我國高端晶片的設計與製造差距

今天為大家講述晶片的製造與設計，看看我國國內的高端晶片的真實水平！哪一個環節我們還有短板，能不能迎頭趕上!

晶片的製造。

它主要分兩大塊，一個是設計，一個是製造

有些公司自己設計和製造都能做，這些公司就厲害的不得了!

比如美國的英特爾，咱們的電腦CPU大部分都是英特爾的，還有韓國的三星。

大部分的公司要麼只有設計能力，要麼是只有製造能力!

比如華為的海思就是這樣，海思公司的設計能力已經達到國際的頂尖水平了。

在arm這個架構的設計上已經可以和高通掰掰手腕了！但是華為海思沒有製造的能力，高端晶片第一步就是要設計，設計是一個非常複雜的工程。

就比如一個城市，如果一個幹道上一個紅綠燈的設計不合理，就很有可能引起堵車，更何況在一塊晶片上。

數億的電晶體，多少的電路密密麻麻的。

對於這些電晶體如何去調度，怎樣高效的讓它們運作。

這極具技術含量!在高端晶片的設計領域，華為的海思已經達到了國際頂級水平，也是我們國內的最高水平了，但是海思也是有短板的。

晶片的設計主要植根於架構。

我們都聽說過，全球上有兩個主要的架構，電腦的CPU 主要是X86，手機上的晶片主要是ARM。

這兩大主要架構都不屬於我們的，咱們也只是買別人的授權。

有些朋友，讀者可能對架構這個有些疑惑。

為什麼設計一個晶片必須要植根於一個特定的架構，在這我給大家簡單的舉個例子說明一下。

比如說，這個廣場上有100輛車，你要去指揮他們，你就需要給這些車主下命令。

這個命令就是指令，一系列的指令組合起來叫指令集也稱為架構。

全體倒車，這100輛車齊刷刷的掛起倒擋向後倒車。

一隊向前開一點，就有10輛車向前方開，二隊向右行駛等等這些。

如果沒有這些命令，這100輛車就像廢鐵一樣，什麼活都幹不了!另外，在基於特定的架構去設計晶片的時候，一定要高效的利用這些命令，也就是指令集。

比如說一隊向前方行駛，那麼你在設計的時候就要在一隊的前方給它留出空地來，可以讓它向前行駛！這就是指令集在晶片設計中的基礎性作用，我們在這方面是一個短板。

有朋友可能會問，我們有沒有自己的指令集。

這個肯定是有的！比如我國的龍芯，龍芯採用的指令集，就是我們完全自主的。

但是暫時來看效率不太高，華為現在也在研發屬於自己的指令集，特別是在未來的雲計算和AI計算。

我們正在採用一個叫做RISC-V的指令集，這是我們今後的發展方向。

但是就目前為止，主流的指令集還是使用國外的。

另外在晶片設計上我們還有一個短板，我們使用設計的軟體，沒有國產的，另外設計晶片的測試方面，你不可能等晶片製造出來才進行測試！成本過於高。

晶片的仿真測試軟體，我們也沒有，其實這方面也不要太過於大驚小怪，我們在軟體這方面確實短板是比較大的，我們也別說高端的設計工業，就是民用上用的正常做一個圖的PS軟體。

我們也不占優勢。

這個都需要我們的軟體工作者奮起直追！在某些領域我們的設計能力已經達到世界的頂級水平了，但是！設計晶片的根本就是指令集，我們還沒有一個成熟有效的指令集是屬於我們自己的，設計需要用的工具（軟體）還需要依賴於國外。

說完設計，接下來我們談談製造了。

製造晶片世界上最強大的晶片代工廠是台積電！這個大家也不陌生。

咱們國內最好的晶片代工廠是中芯國際，中芯國際肯定是落後於台積電的，在量產的這個層次上落後一代，中芯國際14納米已經投入量產了，然而台積電是7納米。

但是在研發上要落後兩代甚至是三代。

台積電現在已經在研發5納米甚至是3納米的製程了，我們還沒開始。

聊完製造工廠的差距後，我們從工藝上一步一步的往下說。

首先就是原材料，晶圓（沙子提煉出高精度的單晶矽，做成矽錠。

然後矽錠進行切割，切割成一片一片的晶圓） 這方面技術我們國內是有的，而且是世界的先進水平。

晶圓製作出來之後，就要往上塗一層光刻膠！這一層膠，目前是被日本與美國壟斷的，日本的信越和美國的陶氏化學屬於壟斷地位。

我們國內的光刻膠只能從事一些中低端的集成電路製作，在高端晶片上是空白。

沒有！把光刻膠塗在矽片上，這需要一個儀器叫做塗膠顯影機，目前也是日本在壟斷。

我們國內沒有。

把膠塗在矽片上後，很多朋友，讀者就知道接下來要進行什麼了。

對，沒錯!光刻機。

很多朋友認為這是我國最大的短板，特別是高端的光刻機。

光刻機這個產品，是集人類物理學，化學，電學，光學包括機械最高科技水平的結晶。

這個世界上，高端的光刻機，沒有任何一個國家能單獨把它造出來！光刻機上使用的光源，加工7納米製程的光刻機，光的波長要非常非常短，肯定要遠遠小於7納米，只能採用極短的紫外線光！目前這個光源是美國壟斷的。

