小沙粒 如何撬動千億大商機(集成電路科普文)
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作者 吳苡婷
當你沉浸於手機遊戲的愜意時,當你讚嘆電視網絡購物的便利時,當你享受智能導航帶來的駕馭快感時。
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你是否想過,這一切都歸功於「沙粒」出身的「大人物」——集成電路!
很多人對集成電路的「出生史」並不知曉,今天春秋君就來幫您科普下!!在科普過程中,我們還會涉及到好多產業鏈上的高科技成果和高科技企業!
沙粒,沒錯,這就是製造集成電路的原材料。
但是沙粒要想實現華麗變身,首先要脫氧,脫氧後的沙子(尤其是石英)最多包含25%的矽元素,以二氧化矽的形式存在。
這些沙子呢,要被放在高溫爐中煅燒,形成純度98%的粗矽。
粗矽經過提純和熔化,變成了單晶矽,矽純度達到了99.9999%.我們叫它們「成才寶貝」。
這些寶貝被拉成矽棒,常見的尺寸有4英寸、6英寸、8英寸、12英寸。
有點像一根根紅腸,這些矽棒會被切割成一塊塊薄餅,那就是晶圓。
晶圓就是製造晶片的原材料,這些餅乾最終被分為一個個小單元,成為一個個小晶片,一個8英寸的晶圓上可以被切割成2000-3000個晶片。
真實的晶圓這樣的。
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不過,在成為晶片前,晶圓要被清洗,清除矽表面的微粒、金屬和有機污染物。
但是這種清洗可不是一般設備能完成的。
上海一家民營高科技企業就開發了國內首台12英寸45納米半導體單片的清洗設備。
然後是光刻環節,通俗說就是把設計好的晶片電路放到晶圓上,輔助材料是光刻膠。
這是一項高端技術,一般在晶圓旋轉過程中被澆上去,因為這樣可以使得光刻膠在晶圓表面鋪得又薄又平。
(一邊旋轉一邊光刻,是不是很浪漫!)
上海的一些高科技企業已經掌握了光刻機的多項核心技術,使得中國成為了世界上少數掌握高端光刻機的系統設計與系統集成測試技術的國家。
經過刻蝕機的雕琢和離子注入的布線,晶片內的電路鋪設完畢。
可不要小看這個薄薄的小晶片。
它很像未來派的多層高速公路系統,可能含有20多層複雜的電路,比普通的高速公路複雜多了。
在這裡呢,春秋君不得不提下復旦大學數學科學學院蘇仰鋒教授與復旦大學專用集成電路國家重點實驗室曾璇教授領銜的跨學科交叉科研團隊的科技成果,他們率先提出了SOAR數學理論,並且將之應用於微電子產品設計實踐之中,建立了互連線的集成電路模型降階方法SAPOR,幾何倍地有效提高集成電路設計中的運算效率,創造了晶片世界中的中國「加速度」。
這些名詞大家肯定聽得頭暈,不要著急,春秋君繼續科普。
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其實這兩位科學家的工作呢,首先是測算每一條「道路」的「車流量」和「通行速度」,並根據這些一手數據計算整合數學模型,接下來是設計模擬軟體,全方位檢測晶片性能,可以找到容易發生「擁堵」的地方,進行設計優化。
今天,「中國加速度」已經廣泛應用於國內外電子電路設計之中,得到微電子領域的高度評價,並已成功成功應用於我國最大的EDA軟體公司華大九天的集成電路設計自動化工具、百萬門級數位電視高端晶片和國防可編程邏輯器件及其軟體系統。
我們再繼續。
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晶圓鋪設線路完成後,開始測試,參考電路圖案和晶圓內每一個晶片進行對比。
然後就晶圓就被切割成幾千個晶片。
最後是封裝,把襯底、切割下的晶片,還有散熱片堆疊在一起封裝。
集成電路產品涵蓋了PC、通信、網絡、數字消費類產品、數位電視、信息安全及汽車電子等眾多領域,影響著我們生活中的方方面面。
集成電路的產業優勢在不斷顯現,據中國半導體行業協會統計,2014年,我國集成電路產業銷售收入達3015.4億元,同比增長20.2%。
上海已建成了全國規模最大、產業最為集中、技術水平相對最高的產業基地,初步形成了以「一帶二區」(浦東微電子產業帶,張江高科技園區和漕河涇新興技術開發區)為主的集成電路產業集聚格局和包括設計、製造、封裝測試和設備材料的集成電路產業鏈。
從沙粒到晶片的故事我們講完了,其中的每一個過程都有很多科技成果的應用,也有很多高科技企業的參與。
這是一個巨大的產業鏈條,不斷地為社會創造財富。
集成電路產業已經成為網際網路、大數據、人工智慧、醫療器械、先進位造業等眾多發展的基礎,被稱為工業糧食。
而各種產業之間的結合、互動、提升正在源源不斷地給我們的生活帶來各種驚喜。
科壇春秋(2015上海十大科普微信公眾號)
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