù)電子設(shè)備的核心組成部分，被譽(yù)為“工業(yè)糧食”。如果將海量的數(shù)據(jù)比作能源，芯片就是燃燒能源產(chǎn)生能量的發(fā)動(dòng)機(jī)。芯片之于信息科技時(shí)代，是類似煤與石油之于工業(yè)時(shí)代的重要存在。

芯片制造是世界上最復(fù)雜的制造業(yè)，被稱為“集人類超精細(xì)加工技術(shù)之大成”。我國(guó)是世界上工業(yè)門類最齊全的國(guó)家，扮演著“世界工廠”的角色。過去幾十年間，我國(guó)在全球范圍內(nèi)樹立了“中國(guó)速度”的響亮品牌，創(chuàng)造出眾多的“超級(jí)應(yīng)用”，但高端芯片、自主操作系統(tǒng)等“卡脖子”問題依然突出，在尖端領(lǐng)域與世界“領(lǐng)跑者”仍有較大差距。

本期讓我們走進(jìn)高端制造業(yè)，看芯片制造如何“點(diǎn)沙成金”，見識(shí)芯片中的“珠穆朗瑪峰”，關(guān)注芯片制造能否靠“碳”超車。

——方郁芝? ?秦銀銀

“芯”的那些事

1959年，美國(guó)電子工程師杰克·基爾比成功制造出世界上第一塊芯片，將人類科技水平推向一個(gè)新的高峰。如今，芯片不僅在智能手機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、汽車等設(shè)備上被廣泛應(yīng)用，在軍事、通信等方面也不可或缺。

然而，一塊小小的芯片究竟是如何被制造出來的，你真的清楚嗎？

打造地基——晶圓

沙子中含有的硅元素是地球地殼中第二大組成元素，約占地殼總質(zhì)量的25%。硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有優(yōu)異的半導(dǎo)體特性，是芯片制造的“靈魂”原料。

芯片制造的第一步，就是要將從二氧化硅中提煉出的高純度硅晶體制成硅錠，再將硅錠切割成圓盤，并將其拋光后形成晶圓，晶圓相當(dāng)于芯片的“地基”，芯片就是以晶圓為“地基”，再將所需的電路和器件“建”在上面。

知識(shí)小貼士

99.999 999 999%是芯片制造對(duì)硅材料的最低純度要求，即每10億個(gè)硅原子中不得超過1個(gè)雜質(zhì)原子。

芯片內(nèi)的距離以納米為單位，芯片制造需要用到光刻工藝。

在晶圓上涂一層特殊的光刻膠，再將包含數(shù)十億個(gè)電路元件的芯片“藍(lán)圖”制作成掩膜，利用光的投影將縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，被光照過的地方變得可溶于水，經(jīng)過顯影清洗后留下的圖案與掩膜上的一致。再用特制的化學(xué)藥水蝕刻暴露的晶圓，蝕刻完成后，清除所有光刻膠，便能得到縱橫交錯(cuò)的電路溝槽。

知識(shí)小貼士

納米是長(zhǎng)度單位，1 nm相當(dāng)于4倍原子大小。我們常見的芯片有14 nm芯片、7 nm芯片、5 nm芯片。

摻雜

通過離子注入賦予硅晶體管的特性。

為了改變某些區(qū)域的導(dǎo)電性，覆蓋了光刻膠的晶圓經(jīng)過離子束轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)改變某些區(qū)域內(nèi)硅的導(dǎo)電性。

知識(shí)小貼士

在芯片制造過程中，約有70多道離子注入工序，對(duì)離子注入能量需要控制得很精準(zhǔn)，并要求在工藝上精益求精。

薄膜沉積

通過化學(xué)或者物理氣相金屬沉積，再重復(fù)光刻和蝕刻工藝，進(jìn)行金屬連接。

一塊運(yùn)作正常的芯片需要連接數(shù)以百萬計(jì)的傳導(dǎo)線路，包含幾十層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)都離不開光刻和蝕刻。從平面看，芯片像密集交織的高速公路;從立體看，芯片就像是擁有許多房間、樓宇的“超級(jí)城市”。

封裝與測(cè)試

封裝是把裸片放在一塊基板上，引出管腳后固定包裝成為一個(gè)整體。測(cè)試是對(duì)已制造完成的芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能的確認(rèn)，以保證芯片符合系統(tǒng)的需求。

芯片中的“珠穆朗瑪峰”

芯片是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱。在國(guó)際半導(dǎo)體的統(tǒng)計(jì)中，將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分成集成電路、分立器件、傳感器、光電子四種類型統(tǒng)稱為半導(dǎo)體元件。

