我國芯片正經歷著卡脖子。

2021-06-28

卡脖子(qiǎ bó zi),意思是指用雙手掐住別人的脖子,多比喻抓住要害,致對方于死地。


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又指中國仍依賴發達國家的多項關鍵核心技術和設備,如光刻機、操作系統等。

 

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我國的芯片技術一直都在被國外“卡脖子”,早有很多報道指出我國的芯片行業具體卡脖子在光刻機上,而對于業內來說,我國的芯片行業的各個環節都是在卡脖子。

 

首先來簡單了解下芯片從設計到成品的幾個環節:

 

1. 設計

2. 制造

3. 封裝測試

 

01

芯片復雜繁瑣的設計流程

 

芯片制造過程類似于蓋房子的步驟,先打好地基,在往上層層疊加,然后產生所需要的芯片。而蓋房子的這個步驟中,除了必要的建造工人外,房子的設計師也是不可缺少的部分。設計師設計出的設計圖是芯片建造的依據。因此,芯片設計是芯片制造的前提。那么,芯片設計中的“建筑師”又有哪些呢?

 

在芯片生產制造流程中,芯片設計一般都由設計公司進行規劃和設計。根據2020年第二季全球十大芯片設計公司營收排名可以看出,芯片設計大廠博通、高通、英偉達等均為美國企業,而以中國為代表的聯發科、聯詠等企業也都集中在中國臺灣省。

 

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這些大廠已有多年的設計經驗與工程技術,他們都自行設計各自的芯片,然后根據芯片不同的規格、效能供給下游廠商選擇,由于是由各廠工程師自行設計,所以工程師的技術直接影響著企業的價值。那么,芯片設計究竟有哪些過程?


第一步:規格制定

 

設計師會根據芯片的實際應用要求定制芯片的規格,這就好比在設計房子之前,室內設計師會根據客戶具體的需求,如家庭人口數量或者是客戶的實際要求設計房子相應的室內圖紙,或是三室一廳或是兩室一廳等等。同樣的,芯片設計也有一定的規格。一般來說,芯片設計的越大芯片規格越高,性能越強。

 

比如一顆PC芯片和手機芯片的設計標準就不同,一顆標準的CPU大小在一百平方毫米以上是正常的,而高端CPU和高強處理器大小達到二百多毫米也是正常的事。


由于PC的體積較大,因而散熱的環境較好,因此做大芯片的規格來提升芯片的性能是常有的方法。

 

但對于手機芯片來說,手機內部原本的空間就比較狹小,因而芯片的規格控制在幾十毫米以內就已經是較好的結果,過大的芯片自然也就不能適用于手機內部。

  

第二步:繪制藍圖

 

設計師根據已經做好的規劃,在電腦上將規劃畫出平面設計圖。在IC設計中,邏輯合成這個步驟至關重要。將確定無誤的程式碼放入電子設計自動化工具中,用電腦將程式碼轉換成邏輯電路產生電路圖,反復進行修改最終確認正確。

  

然后將合成完的程式碼再放入另一套電子設計自動化工具中,進行電路布局與繞線。在經過不斷的檢測后,最后形成縱橫交錯的電路圖。藍、紅、綠、黃等不同顏色,每種不同的顏色就代表著一張光罩。

 

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層層光罩,疊起一顆芯片

 

首先已經知道一顆IC會產生多張的光罩,這些光罩有上下層的分別,每層有各自的任務。

 

下圖中,左邊就是經過電路布局與繞線后形成的電路圖,在前面已經知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩攤開的樣子。

 

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制作是,由底層開始,逐層制作,最后便會產生期望的芯片了。

02

芯片的制作過程

 

說完光罩,再說下晶圓。我們經常會聽到很多晶圓廠,如臺積電、聯華電子、三星、中芯國際等等,都是晶圓制作的大廠。而晶圓尺寸常以6寸、8寸、12寸等規格進行劃分,這里闡述下什么是晶圓,這里的6寸、8寸、12寸指的又是什么?

