芯(xin)片,以儲量最豐(feng)富成本最廉(lian)價的(de)二氧(yang)化(hua)硅為原料,成就(jiu)了這個星球的(de)科技之巔,頒一枚(mei)最佳(jia)逆襲獎,實至名歸!
芯片原理和量子力學
很多文盲覺得量子力學只是物理學家的數學游戲,沒有應用價值,呵呵,下面咱給計算機芯片尋個祖宗,請看示范:
導(dao)體(ti),咱(zan)能理(li)(li)解;絕緣體(ti),咱(zan)也能理(li)(li)解;小(xiao)盆友們第(di)一次被物理(li)(li)整懵的,怕是半導(dao)體(ti)了,所以先替(ti)各位的物理(li)(li)老師把(ba)這債還上。
原子(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)成固體時,會有很多電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)混到一(yi)起(qi),但量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學認為,2個(ge)(ge)相同電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)沒法待在(zai)(zai)(zai)一(yi)個(ge)(ge)軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)上,于是,為了讓這些電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)不在(zai)(zai)(zai)一(yi)個(ge)(ge)軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)上打架,很多軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)就分裂成了好幾個(ge)(ge)軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao),這么多軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)擠在(zai)(zai)(zai)一(yi)起(qi),不小心挨得(de)近了,就變成了寬寬的大軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)。在(zai)(zai)(zai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)力(li)學里,這種細軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)叫(jiao)(jiao)能級,擠在(zai)(zai)(zai)一(yi)起(qi)變成的寬軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)(dao)就叫(jiao)(jiao)能帶。
有些寬(kuan)軌(gui)道擠(ji)滿了電(dian)(dian)子(zi)(zi),電(dian)(dian)子(zi)(zi)就沒法移動(dong)(dong)(dong),有些寬(kuan)軌(gui)道空曠(kuang)的很,電(dian)(dian)子(zi)(zi)就可自由移動(dong)(dong)(dong)。電(dian)(dian)子(zi)(zi)能移動(dong)(dong)(dong),宏觀上表現為(wei)導電(dian)(dian),反(fan)過來,電(dian)(dian)子(zi)(zi)動(dong)(dong)(dong)不(bu)了就不(bu)能導電(dian)(dian)。
好了,我們把事情(qing)說(shuo)得簡單一點,不提“價帶、滿帶、禁(jin)帶、導帶”的(de)概念,準備圈重點!
有(you)(you)些滿(man)軌道(dao)(dao)和空(kong)軌道(dao)(dao)挨(ai)的太近,電子可以毫不費力從滿(man)軌道(dao)(dao)跑到(dao)空(kong)軌道(dao)(dao)上(shang),于是就(jiu)(jiu)能自由移(yi)動,這(zhe)就(jiu)(jiu)是導體。不過一價金屬的導電原理(li)稍(shao)有(you)(you)不同,它的滿(man)軌道(dao)(dao)原本就(jiu)(jiu)不太滿(man),所以電子不用跑到(dao)空(kong)軌道(dao)(dao)也能移(yi)動。
