晶片製造：微觀世界蓋「大樓」

2015年發射的北斗衛星的中央處理器首次使用中國造的「龍芯」。

新華社發

華為海思最新的麒麟晶片。

華為終端公司供圖

5月3日,寒武紀科技公司執行長陳天石介紹新發布的晶片。

新華社發

晶片強則產業強,晶片興則經濟興。

資訊時代,集成電路作為最重要同時也是最基礎的科技技術,不但扮演著現代工業基石,更成為信息科技邁上新台階的關鍵命門。

隨著中國信息產業高速發展,自主研發符合市場與企業需求的晶片已刻不容緩。

那麼,如何才能製造一顆好的晶片,背後又有哪些困難和挑戰?我國和美國一線廠商的晶片還有多少差距?本期科技能見度將為你解密。

●南方日報記者 徐勉

策劃統籌:李江萍

1 能效提升30倍以上

這相當於將一個200台以上的普通計算集群提供的計算能力,壓縮到一個4U(17cm)的計算節點中,而實際能耗只有1.2—1.3KW

中國在追「芯」路上又邁出一大步。

5月3日,中國科學院和寒武紀科技公司在上海發布了全球新一代人工智慧晶片「寒武紀」系列。

這場發布會上,全國首款雲端智能晶片Cambricon MLU100和寒武紀1M終端智能處理器IP產品悄然問世。

這標誌著寒武紀已成為中國第一家、也是世界上少數幾家同時擁有終端和雲端智能處理器產品的公司。

MLU100採用寒武紀最新的MLUv01架構和TSMC 16nm工藝,可工作在平衡模式(1GHz主頻)和高性能模式(1.3GHz主頻)下。

平衡模式下的等效理論峰值速度達128萬億次/每秒定點運算,高性能模式下的等效理論峰值速度更可達每秒166.4萬億次定點運算,而典型板級功耗僅為80瓦,峰值功耗不超過110瓦,已達到世界先進水平。

另外,MLU100雲端晶片可支持各類深度學習和經典機器學習算法,充分滿足視覺、語音、自然語言處理、經典數據挖掘等領域複雜場景下的雲端智能處理需求。

首款雲端智能晶片的性能到底有多強?寒武紀公司創始人陳天石和行業巨頭進行了一次正面交鋒。

在發布會現場,MLU100晶片與英偉達公司的「史上規模最龐大GPU」、由超過210億個電晶體組成的Tesla V100進行PK,在R-CNN算法下進行計算對比。

最終現場數據顯示,MLU100的計算延遲為125ms,Tesla V100的延遲為174ms,結果顯而易見。

「這是非常驚人的計算能力。

」中科曙光公司總裁助理舉例說,這相當於將一個200台以上的普通計算集群提供的計算能力,壓縮到一個4U(17cm)的計算節點中,而實際能耗只有1.2—1.3KW,「能效提升30倍以上」。