然後光線要通過鏡片，這個鏡片目前頂級光刻機，採用的是德國的蔡司鏡頭，搞攝影的朋友和讀者都知道，世界上沒有任何一家公司。

論光學鏡片的加工能超過蔡司的。

另外，紫外線光通過鏡片後光斑很小，也就是一個指甲蓋那麼大。

但是晶圓很大，晶圓現在的尺寸現在大概12英寸。

很明顯光源是無法覆蓋這個晶片的，那怎麼辦！只能這一片晶片在不停的移動，曝光一個地方後移動去曝光另外一個位置，始終這樣不停的移動，不停的曝光。

這種高精度的移動，它的精度要求有多高呢？我給大家舉個例子，我現在人在北京，手裡拿了一個籃球，籃板和球網在上海。

我在北京投籃直接投到上海，要精準的落在籃網裡面！精度要求就是這麼高！這就是現在人類機械工業所能達到的精度的頂峰！國內的機械水平怎麼樣，我相信大家也是清楚的，好點的軸承都還需要進口。

所以在光刻機上面，世界上高端光刻機只有荷蘭的ASML公司能夠生產。

不是說荷蘭的ASML公司他的技術有多高，而是他集成了這個世界上所有的高科技於一身。

高端光刻機80%以上的零部件，都是從世界各地進口來的。

ASML公司只是把它組裝起來。

高端光刻機並不是政策支持，投入巨額現金！我就能造出來，這個是不可能的。

在這只是請大家認清這個客觀的現實。

低端光刻機我們還是可以製造出來的，在這就不多說了。

經過光刻機曝光之後呢，光刻膠有一層被洗掉，有一層繼續在晶圓的表面。

它就繼續保護著晶圓的表面，然後蝕刻機就開始出動了。

蝕刻機就是把露出表面的晶圓，把它刻成一條一條的凹槽，往晶圓裡邊注入別的元素，就需要凹槽！磷元素注入凹槽就會和矽元素形成一個N結，硼元素注入凹槽後就和矽元素形成P結。

我們知道晶片上，成千上萬的電晶體其實就是一個又一個PN結，這些PN結就構成一個又一個的門電路，在凹槽裡面注入磷·硼元素就是為了形成一個又一個的PN結，當然這個步驟分兩步走的，先刻槽·注入磷形成N結，然後把晶圓沖洗乾淨。

再塗一層光刻膠，再進行曝光，再刻槽，然後注入硼元素形成P結。

這兩個步驟，就需要兩種不同的機器。

第一個就是蝕刻機。

蝕刻機 中國製造水平是處於世界的先進水平的，我們還是有先進行業的。

國產的16納米的蝕刻機已經投入量產了，7到10納米的蝕刻機也能造的出來，居於國際的先進水平！但是在注入這些磷和硼元素的機器，它叫做離子注入機。

這方面日本現在是處於壟斷地位，沒有那個國家的水平比日本還要高。

PN結形成後，還要依靠離子注入機，注入一些金銀銅等元素形成導線，把一個又一個PN結連接起來。

形成電路。

大概就是這樣一個原理，當然了具體的程序肯定是非常複雜的。

晶片製作成了之後還需要切割，切割成一個一個單獨的晶片，然後進行封裝。

這些都是處在晶片製作行業的末端了，沒有太高的技術含量。

咱們國內的技術水平完全可以實現，做成一個又一個晶片之後，還要進行測試。

測試結果要和你設計的仿真軟體的結果是一致的，才可以交工。

這就是整個晶片的製作過程！簡單的說我國目前處於世界一流水平的只有蝕刻機，其他方面還仍需努力！

接下來我們簡單的說下我國高端晶片怎麼迎頭趕上，怎樣去追！這個高端晶片，發展到今天其實已經前面的路越來越窄了。

台積電現在已經在研發5納米和3納米的工藝，3納米才多大呢，其實就是十幾個原子或者幾十個原子的寬度。

再往下研發，就要面對一個非常重要的問題，叫做量子效應！經典的物理學到量子物理學裡邊就完全不起作用。

簡單的舉個例子吧，設計晶片的時候，設計的PN結，按照我的設計，這個PN結在符合某種要求的情況下應該導通。

理論設計是沒有問題的，但是如果說製程非常小，一納米左右就會發生各種各樣的問題，理論上他應該導通，實際上它可能導通，也有可能不導通。

之所以會這樣，因為量子的世界，它是測不準的。

它和你設計理論分析已經沒有必然的聯繫了。

你設計的再好，到了量子世界，完全可能會出現另外一個結果。

這就意味著國際的先進水平，隨著製程的縮短，前面所能走的路是越來越窄，速度會越來越慢，已經到了天花板了，咱們在後邊追，這個路暫時還是寬的，我們還可以跑的很快。

另外，咱們還有一條捷徑可以走，就是量子計算。

量子計算這方面，咱們國內的研究水平居於世界的領先地位，我們完全可以從量子上面實現彎道超車，趕上世界先進水平。

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