但很多(duo)時(shi)(shi)候兩條寬(kuan)軌道之(zhi)間是有空隙的(de),電(dian)子單靠自己(ji)是跨不過(guo)去的(de),表現為不導(dao)電(dian)。但如果空隙的(de)寬(kuan)度(du)在(zai)5ev之(zhi)內,給電(dian)子加(jia)個額外(wai)能(neng)量,也(ye)能(neng)跨到空軌道上(shang),跨過(guo)去就能(neng)自由(you)移(yi)動,表現為導(dao)電(dian)。這種空隙寬(kuan)度(du)不超過(guo)5ev的(de)固體,有時(shi)(shi)導(dao)電(dian)、有時(shi)(shi)不導(dao)電(dian),所(suo)以(yi)叫半導(dao)體。
如(ru)(ru)果空隙超過5ev,那基(ji)本(ben)就得歇菜,正常(chang)情(qing)況下電子是跨不過去(qu)的(de),這就是絕緣體。當然,如(ru)(ru)果是能量(liang)足夠大(da)的(de)話(hua),別說5ev的(de)空隙,50ev都(dou)照樣跑(pao)過去(qu),比如(ru)(ru)高(gao)壓電擊(ji)穿空氣。
到這,由量(liang)子力學發展出的能帶理論(lun)就差不(bu)多成型了(le),能帶理論(lun)系統地解釋了(le)導(dao)(dao)體、絕緣體和半(ban)導(dao)(dao)體的本質區別,即,取決(jue)于(yu)滿軌道(dao)和空(kong)軌道(dao)之間的間隙。學術點(dian)說,取決(jue)于(yu)價帶和導(dao)(dao)帶之間的禁(jin)帶寬度。
這(zhe)里有個(ge)問題(ti),一旦細軌道變少(shao)了,能(neng)不能(neng)擠成寬軌道就不好說了,所以(yi)能(neng)帶理論本質上(shang)是一個(ge)近似理論,不適用(yong)于少(shao)量(liang)原子組成的固體。(圖1)
圖1
半導體離芯片原理(li)還很遙遠,別(bie)急。
很明顯,像導體(ti)(ti)這種(zhong)直男沒啥可折騰(teng)的,所以導線到(dao)了今天仍然是銅線,絕緣體(ti)(ti)的命運也差(cha)不多。
半導體(ti)這種(zhong)曖曖昧昧的(de)性格最容(rong)易搞事情,所以與(yu)電子設備相關的(de)產(chan)業基本都屬于半導體(ti)產(chan)業,如(ru)芯(xin)片(pian)、雷達。(圖2)
圖2
下面有點燒腦細胞。
經(jing)過(guo)計算篩選(xuan),科學家(jia)用硅(gui)作為半導體的(de)基(ji)礎材料。硅(gui)的(de)外層(ceng)有(you)4個電子(zi)(zi),假設(she)某(mou)個固體由100個硅(gui)原子(zi)(zi)組成,那么(me)它(ta)的(de)滿(man)(man)(man)軌道就(jiu)擠(ji)滿(man)(man)(man)了(le)400個電子(zi)(zi)。這時,用10個硼原子(zi)(zi)取(qu)代(dai)其中10個硅(gui)原子(zi)(zi),硼這類三價元素外層(ceng)只有(you)3個電子(zi)(zi),所以(yi)這塊固體的(de)滿(man)(man)(man)軌道就(jiu)有(you)了(le)10個空位。這就(jiu)相當于在擠(ji)滿(man)(man)(man)人的(de)公交車上騰出了(le)幾個空位子(zi)(zi),為電子(zi)(zi)的(de)移動提供(gong)了(le)條件。這叫P型半導體。
同理(li),如果(guo)用10個(ge)(ge)磷原子取代10個(ge)(ge)硅原子,磷這類五價元(yuan)素外(wai)層有5個(ge)(ge)電子,因此滿軌道上(shang)反而又多出了(le)10個(ge)(ge)電子。相當于(yu)擠滿人(ren)的公交車(che)外(wai)面又掛了(le)10個(ge)(ge)人(ren),這些人(ren)非常容易脫離公交車(che),這叫N型半導體。
現(xian)在把PN這(zhe)兩種(zhong)半導(dao)體面對面放一起(qi)會咋樣?不用(yong)想也知道,N型那些額外的(de)電(dian)子(zi)必然是跑(pao)到P型那些空位上去了,一直(zhi)到電(dian)場平衡(heng)為止(zhi),這(zhe)就是大名鼎鼎的(de)“PN結(jie)”。但(dan)是PN結(jie)具有(you)單(dan)向(xiang)(xiang)導(dao)電(dian)性,即,電(dian)流(liu)只能(neng)從這(zhe)一頭(tou)流(liu)向(xiang)(xiang)另(ling)一頭(tou),無法(fa)從另(ling)一頭(tou)流(liu)向(xiang)(xiang)這(zhe)一頭(tou)。
好了,我們(men)現在已(yi)經有了單向導電的PN結,然后(hou)呢(ni)?把PN結兩端接上(shang)導線,就(jiu)是二極管(guan)。(圖3)
圖3
有了二極(ji)管,隨手搭個電路(圖4):
圖4
