關於晶片設計你知道多少？

這是一篇關於半導體行業發展的長篇介紹，文中有些表達上對行業人士來說可能會存在些許不嚴謹，歡迎交流。

首先要解釋兩個概念：晶片設計與晶片代工

它們是有區別的，在這裡舉個例子：高通、三星、華為都可以設計晶片。

這其中，三星是可以自己生產晶片的，而高通和華為，是需要找代工的。

三星和台積電，是兩家最廣為人知的晶片代工廠。

比如美國高通的晶片，是自己設計的。

但它並不生產晶片，比如高通的高端晶片，是交給三星來代工的，華為設計的高端晶片則是交給台積電來代工。

為什麼大陸目前生產不了高端晶片？

論晶片設計，我們已經不弱了，華為的麒麟晶片就是自己研發的，在高端晶片上已經算是很強了。

但麒麟晶片的代工卻沒有找大陸廠商。

因為即使是大陸目前第一的中芯國際，現在也沒有能力生產麒麟970晶片。

華為麒麟970晶片，工藝製程是10nm。

關於工藝製程後面會有詳細介紹，就是數字越小，說明製程越先進。

我們手機里的晶片，製程工藝好不好，決定了晶片的性能。

7nm的晶片，必然比10nm的強，10nm的又強於14nm工藝的。

在2017年，三星和台積電，都掌握了最先進的10nm工藝。

所以現在10nm 的生產工藝，是壟斷在英特爾、三星和台積電手裡的。

而大陸最先進的中芯國際，只能生產最高規格28nm工藝的。

為什麼大陸的生產工藝落後？

主要是光刻機：因為晶片的生產，關鍵是要光刻機。

說到光刻機這個行業，就不得不提荷蘭 的ASML Holding N.V

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簡單說一下光刻機：

其實早期的光刻機的原理像幻燈機一樣簡單，就是把光通過帶電路圖的掩膜 (Mask，後來也叫光罩) 投影到塗有光敏膠的晶圓上（關於晶圓，下面晶片設計中會有詳細介紹）。

早期 60 年代的光刻，掩膜版是 1:1 尺寸緊貼在晶圓片上，而那時晶圓也只有 1 英寸大小。

因此，光刻那時並不是高科技，半導體公司通常自己設計工裝和工具，比如英特爾開始是買 16 毫米攝像機鏡頭拆了用。

只有 GCA, K&S 和 Kasper 等很少幾家公司有做過一點點相關設備。

60 年代末，日本的尼康和佳能開始進入這個領域，畢竟當時的光刻不比照相機複雜。

1978 年，GCA 推出真正現代意義的自動化步進式光刻機 (Stepper)，解析度比投影式高 5 倍達到 1 微米。

但此時的光刻機行業依舊是個小市場，一年賣幾十台的就算大廠了。

因為半導體廠商就那麼多，一台機器又能用好多年。

這導致你的機器落後一點，就沒人願意買了。

技術領先是奪取市場的關鍵，贏家通吃。

80 年代一開始，GCA 的 Stepper 還稍微領先，但很快尼康發售了自己首台商用 Stepper NSR-1010G，擁有更先進的光學系統極大提高了產能。

兩家開始一起擠壓了其它廠商的份額。

到了 1984 年，在光刻行業，尼康和 GCA 平起平坐，各享三成市占率。

Ultratech 占約一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家瓜分剩下的三成。

但轉折也發生在這一年，這一年飛利浦在實驗室里研發出 stepper 的原型，但是不夠成熟。

因為光刻市場太小，飛利浦也不能確認它是否有商業價值，去美國和 P&E、GCA、Cobilt、IBM 等談了一圈也沒人願意合作。

很巧合有家荷蘭小公司叫 ASM International 的老闆 Arthur Del Prado 聽說了有這麼回事，主動要求合作。

但這家代理出身的公司只有半導體一些經驗，對光刻其實不太懂，等於算半個天使投資加半個分銷商。

飛利浦猶豫了一年時間，最後勉強同意了設立 50:50 的合資公司。

1984 年 4 月 1 日 ASML 成立的時候，只有 31 名員工，在飛利浦大廈外面的木板簡易房裡工作。

ASML 最早成立時的簡易平房，後面的玻璃大廈是飛利浦。

Credit: ASML

ASML 在 1985 年和蔡司 (Zeiss) 合作改進光學系統，終於在 1986 年推出非常棒的第二代產品 PAS-2500，並第一次賣到美國給當時的創業公司 Cypress，今天的 Nor Flash 巨頭。

