晶片製造有多難

5月3日,寒武紀發布國內首款雲端人工智慧晶片,理論峰值速度達每秒128萬億次定點運算,達到世界先進水平。

新華

5月3日,寒武紀發布國內首款雲端人工智慧晶片,理論峰值速度達每秒128萬億次定點運算,達到世界先進水平。

阿里巴巴繼宣布自主研發晶片後,日前又宣布全資收購中天微系統有限公司,在布局晶片產業發展上更邁進一步。

百度近幾年也採用結盟、自主研發的方式布局晶片產業。

近日,晶片發展引起越來越多的國人關注。

晶片究竟是什麼?對設計、製造有哪些要求?生產一顆晶片需要哪些步驟呢?

晶片有幾十種大門類

廣義上,只要是使用微細加工手段製造出來的半導體片子,都可以叫做晶片,裡面並不一定有電路。

狹義的概念中,晶片是內含集成電路矽片的總稱,其體積小,常常作為計算機或其他電子設備的一部分。

晶片組則是一系列相互關聯的晶片組合,它們互相依賴,組合在一起以發揮更多作用。

比如計算機裡面的處理器和南北橋晶片組,手機裡面的射頻、基帶和電源管理晶片組。

晶片的種類很多,僅從產品來說,就有電腦晶片、人腦晶片、生物晶片等幾十種大門類,上千種小門類。

以運營商業務為例,通信基站設備是其最主要的產品之一。

僅在一台通信基站中就有上百顆晶片,分別實現不同功能。

簡單來說,基站發射並回收手機信號。

收回信號後首先通過晶片濾波,穩定信號,然後通過晶片將這種特別小的信號放大,再通過晶片對信號進行解析、處理,最後通過晶片把信號進行傳輸和轉發。

基站核心跟電腦類似,可以實現各種功能,但它可以支持多個手機,因而速度更快,晶片更複雜。

其中最典型的是模數轉換器(ADC)。

ADC晶片是模數轉換晶片,負責將天線接收的連續的模擬信號轉換為通話或上網的數位訊號。

比航天還要高的高科技

一顆晶片的製造工藝非常複雜,一條生產線大約涉及50多個行業、2000-5000道工序。

其中許多工藝都在獨立的工廠進行,而使用的設備也需要專門的設備廠製造；使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材,需要專門的化工工業。

另外,集成電路的生產都是在超凈間進行的,因此還需要排風和空氣凈化等系統。

這些工序可簡單描述為:設計—製造—封裝。

在這個過程中,有三個步驟極為關鍵:第一步,提煉高純度的二氧化矽,做成比紙還薄的晶圓；第二步,在晶圓上用雷射刻出數十億條線路,鋪滿幾億個二極體和三極體；第三步,把每片晶圓切割封裝好。

要做成比紙還薄的晶圓,必須對原料矽進行純化和拉晶。

拉晶過程中,要用到單晶矽生產爐、切片機、倒角機等多種設備和材料,其中90%需要進口。

在做好的晶圓基礎上,把集成電路做到上面,主要包含鍍膜、光刻、刻蝕、離子注入這些工藝,也需要多項設備來實現。

光刻機是其中的核心技術。

晶片的集成程度取決於光刻機的精度,光刻機需要達到幾十納米甚至更高的圖像解析度,光刻機的兩套核心系統——光學系統和對準系統的精度越高,可以在矽片上刻的溝槽越細小,晶片的集成度越高、計算能力越強。

目前,世界上80%的光刻機市場被荷蘭公司占據,高端光刻機也被其壟斷。

有說法認為,集成電路是比航天還要高的高科技。

一些裝備由於其巨大的製造難度被冠以「工業皇冠上的明珠」的稱號,最主流的說法是兩大裝備:航空發動機和光刻機,最先進的航空發動機目前的報價在千萬美元量級,最先進的光刻機目前的報價已經過億美元。

「投入幾十億元可能就聽個響」

有從業者說,做晶片「投入幾十億元可能就聽個響」。

製造晶片需要實踐,但晶片的實踐和試錯成本太高,往往一顆晶片就能決定一家公司的生死。

如果投入無法獲得對等產出,這種耗資巨大的試錯和實踐就不會持久。

如果沒有實踐中的經驗積累,那麼設計製造晶片過程中出錯率高,產出率也差,形成惡性循環。

晶片牽涉到產業鏈經濟化、標準化,還有品牌應用的問題。

即使能生產出晶片,生產晶片的機器如果是進口的,也會受制於人。

全球範圍內,美、歐、韓等已開發國家在產業政策、人才、發展基礎等一直有比較大的優勢,晶片高端市場幾乎被這三大主力地區壟斷。

數據顯示,全球共有94家先進的晶圓製造廠商,其中17家在美國,71家在亞洲,6家在歐洲。

集成電路是高技術行業,裡面有非常多的技術壁壘,「彎道超車」挑戰比較大。

韓國和日本就是非常典型的例子。

從模擬到數字的這輪變換裡面,日本走錯了方向,還是守著過去模擬電路的地盤,很快就被韓國、美國的企業超越。

韓國在包括存儲、手機晶片、應用處理器等方面具有優勢,而這些都是韓國在新興產業剛剛起步的階段通過長期創新、持續投入等取得的成績。

晶片製造是一個對技術、資金、人才都高度依賴的行業,特別是在工藝上。

傳統晶片領域被國際巨頭壟斷的今天,一些新興晶片領域將成為重要突破口,為未來占據一席之地提供對策。

(記者 吳遠方 整理報導)

集成電路與晶片

究竟有什麼區別

集成電路指的是採用特定的製造工藝,把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及元件間的連線,集成製作在一小塊矽基半導體晶片上並封裝在一個腔殼內,成為具有所需功能的微型器件。

晶片則是指內含集成電路的半導體基片(最常用的是矽片),是集成電路的物理載體。

而半導體是一種導電性能介於導體和絕緣體之間的材料,常見的有矽、鍺、砷化鎵等,用於製造晶片。

(綜合)