三角形(xing)代表二極管,箭頭方向(xiang)表示電(dian)(dian)流可通過(guo)的方向(xiang),AB是(shi)(shi)輸入(ru)端(duan),F是(shi)(shi)輸出端(duan)。如(ru)果A不(bu)加(jia)電(dian)(dian)壓(ya)(ya),電(dian)(dian)流就(jiu)會順著A那條(tiao)線(xian)流出,F端(duan)就(jiu)沒(mei)了電(dian)(dian)壓(ya)(ya);如(ru)果AB同(tong)時加(jia)電(dian)(dian)壓(ya)(ya),電(dian)(dian)流就(jiu)會被堵(du)在(zai)二極管的另一頭,F端(duan)也就(jiu)有(you)了電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。假設(she)把有(you)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)看(kan)作1,沒(mei)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)看(kan)作0,那么只有(you)從AB端(duan)同(tong)時輸入(ru)1,F端(duan)才會輸出1,這就(jiu)是(shi)(shi)“與門電(dian)(dian)路(lu)”。
同(tong)理,把電(dian)路(lu)改成這(zhe)樣,那么只要AB有一個輸(shu)入1,F端就會輸(shu)出(chu)1,這(zhe)叫“或門電(dian)路(lu)”。(圖5)
圖5
現在(zai)有了(le)這些基本的(de)邏輯(ji)門(men)電路,離芯片就不(bu)遠了(le)。你可以設計(ji)出一(yi)(yi)(yi)種電路,它的(de)功能(neng)是(shi),把(ba)一(yi)(yi)(yi)串(chuan)1和(he)0,變成另一(yi)(yi)(yi)串(chuan)1和(he)0。
一不小心(xin),我們就得到了(le)芯片運算的(de)本質:把一串(chuan)(chuan)1,0,變成另一串(chuan)(chuan)1,0。
簡(jian)單舉(ju)個例子,在左邊輸入1010,在右邊輸出0101,這就算(suan)完成(cheng)了一次運算(suan)。(圖(tu)6)
圖6
我們(men)來玩個稍微復(fu)雜一點的局(ju):
左邊有(you)8個(ge)(ge)輸入(ru)端,右邊有(you)7個(ge)(ge)輸出端,每(mei)個(ge)(ge)輸出端對(dui)(dui)應一(yi)(yi)個(ge)(ge)發光(guang)管,7個(ge)(ge)發光(guang)管組成一(yi)(yi)個(ge)(ge)數字(zi)顯示器。從左邊輸入(ru)一(yi)(yi)串(chuan)信號:00000101,經過(guo)中間(jian)一(yi)(yi)堆的(de)(de)電路(lu),使得右邊輸出另一(yi)(yi)串(chuan)信號:1011011。1代(dai)表有(you)電壓(ya),有(you)電壓(ya)就可以點亮對(dui)(dui)應的(de)(de)發光(guang)管,于是,就得到了一(yi)(yi)個(ge)(ge)數字(zi)“5”。(圖7)
圖7
終于,我們已經搞定了數字是如何顯示的!如果你想進行1+1的加法運算,其電路的復雜程度就已經超過了99%的人的智商了,即便本僧親自出手,設計的電路運算能力也抵不過一副算盤。
直到有一天,有人用18000只電子管,6000個開關,7000只電阻,10000只電容,50萬條線組成了一個超級復雜的電路,誕生了人類第一臺計算機,重達30噸,運算能力5000次/秒,還不及現在手持計算器的十分之一。不知道當時的工程師為了安裝這堆電路,腦子抽筋了多少回。(圖8)
圖8
接下來的思路就簡單了,如何把這30噸東西,集成到指甲那么大的地方上呢?這就是芯片。
芯片制造與中國技術
為了把30噸的運算電(dian)路(lu)(lu)縮小(xiao),工程師們把能扔東(dong)西全扔了,直(zhi)接在硅(gui)片(pian)上(shang)制作PN結(jie)和電(dian)路(lu)(lu)。下(xia)面從硅(gui)片(pian)出發,說說芯片(pian)的逆襲之(zhi)路(lu)(lu)。
第一:硅
把這玩意兒氯化了(le)再(zai)蒸餾,可(ke)以得到純度很高的硅(gui)(gui)(gui),不(bu)過這種(zhong)硅(gui)(gui)(gui)原子排列(lie)混亂,會影響電子運動,就叫多晶(jing)硅(gui)(gui)(gui)吧。(圖9)
圖9
把多(duo)晶硅熔化了,按特定方法旋(xuan)轉(zhuan)提拉(la),就可(ke)以拉(la)制(zhi)成原(yuan)子(zi)排列整(zheng)齊(qi)的單晶硅。(圖(tu)10)
圖10
所以成品就(jiu)長這樣:(圖11)
圖11