但接下來的一年，1986 年半導體市場大滑坡，導致美國一幫光刻機廠商都碰到嚴重的財務問題。

ASML 規模還小，所以損失不大，還可以按既有計劃開發新產品。

但，GCA 和 P&E 這些老牌廠商就頂不住了，它們的新產品開發都停滯了下來。

1988 年 GCA 資金嚴重匱乏被 General Signal 收購，又過了幾年 GCA 找不到買主而破產。

1990 年，P&E 光刻部也支撐不下去被賣給 SVG。

1980 年還占據大半壁江山的美國三雄，到 80 年代末地位完全被日本雙雄取代。

這時 ASML 大約有 10% 的市場占有率。

忽略掉美國被邊緣化的 SVG 等公司，90 年代後，一直是 ASML 和尼康的競爭，而佳能在旁邊看熱鬧。

在後來 ASML 推出浸入式 193nm 產品，緊接著尼康也宣布自己的 157nm 產品以及 EPL 產品樣機完成。

然而，浸入式屬於小改進大效果，產品成熟度非常高，而尼康似乎是在做實驗，因此幾乎沒有人去訂尼康的新品。

這導致後面尼康的大潰敗。

尼康在 2000 年還是老大，但到了 2009 年 ASML 已經市占率近 7 成遙遙領先。

尼康新產品的不成熟，也間接關聯了大量使用其設備的日本半導體廠商的集體衰敗。

至於佳能，當它們看到尼康和 ASML 在高端光刻打得如此厲害就直接撤了。

直接開發低端光刻市場，直到現在它們還在賣 350nm 和 248nm 的產品，給液晶面板以及模擬器件廠商供貨。

再回來，英特爾、三星和台積電之所以能生產 10nm 工藝的晶片，首先是它們能從 ASML 進口到高端的光刻機，用於生產 10nm 晶片。

而大陸沒有高端的光刻機，用中低端的光刻機又缺乏技術，所以暫時只能生產工藝相對落後的晶片。

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下面我們談一談晶片的設計，在談論設計之前，我們需要知道CPU、GPU、微架構和指令集等概念。

CPU的含義，亦即中央處理器，是負責計算機主要運算任務的組件。

功能就像人的大腦。

可能大家聽過CPU有x86、ARM這樣的分類，前者主要用於PC而後者主要用於手機平板等設備。

CPU執行在計算任務時都需要遵從一定的規範，程序在被執行前都需要先翻譯為CPU可以理解的語言。

這種語言被稱為指令集（ISA，Instruction Set Architecture）。

程序被按照某種指令集的規範翻譯為CPU可識別的底層代碼的過程叫做編譯（compile）。

像x86、ARM v8、MIPS等都是指令集的代號。

同時指令集可以被擴展。

廠商開發兼容某種指令集的CPU需要指令集專利持有者授權，典型例子如Intel授權AMD，使後者可以開發兼容x86指令集的CPU。

CPU的基本組成單元即為核心（core）核心的實現方式被稱為微架構（microarchitecture）和指令集類似，像Haswell、Cortex-A15等都是微架構的代號。

微架構的設計影響核心（core）可以達到的最高頻率、核心在一定頻率下能執行的運算量、一定工藝水平下核心的能耗水平等等。

但值得注意的是：微架構與指令集是兩個不同的概念：指令集是CPU選擇的語言，而微架構是具體的實現。

以兼容ARM指令集的晶片為例：ARM公司將自己研發的指令集叫做ARM指令集，同時它還研發具體的微架構，例如Cortex系列並對外授權。

但是，一款CPU使用了ARM指令集並不等於它就使用了ARM研發的微架構。

像高通、蘋果等廠商都自行開發了兼容ARM指令集的微架構，同時還有許多廠商使用ARM開發的微架構來製造CPU，比如華為的麒麟晶片。

通常，業界認為只有具備獨立的微架構研發能力的企業才算具備了CPU研發能力，而是否使用自行研發的指令集無關緊要。

微架構的研發也是IT產業技術含量最高的領域之一。

以麒麟980為例，最主要的部分就是 CPU 和 GPU 。

其中 Cortex-A76 和 Mali-G76 都是華為找ARM買的微架構授權，華為可以自研微架構嗎？肯定是可以的，但要想達到蘋果那樣應用在手機系統上還有很長一段路要走，最起碼現在看來是這樣，除了自身研發會遇到各種問題外，因為晶片的開發和軟體開發一樣，需要EDA工具，使用ARM的微構架，它們會提供很多工具，這些東西也挺核心的，所以一旦另起爐灶就需要考慮各個方面的問題。