2 晶片製造過程之難

僅僅在集成電路製造工藝方面,就需要在區區指甲蓋大小的矽片上蝕刻數十億電晶體,且電晶體的間隔僅僅只有幾十納米

目前,市面上主要的晶片有通訊晶片、計算及控制晶片、儲存器晶片、音頻處理晶片、電源管理晶片、驅動晶片、傳感器晶片和其他電路晶片。

儘管類似於寒武紀的人工智慧晶片已發展到納米級別,可讓數億晶管體集中在一塊僅有數厘米長寬的晶原體上。

但早在60年前,那時的「晶片」結構還非常簡單。

1958年,第一塊集成電路由美國德州儀器(TI)公司的研發成功,工程師Jack Kilby為了解決將大量孤立的電子器件整合成電路的困難,於是構思出集成電路。

他將12個器件焊接在一塊回形針大小的半導體上,形成了最早的集成電路。

在解密如何製造一塊好的晶片之前,我們有必要先來了解集成電路產業的四大分支:集成電路設計、集成電路工藝、集成電路封裝以及測試。

製造晶片的過程,在華南理工大學電子與信息學院的李斌教授看來,有一個形象的描述:在微觀世界蓋一棟房子,要有好圖紙,要打好地基,隨後逐層加蓋。

「集成電路設計就像是畫圖紙,而集成電路製造工藝說起來複雜,但實際上就是在製備各種薄膜層。

」李斌解釋,「通過光刻技術定義膜層的大小,經過三四十道工序,就在晶圓上形成了具有一定功能的集成電路；之後便是經過封裝和測試這兩個步驟,就形成了市面上商用的晶片。

」

看起來,晶片製造的這四個大步驟都緊密聯繫、一以貫之,但實際上,它們每一個分支都是一個專業的領域,任何一處有技術缺失都難以做出一塊好的晶片來。

而一顆高性能晶片,僅僅在集成電路製造工藝方面,就需要在區區指甲蓋大小的矽片上蝕刻數十億電晶體,且電晶體的間隔僅僅只有幾十納米。

這個長度單位細小到什麼程度呢?我們可以用一根頭髮絲作為參照物,換算下來,一根頭髮絲的寬度約為6萬納米。

可以說,頭髮絲的寬度在電晶體這個微觀世界都算得上是一道鴻溝了。

3 時間和金錢成本高

有從業者調侃,做晶片「投入幾十億元可能就聽個響」

然而晶片製造之難,遠不止上面提到的「指甲蓋大小的矽片上蝕刻數十億電晶體」,這一工藝僅僅只是晶片製造幾百道精細化工藝的一種。

「集成電路技術相當於是電子信息技術這座金字塔的塔尖,是多種技術的集合。

」李斌解釋道。

「在指甲蓋大小的晶片放上50億個電晶體後,如何控制、傳導電流都要研究,這設計得多精確、技術得多高超!」

市面上晶片千萬種,技術難點也會因適配的設備不同而不同。

例如與通信相關的高端晶片,需要極其高的穩定性和可靠性。

李斌稱,在極高的工作頻率下,這類晶片面臨的挑戰是半導體材料參數的物理極限與器件間的寄生效應。

比如光模塊晶片,它快速傳輸大量數據,強調速度的同時需要保證低功耗。

「功能實現相對容易,但性能又好又穩定卻很難」。

據業內人士推算,整個集成電路設計鏈條,不算架構設計,只從電路設計開始到投片,最少就需要半年的時間成本,而從投片送到工廠加工生產,一般又要2—3個月。

而單一次投片的費用就需要數十萬元,其中先進工藝的費用甚至高達一千萬到幾千萬。

這裡,我們按下晶片製造前設計耗時長、難度大和成本高等難點不表,光是晶片製作成功後,驗證其是否能按照設計需求準確工作的糾錯過程就是一大難點——在數億個電晶體中查找問題所在,無異於大海撈針,所需要的時間和金錢成本同樣非常高昂。

有從業者甚至調侃道,做晶片「投入幾十億元可能就聽個響」。

「在納米級的微觀世界中,對數億電路檢錯,其難度可想而知。

」李斌感慨集成電路查錯和糾錯就像培養「老中醫」,需要長時間的經驗積累。

因此,如此高的試錯成本和時間成本對一次成功率的要求極高。

「團隊中一個人出錯,3個月後回來的晶片可能就是一塊兒石頭。

修改一輪,又3個月沒有了。

」李斌說。

以近日紫光集團發布的32層三維NADA快閃記憶體晶片為例,就耗資近10億美元、由千人的團隊歷時2年才研發完成。

4 中國晶片業「搶跑」

「2013—2017年我國集成電路產業年複合增值率為21%,約是同期全球增速的5倍左右」

除了工藝製作之難,其實,在晶片製造領域還面臨一道難以跨越的坎。

一位通信行業的業內人士表示,晶片製造本身作為一個流程漫長的產業鏈條,其核心仍在研發的專利上。

類似於美國通、英特爾等公司,已有完整的專利體系。

即使是同樣的產品,再研發就需要「彎道超車」,「同一塊晶片,自主研發就需要用不同的技術把它實現」。

「沒有任何一個國家擁有獨立完整的半導體產業鏈。

」芯謀研究首席分析師顧文軍表示,我國半導體產業起步並不晚,但由於半導體產業鏈自身的特點,設備、材料、研發幾十年來已形成全球製造的格局,以光刻機為例,其內置的鏡頭就涉及幾百個供應商、幾千個產品、幾萬家企業。

儘管前路有重重困難,但在追芯的路上,我國一直在努力,集成電路的發展也一直是我國最重視的科研領域之一。

從1998年出台的《鼓勵軟體產業和集成電路產業發展的若干政策》(下稱《18號文》)到2014年出台的《國家集成電路產業發展推進綱要》,多年來,國內集成電路產業發展突飛猛進,自給率也逐年提高。

如今,華為海思最新的麒麟晶片可以和高通驍龍820一比高下；龍芯積累了十多年,也終於可以和北斗衛星一起上天；而寒武紀最新研發出的雲端智能晶片,則讓中國晶片在人工智慧這一嶄新的領域裡搶跑。

師承「龍芯之父」胡偉武教授的陳天石曾向媒體表示,「3年後,我們要力爭占據中國高性能智能晶片市場30%的份額,力爭全世界有10億台以上的智能終端使用寒武紀的終端處理器技術。

」

而工信部信息司司長刁石京在近日接受採訪時也表示,2013-2017年我國集成電路產業年複合增值率為21%,約是同期全球增速的5倍左右,我國以晶片產業為代表的高新技術行業,正在迅速成長。