硅的主要評判(pan)指標(biao)是(shi)純(chun)度,你想想,如(ru)果硅原子(zi)之間(jian)有一堆雜質,那電子(zi)就別想在滿軌道(dao)和空(kong)軌道(dao)之間(jian)跑順暢。
無論啥東西,純(chun)度越(yue)(yue)高制造(zao)難度越(yue)(yue)大(da)。用于太陽能發電(dian)的(de)(de)高純(chun)硅(gui)要(yao)求99.9999%,這(zhe)玩意兒全世界超過一半是(shi)(shi)中國(guo)產(chan)的(de)(de),早被玩成了(le)白菜價。芯片用的(de)(de)電(dian)子級(ji)高純(chun)硅(gui)要(yao)求99.999999999%(別數了(le),11個(ge)9),幾乎全賴進口,直到2018年江(jiang)蘇的(de)(de)鑫華(hua)公司才(cai)實現量產(chan),只是(shi)(shi)目前產(chan)量少的(de)(de)可憐,還(huan)不及(ji)進口的(de)(de)一個(ge)零頭(tou)。難得的(de)(de)是(shi)(shi),鑫華(hua)的(de)(de)高純(chun)硅(gui)出口到了(le)半導體強(qiang)國(guo)韓國(guo),品質應該(gai)不錯(cuo)。不過,30%的(de)(de)制造(zao)設(she)備還(huan)得進口……
電(dian)子(zi)級(ji)高純硅的傳統霸主依然是德(de)國Wacker和美國Hemlock(美日合(he)資),中國任重(zhong)而道遠。
第二:晶圓
把單晶硅(gui)圓柱(zhu)切(qie)片,就得到了圓形(xing)的硅(gui)片,因此就叫“晶圓”。(圖(tu)12)這詞是不是已經有點耳(er)熟了?
圖12
切好之后(hou),就要(yao)在晶圓上(shang)把成千(qian)上(shang)萬的電路裝起來的,干這活的就叫“晶圓廠”。各位(wei)拍腦袋想(xiang)想(xiang),以目前(qian)人類的技術,怎樣才能完成這種操作?
用(yong)原子(zi)操縱術?想多了,朋(peng)友!等你練成御劍(jian)飛行(xing)的(de)時候,人類還不見得能操縱一個一個原子(zi)組(zu)成各種器件(jian)。
晶(jing)(jing)圓加工(gong)的過程相當繁瑣,咱(zan)說個(ge)大(da)概輪廓,謝(xie)絕專(zhuan)業人(ren)士(shi)挑(tiao)刺(ci)。首先在晶(jing)(jing)圓上(shang)涂一層感光(guang)材料(liao)(liao),這(zhe)(zhe)材料(liao)(liao)見光(guang)就(jiu)(jiu)融化(hua),那光(guang)從哪里來?光(guang)刻機,可以用(yong)非常精(jing)細的光(guang)線,在感光(guang)材料(liao)(liao)上(shang)刻出圖案(an),讓底下的晶(jing)(jing)圓裸露出來。然后(hou),用(yong)等離子(zi)體(ti)這(zhe)(zhe)類東(dong)西沖刷,裸露的晶(jing)(jing)圓就(jiu)(jiu)會被刻出很多溝槽,這(zhe)(zhe)套設備就(jiu)(jiu)叫刻蝕機。再用(yong)離子(zi)注入(ru)機在溝槽里摻入(ru)磷元(yuan)素,加熱退火處理,就(jiu)(jiu)得到了一堆N型半導體(ti)。
完成之后,清洗干凈(jing),重(zhong)新涂上(shang)感光材(cai)料,用(yong)光刻(ke)機刻(ke)圖(tu),用(yong)刻(ke)蝕機刻(ke)溝(gou)槽,用(yong)離(li)子注入機撒(sa)上(shang)硼,就有了(le)P型半(ban)導(dao)體。整個過程有點(dian)(dian)像3D打印(yin),把器(qi)件一(yi)點(dian)(dian)點(dian)(dian)一(yi)層層裝進(jin)去。(圖(tu)13)
圖13
這塊(kuai)晶圓上(shang)的小(xiao)方塊(kuai)就是芯片(pian),一塊(kuai)晶圓可以做多個芯片(pian)。芯片(pian)放大了看就是成(cheng)堆成(cheng)堆的電路(lu)(lu)(lu),這些電路(lu)(lu)(lu)并不比那臺30噸計算機的電路(lu)(lu)(lu)高明,最底層(ceng)都(dou)是簡單(dan)的門電路(lu)(lu)(lu)。只是采用(yong)了更多的器(qi)件(jian),組成(cheng)了更龐大的電路(lu)(lu)(lu),運算性能(neng)自然就提高了。
這(zhe)是一個與(yu)非門電(dian)路:(圖(tu)14)
圖14
提個問(wen)題:為啥(sha)不把芯片做的更大一點呢(ni)?這樣不就可以安裝更多電路了嗎(ma)?性能不就趕上外國了嘛(ma)?