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弄清楚了這些，就可以開始設計晶片了，但這一步也是非常複雜繁瑣的。

晶片製造的過程就像蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，然後再層層往上疊，經過一系列製造流程後，就可產出必要的 IC 晶片了。

那什麼是晶圓呢？

晶圓（wafer），是製造各種制式晶片的基礎。

我們可以將晶片製造看作蓋房子，而晶圓就是一個平穩的地基。

在固體材料中，有一種特殊的晶體結構──單晶（Monocrystalline）。

它的特性就是原子一個接著一個緊密的排列，可以形成一個平整的原子表層。

因此，我們採用單晶做成晶圓。

但是，該如何產生這樣的材料呢，主要有二個步驟，分別為純化以及拉晶，之後便能完成這樣的材料。

純化分成兩個階段，第一步是冶金級純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化矽轉換成 98% 以上純度的矽。

但是，98% 對於晶片製造來說依舊不夠，仍需要進一步提升。

因此，將再進一步採用西門子製程（Siemens process）作純化，將獲得半導體製程所需的高純度多晶矽。

接著，就是拉晶。

首先，將前面所獲得的高純度多晶矽融化，形成液態的矽。

然後，以單晶的矽種（seed）和液體表面接觸，一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起。

至於為何需要單晶的矽種，是因為矽原子排列就和人排隊一樣，會需要排頭讓後來的人該如何正確的排列，矽種便是重要的排頭，讓後來的原子知道該如何排隊。

最後，待離開液面的矽原子凝固後，排列整齊的單晶矽柱便完成了。

但一整條的矽柱並無法做成晶片製造的基板，為了產生一片一片的矽晶圓，接著需要以鑽石刀將矽晶柱橫向切成圓片，圓片再經由拋光便可形成晶片製造所需的矽晶圓。

至於8寸、12寸晶圓又代表什麼東西呢？很明顯就是指表面經過處理並切成薄圓片後的直徑。

尺寸愈大，拉晶對速度與溫度的要求就更高，製作難度就越高。

經過這麼多步驟，晶片基板的製造總算完成了，下一步便是晶片製造了。

該如何製作晶片呢？

IC晶片，全名集成電路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來。

從上圖我們可以看出，底部藍色的部分就是晶圓，而紅色以及土黃色的部分，則是於 IC 製作時要設計的地方，就像蓋房子要設計怎樣的樣式。

然後我們看紅色的部分，在 IC 電路中，它是整顆 IC 中最重要的部分，將由多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的 IC 晶片，因此也可以看作是根基上的根基。

而黃色的部分，不會有太複雜的構造，它的主要作用是將紅色部分的邏輯閘相連在一起。

之所以需要這麼多層，是因為有太多線路要連結在一起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。

在這之中，不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。

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然後開始製作這些部分：

製作 IC 時，可以簡單分成4 種步驟。

雖然實際製造時，製造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆採用類似的原理。

1. 金屬濺鍍：將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上，形成一薄膜。
   
   
2. 塗布光阻：先將光阻材料放在晶圓片上，透過光罩（光罩原理留待下次說明），將光束打在不要的部分上，破壞光阻材料結構。
   
   接著，再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。
   
   
3. 蝕刻技術：將沒有受光阻保護的矽晶圓，以離子束蝕刻。
   
   
4. 光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。
   
   

完成這些步驟之後，最後便在一整片晶圓上完成很多 IC 晶片，接下來只要將完成的方形 IC 晶片剪下，便可送到封裝廠做封裝。

封裝：

經過漫長的流程，終於獲得一顆 IC 晶片了。

然而一顆晶片相當小且薄，如果不在外施加保護，會被輕易的刮傷損壞。

此外，因為晶片的尺寸微小，如果不用一個較大尺寸的外殼，不容易安置在電路板上，所以才需要最後的封裝。

封裝的方式有很多種，常見的有雙排直立式封裝（Dual Inline Package；DIP），球格陣列（Ball Grid Array，BGA）封裝，SoC（System On Chip）封裝以及 SiP（System In Packet）封裝。

完成封裝後，然後還需要進入測試階段，在這個階段是為了確認封裝完的 IC 是否能正常的運作，檢測沒問題後便可出貨給組裝廠，做成我們所見的電子產品。

至此，完成整個製作流程。