芯片按照處理信號(hào)可分為：

模擬芯片利用晶體管的放大作用，模擬芯片用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號(hào)，種類細(xì)且繁多，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）、放大器芯片、電源管理芯片、PLL等等。模擬芯片設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于非理想效應(yīng)過多，需要扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，比如小信號(hào)分析、時(shí)域頻域分析等等。

數(shù)字芯片利用晶體的開關(guān)作用，則是用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號(hào)，數(shù)字芯片一般進(jìn)行邏輯運(yùn)算，CPU、內(nèi)存芯片和DSP芯片都屬于數(shù)字芯片。數(shù)字芯片的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于芯片規(guī)模大，工藝要求復(fù)雜，通常需要多團(tuán)隊(duì)協(xié)同開發(fā)。

芯片根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景可分為商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)、軍工級(jí)。

CPU被稱作芯片中的“珠穆朗瑪峰”，是所有時(shí)期各種電子元件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)中央處理器的統(tǒng)稱。其結(jié)構(gòu)主要包括控制單元、運(yùn)算器、高速緩存器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器四個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)控制、運(yùn)算、高速數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)、短暫存儲(chǔ)四個(gè)用途。

CPU作為電子終端產(chǎn)品的核心部件，被大規(guī)模應(yīng)用在電腦、大型服務(wù)器、商用無人機(jī)等設(shè)備上。

知識(shí)小貼士

芯片的大致分類

按不同的處理信號(hào)可分為模擬芯片、數(shù)字芯片。

按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分類方式可分為集成電路、分立器件、傳感器、光電子。

按電路可分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路、混合信號(hào)集成電路。

按使用功能可分為GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SOC。

按不同應(yīng)用場(chǎng)景可分為民用級(jí)（消費(fèi)級(jí)）、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)、軍工級(jí)、航天級(jí)。

近年來，國(guó)產(chǎn)芯片在制造和性能等領(lǐng)域取得較大提升。除國(guó)產(chǎn)臺(tái)式機(jī)、企業(yè)云平臺(tái)、發(fā)電廠、高鐵、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)部分使用了中國(guó)“芯”外，手機(jī)、筆記本電腦、智能穿戴設(shè)備等，也已部分使用國(guó)產(chǎn)芯片。

中國(guó)“芯”對(duì)芯片壟斷產(chǎn)品的替代，將在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間成為網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域的新常態(tài)。23B389F1-92DF-477A-8A40-9AA141062BD3

AI“芯”

人工智能（AI）芯片是人工智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)的核心基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)以人工智能芯片為核心的創(chuàng)業(yè)企業(yè)，大多聚焦在視覺智能、語言智能處理技術(shù)等領(lǐng)域。近年來，我國(guó)已涌現(xiàn)一批AI芯片新產(chǎn)品和新成果，比如寒武紀(jì)推出的首顆訓(xùn)練芯片已規(guī)模化生產(chǎn)，地平線也已量產(chǎn)我國(guó)首款車規(guī)級(jí)人工智能芯片等。

數(shù)據(jù)、算法和算力是人工智能的三大驅(qū)動(dòng)力，但最終都需落實(shí)到算力，而芯片算力則直接來自于集成電路的發(fā)展。AI智能化水平的提高依賴于算力的快速增長(zhǎng)，人工智能算法的算力需求遠(yuǎn)超摩爾定律的增長(zhǎng)速度。從金融、安防、醫(yī)療、教育到智慧城市，算力日益成為業(yè)界競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)首款采用顯存的通用AI芯片——昆侖芯2是百度第二代自研AI芯片，芯片采用7 nm制程，搭載自研的第二代XPU架構(gòu)，適用云、端、邊等多場(chǎng)景，可應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)核心算法、智慧城市、智慧工業(yè)等領(lǐng)域。此外，昆侖芯2還將賦能高性能計(jì)算機(jī)集群、生物計(jì)算、智能交通、無人駕駛等領(lǐng)域。

天機(jī)芯片是全球首款異構(gòu)融合類腦芯片，同時(shí)支持基于神經(jīng)科學(xué)的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，被評(píng)為2019年中國(guó)十大科技進(jìn)展之一。

知識(shí)小貼士

摩爾定律：由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出。指當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。

汽車“芯”

汽車芯片是關(guān)乎汽車產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要器件，是汽車強(qiáng)國(guó)建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

車規(guī)級(jí)芯片分為控制芯片、微處理器芯片、存儲(chǔ)芯片、模擬芯片及功率器件。微控制單元（MCU芯片）是我國(guó)汽車制造中最緊缺的芯片，也是影響汽車制造的主要原因。汽車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)、防抱死系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)等均需使用這類芯片。在傳統(tǒng)的分布式ECU架構(gòu)中，制造一輛汽車需70～300塊MCU芯片，在未來智能汽車中央計(jì)算架構(gòu)下，制造一輛汽車僅需10～20塊高性能MCU芯片。推進(jìn)汽車電子電氣架構(gòu)由分散式向集中式演進(jìn)，或是解決汽車制造行業(yè)“缺芯”狀況的終極方案之一。