這(zhe)個(ge)問(wen)題很有意思。一塊(kuai)300mm直徑的(de)晶圓(yuan),16nm工藝(yi)可(ke)以(yi)做(zuo)出100塊(kuai)芯片,10nm工藝(yi)可(ke)以(yi)做(zuo)出210塊(kuai)芯片,于(yu)是(shi)價格就(jiu)便(bian)宜了(le)一半,在市場上就(jiu)能(neng)死死摁住競爭對手,賺(zhuan)了(le)錢(qian)又可(ke)以(yi)做(zuo)更多研發,差距就(jiu)這(zhe)么拉開了(le)。
說(shuo)個(ge)題(ti)外話,中國軍用(yong)芯(xin)片基本實現(xian)了自給自足,而(er)且性能杠杠的(de)(de)(de),因為軍用(yong)不(bu)計較錢(qian)嘛!可(ke)以把芯(xin)片做的(de)(de)(de)大大的(de)(de)(de)。另外,越大的(de)(de)(de)硅片遇到雜質的(de)(de)(de)概率(lv)越大,所(suo)以芯(xin)片越大良(liang)品率(lv)越低(di)。總的(de)(de)(de)來說(shuo),大芯(xin)片的(de)(de)(de)成本遠遠高于(yu)小芯(xin)片,不(bu)過對軍方(fang)來說(shuo),這(zhe)都不(bu)叫事兒。
除了(le)成本之外,大芯(xin)片的布(bu)線比小芯(xin)片更長,所以延(yan)時也更明顯(xian),驅動電(dian)流也大很多,由此導致整體設計更臃腫,性能上(shang)還是會吃虧。反(fan)正(zheng),小芯(xin)片就是比大芯(xin)片好用。
第三:架構
用70億個晶體管在指甲(jia)蓋大小的地(di)方組成(cheng)電路,想(xiang)想(xiang)就頭皮發麻!一個路口(kou)紅綠(lv)燈設置不(bu)合理,就可能導(dao)致(zhi)大片(pian)(pian)堵車。電子在芯(xin)片(pian)(pian)上跑來跑去,稍微有個PN結出問題,電子同樣會堵車。所以芯(xin)片(pian)(pian)的設計異(yi)常重(zhong)要,重(zhong)要到了和材料(liao)技術相提并(bing)論的地(di)步。
這(zhe)么復雜(za)的設計,必須得先有個(ge)章(zhang)法。七十年代(dai),英(ying)特(te)爾(er)率先想(xiang)出了(le)(le)一個(ge)好辦法:X86架(jia)構(gou)。詳細(xi)內容(rong)不提(ti)了(le)(le),簡單來(lai)說,這(zhe)架(jia)構(gou)雖然能耗(hao)高點、體積大點,但性能那是(shi)嗖嗖的,幾乎壟斷了(le)(le)電腦芯片市場,成就了(le)(le)如日中(zhong)天的英(ying)特(te)爾(er)。
這相(xiang)當于(yu),英(ying)特爾提出(chu)造(zao)(zao)汽(qi)(qi)車用4個輪子(zi),以(yi)后(hou)其他人想造(zao)(zao)4個輪子(zi)的汽(qi)(qi)車,就得先付授權費。這尼瑪怎(zen)么忍(ren),隨后(hou)英(ying)國ARM公司(si)提出(chu)了(le)2個輪子(zi)的汽(qi)(qi)車方案:ARM架構。
毫無(wu)疑(yi)問,2個輪子肯定(ding)跑不(bu)過4個輪子,ARM架構(gou)雖然省(sheng)電小(xiao)巧(qiao),但性能(neng)實在(zai)有點寒磣,于(yu)是(shi)一(yi)直被英特爾(er)摁著打。ARM熬到了九(jiu)十年(nian)代,終于(yu)熬不(bu)住(zhu)了,決定(ding)不(bu)再生產芯片,而是(shi)將ARM架構(gou)授(shou)權(quan)給其他公司(si)生產,賺點授(shou)權(quan)費,這才保住(zhu)了一(yi)條命。
人算不如天算,進入(ru)21世(shi)紀(ji),智能手機(ji)橫空(kong)出世(shi),芯片的能耗(hao)和體積一(yi)下成了關(guan)注點,于是ARM架構一(yi)飛(fei)中天,幾乎(hu)壟斷了手機(ji)芯片。(圖15)