 

晶圓(Wafer)是芯片制作的基礎。正如前文提到的芯片制造過程類似于蓋房子的步驟,先打好地基。而晶圓就是這個地基,在這個地基上層層疊加,達到自己期望的造型,不同的造型對應的不同的應用芯片。因此,打好地基(造好晶圓)是造出優質芯片基礎。

 

說到這里就需要回顧下晶圓的制作過程《你真的懂芯片嗎?一文帶你深入探尋芯片的奧秘。》


晶圓又稱硅晶圓,無論前面的電路設計是什么樣子,最終都要疊加在晶圓上。

 

而通過他的名字“硅晶圓”不難看出其主要成分就是“硅”(Si)。硅也是極為常見的一種元素,然而它極少以單質的形式在自然界出現,而是以復雜的硅酸鹽(R(SiO3)n)或二氧化硅(SiO2)的形式,廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中。


硅在宇宙中的儲量排在第八位。在地殼中,它是第二豐富的元素,構成地殼總質量的26.4%,僅次于第一位的氧(49.4%)。

 

從上面的數據看,自然界硅的含量不少。但上文同時也指出硅是極少以單質的形式出現的,也就是說,制作晶圓所需的硅是需要從砂石中提純的,含硅的石頭不少,但是提純的技術卻不易,這項技術是我們的卡脖子之一。

 

芯片制作不可缺少的部分二——光刻機。光刻機(Mask Aligner) 又名:掩模對準曝光機,曝光系統,光刻系統等,是制造芯片的核心裝備。它采用類似照片沖印的技術,把掩膜版上的精細圖形通過光線的曝光印制到硅片上。


如果說晶圓是地基的話,那么光刻就是造主體。地基打好了,要將之前設計好的電路圖信息內容傳遞到晶圓上,這時候就需要光刻這項技術,光刻也是制造芯片的最關鍵技術,他占芯片制造成本的35%以上。也就是我們要有光刻機才能對晶圓進行光刻,而作為我國半導體“卡脖子”技術的光刻機,在世界范圍內的擁有者也是屈指可數。

 

用于生產芯片的光刻機是中國在半導體設備制造上最大的短板,國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

 

半導體制造由于超高的精度,無法通過手工和機器裝配,只能通過激光來刻蝕,而光刻機就是這個設備,是半導體制造的關鍵,無論臺積電、三星還是中芯國際都會受制于光刻機技術。


由于光刻機是生產大規模集成電路的核心設備,制造和維護需要高度的光學和電子工業基礎,世界上只有少數廠家掌握:


ASML

尼康

佳能

歐泰克

上海微電子裝備

SUSS

ABM, Inc.

 

以上列舉的是全球為數不多的光刻機制造商。我國光刻機的最高水平代表要屬上海微電子的光刻機,制程工藝為90nm,而ASML早在15年前就已經量產了90nm。這就好比,2021年了,別人已在用iPhone13的時候你還在使用初代iPhone3GS,別人已經博士后的時候,你還在上初中。

  

03

芯片的封裝測試

 

從造晶圓到光刻再到摻雜最后到封裝測試,困難貫穿于整個步驟。到達最后,將做好的芯片用精細的切割器從晶圓上切下來,焊接到基片上裝殼密封,最后測試包裝才是成品。(關于芯片的制作詳細內容可回顧之前的文章:你真的懂芯片嗎?一文帶你深入探尋芯片的奧秘。

04

我國芯片事業的現狀

 

通過介紹不難看出芯片的制作過程之復雜、困難,而我國在芯片事業的關鍵技術上自始至終都面臨著巨大的挑戰,不管是芯片設計還是芯片制作,所有核心環節都缺少關鍵技術和人才。


隨著我國科學實力與經濟實力的不斷壯大,盡管我們在諸多方面已經有了巨大的飛躍,但是國際半導體大廠的技術實力仍然令我們望其項背。


如今的中國不缺“糧草”,更多的是對半導體領域專業人才的渴求。



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