手機(jī)“芯”

手機(jī)芯片主要包括射頻芯片、基帶芯片和核心應(yīng)用處理器。射頻芯片負(fù)責(zé)無線通信，應(yīng)用處理器就是傳統(tǒng)意義的CPU和GPU（圖形處理器），基帶芯片負(fù)責(zé)對(duì)無線通信的收發(fā)信號(hào)實(shí)施數(shù)字信號(hào)處理，在整個(gè)系統(tǒng)中的位置介于前兩者之間。

芯片的“脖子”卡在哪

“芯片設(shè)計(jì)之母”—— EDA

EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）是電子設(shè)計(jì)的基石產(chǎn)業(yè)，在精密制造領(lǐng)域，更是精密器件生產(chǎn)、加工和測(cè)試的基礎(chǔ)。可以說，掌握了最優(yōu)的EDA，就有了高端工業(yè)領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)。

EDA被稱為“芯片設(shè)計(jì)之母”，是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件完成芯片的功能設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證等流程的設(shè)計(jì)方式。EDA是芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)源頭，也是中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

EDA布局布線設(shè)計(jì)是其中重要一環(huán)，就像房屋裝修前，要讓各種家具家電、電線網(wǎng)絡(luò)布局在最合適的地方，做到既美觀又節(jié)省空間，還能完美互聯(lián)互通。這就需要一個(gè)最優(yōu)的“施工圖”。芯片等精密器件只有指甲蓋大小，卻要加載百億個(gè)單元，相互聯(lián)結(jié)的線路更復(fù)雜，只能通過算法去設(shè)計(jì)最優(yōu)“施工圖”實(shí)現(xiàn)。

在2021年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)國(guó)際會(huì)議上，華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院呂志鵬教授團(tuán)隊(duì)摘得電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化布局布線算法競(jìng)賽全球冠軍。

必須翻越的高峰——光刻機(jī)

光刻機(jī)是制造芯片最重要的設(shè)備之一，是迄今為止人類所能制造的最精密的裝備，被譽(yù)為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈“皇冠上的明珠”。

光刻也被稱作“微影制程”，是將光罩上具有各種電子特性的區(qū)域圖即電路圖形，微縮并曝光成像在晶圓上，為流程中的后續(xù)步驟打好基礎(chǔ)。光刻機(jī)的投影物鏡被譽(yù)為成像光學(xué)的最高境界，其波像差需要控制到亞納米量級(jí)，甚至接近零像差，這對(duì)投影物鏡的生產(chǎn)、檢測(cè)與控制都提出了極為嚴(yán)苛的要求。

光刻機(jī)在工作時(shí)，需要工件臺(tái)和掩模臺(tái)在高速運(yùn)動(dòng)過程中始終保持幾納米的同步精度。

能否靠“碳”超車

碳基芯片是基于納米碳材料晶體管制造的芯片，被認(rèn)為是最有可能代替硅基芯片的次時(shí)代技術(shù)。

石墨烯和納米碳管特殊的幾何結(jié)構(gòu)，使得電子在材料中的傳輸速度大大超出了目前的硅基材料。同時(shí)，納米碳結(jié)構(gòu)中沒有金屬中那種可以導(dǎo)致原子運(yùn)動(dòng)的低能缺陷或位錯(cuò)，使得其能承受的電流強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出目前集成電路中銅互連能承受的電流上限，這些性質(zhì)使得納米碳成為最理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。

我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在10.16厘米的基底上制備出密度高達(dá)每微米120根、半導(dǎo)體純度超過99.999 9%的碳納米管平行陣列，并在此基礎(chǔ)上首次實(shí)現(xiàn)了性能超越同等柵長(zhǎng)硅基CMOS的晶體管和電路，成功突破了長(zhǎng)期以來阻礙碳納米管電子學(xué)發(fā)展的瓶頸。

相比傳統(tǒng)硅基技術(shù)，碳基半導(dǎo)體具有成本低、功耗小、效率高的優(yōu)勢(shì)，因此也被視為性能更好的半導(dǎo)體材料。與國(guó)外硅基技術(shù)制造的芯片相比，我國(guó)碳基技術(shù)制造的芯片在處理大數(shù)據(jù)時(shí)不僅速度更快，而且至少能節(jié)約30%左右的功耗。這或?qū)⑹刮覈?guó)芯片制造行業(yè)在新賽道上突破“卡脖子”技術(shù)成為可能。

（欄目編輯? 方郁芝）23B389F1-92DF-477A-8A40-9AA141062BD3