圖15
圖15
小結一下:
X86架構,能(neng)耗高、體積(ji)大、性(xing)能(neng)強。
ARM架(jia)構(gou),能(neng)耗低、體(ti)積(ji)小(xiao)、性能(neng)弱。
于是,一(yi)個(ge)占了(le)電腦(nao),一(yi)個(ge)占了(le)手機,直到(dao)今天,仍是主(zhu)流設計方案。至于其他(ta)3個(ge)輪(lun)子或5個(ge)輪(lun)子的汽車(che),多(duo)多(duo)少(shao)少(shao)還是有些劣勢,沒有形成主(zhu)流。
最(zui)近有(you)新聞說,中國(guo)和ARM要成立中方(fang)控股的合(he)資公(gong)司(si),ARM欲(yu)借此重回芯片制造(zao)商(shang)的角色。(圖(tu)16)
圖16
決定(ding)汽車用幾個(ge)輪子(zi),距(ju)離(li)造出汽車還差得很遠(yuan)。有了基本架構,后(hou)面(mian)的(de)設計依然(ran)是漫漫長征路,所以(yi)還得要(yao)有好工具:EDA軟件。
Synopsys,Cadence,Mentor,三(san)巨頭(tou)幾乎壟斷(duan)了(le)全球EDA市(shi)場,一(yi)水兒的美帝公司。直(zhi)到最(zui)近,熬(ao)了(le)三(san)十年的華(hua)大九(jiu)天終于露頭(tou),這家中(zhong)國電子(zi)信息產業集團的二(er)級公司,連續多年以50%年增(zeng)長率狂追,算是站穩了(le)腳跟(gen)。(圖17)
圖17
雖然借(jie)助(zhu)EDA軟件的(de)仿真(zhen)功能可以(yi)判斷電路(lu)設計(ji)是否靠(kao)(kao)譜(pu),但要真(zhen)正驗證(zheng)這種精巧線(xian)路(lu)的(de)靠(kao)(kao)譜(pu)程度,只有一種辦法,那就是:用!廣泛的(de)用!長(chang)久的(de)用!正因為(wei)如(ru)此(ci),芯片設計(ji)不光要燒錢,也需要燒時(shi)間,屬(shu)于試錯周期較長(chang)的(de)核心(xin)技術。
既然是核心技術,自然就會發(fa)展出獨立的公(gong)司(si),所以芯片公(gong)司(si)有三類:既設計又制(zhi)(zhi)造、只設計不制(zhi)(zhi)造、只制(zhi)(zhi)造不設計。
第四:設計制造
但(dan)凡要處理信息,基本(ben)都有(you)芯(xin)(xin)片,包括通信芯(xin)(xin)片、服務(wu)器芯(xin)(xin)片、手機芯(xin)(xin)片、電(dian)腦芯(xin)(xin)片等等。早期的(de)芯(xin)(xin)片復雜程度不算(suan)夸張,所以設計制造可以在同一(yi)家公司(si)完成,最有(you)名的(de):美國(guo)(guo)英(ying)特爾、韓國(guo)(guo)三(san)星(xing)、日本(ben)東芝、意(yi)大(da)利法國(guo)(guo)的(de)意(yi)法半(ban)導體;中國(guo)(guo)大(da)陸的(de)華潤(run)微電(dian)子、士蘭微;中國(guo)(guo)臺灣的(de)旺宏電(dian)子等。
外(wai)國(guo)、臺灣、大陸(lu)(lu)三方,大陸(lu)(lu)的起點(dian)最低,早期的產品多集中在家電遙(yao)控(kong)器之類的低端領(ling)域(yu),手機(ji)、電腦這些高(gao)端芯(xin)片幾乎空白(bai)!(圖18)
圖18
后來(lai)隨著芯片越來(lai)越復雜,設(she)(she)計與制造就分開(kai)了,有些公司(si)只(zhi)設(she)(she)計,成(cheng)了純(chun)粹的芯片設(she)(she)計公司(si)。如,美國的高通、博通、AMD,中國臺灣的聯發科,大陸的華為海思(si)、展(zhan)訊等。
大名鼎(ding)鼎(ding)的高(gao)通就(jiu)不多說了(le),世界(jie)上一半手機裝的是(shi)(shi)高(gao)通芯(xin)片,AMD和(he)英特爾基本把電腦芯(xin)片包場(chang)了(le)。電腦和(he)手機是(shi)(shi)芯(xin)片市場(chang)的兩塊大蛋(dan)糕,全是(shi)(shi)美國公司,世界(jie)霸主真不是(shi)(shi)吹的。
臺(tai)灣(wan)聯發(fa)科走的中低(di)端(duan)路線,手機芯片的市(shi)場(chang)份額一度排第三(san),很多國產手機都用,比如小米、OPPO、魅族。不過后來被高通干的有點慘,銷量(liang)連連下跌。
華(hua)為海思是最爭氣(qi)的(de)(de)(de),手機(ji)(ji)處(chu)理器芯(xin)片(pian)麒麟(lin),市場份額隨著華(hua)為手機(ji)(ji)的(de)(de)(de)增長排進了(le)前五。個人切身體會,海思芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)進步真的(de)(de)(de)相當不錯(cuo)。最近華(hua)為又推(tui)出了(le)服務(wu)器芯(xin)片(pian)鯤鵬920,5G基站芯(xin)片(pian)天罡(gang),5G基帶(dai)芯(xin)片(pian)巴龍5000,性能都(dou)是世界頂級(ji)的(de)(de)(de),隱隱看到在芯(xin)片(pian)設(she)計領域(yu)崛起的(de)(de)(de)勢頭。
展訊是(shi)清華大學的(de)校(xiao)辦(ban)企業,比較早的(de)大陸芯片(pian)企業。前段時間傳出了(le)不(bu)少危機(ji),后來又說是(shi)變革(ge)的(de)開始,過的(de)很不(bu)容易,和世界巨頭相差(cha)甚多。
大(da)陸還有一批芯(xin)片設計企業,晨星(xing)半導體、聯(lian)詠科技、瑞昱半導體等,都(dou)是臺(tai)灣老大(da)哥的(de)子公(gong)司,產品應用于電(dian)(dian)視、便(bian)攜(xie)式電(dian)(dian)子產品等領域(yu),還挺滋(zi)潤。
在(zai)大(da)陸(lu)的芯片設計公司,臺(tai)灣(wan)頂住(zhu)了(le)小半邊天,另大(da)半邊天原本是塌著的,現在(zai)華為算是撐住(zhu)了(le)。(圖19)
圖19
還有一類只(zhi)制(zhi)造、不設(she)計的(de)晶(jing)圓(yuan)代工廠,這必(bi)須得先說臺(tai)灣最大的(de)企業(ye)(ye):臺(tai)積(ji)電。正是(shi)臺(tai)積(ji)電的(de)出現,才把(ba)芯片的(de)設(she)計和制(zhi)造分(fen)開了。2017年臺(tai)積(ji)電包(bao)下了全(quan)世界晶(jing)圓(yuan)代工業(ye)(ye)務的(de)56%,規模和技術(shu)均列全(quan)球第一,市值甚至超(chao)過了英特爾,成為全(quan)球第一半導體企業(ye)(ye)。
沒錯(cuo),晶圓代(dai)工廠又是(shi)臺灣老(lao)大(da)哥的天(tian)下(xia),除(chu)了臺積電這(zhe)個(ge)巨無霸,臺灣還(huan)有聯華(hua)電子、力晶半導(dao)體等等,連美國韓國都得靠(kao)邊站。
大(da)陸(lu)(lu)最大(da)的(de)代工(gong)廠(chang)(chang)是中(zhong)芯(xin)國(guo)際,還有(you)上(shang)海華(hua)力(li)微電子也還不(bu)錯,但技術和規模都遠(yuan)不(bu)及臺(tai)灣(wan)。最近臺(tai)積電開始布局大(da)陸(lu)(lu),落(luo)戶南京,這幾年臺(tai)資、外企瘋狂在大(da)陸(lu)(lu)建晶圓代工(gong)廠(chang)(chang),這架勢和當(dang)年合資汽車有(you)的(de)一拼。(圖20)
圖20
大陸(lu)中芯國際的(de)14nm生產線剛剛上路,還在尚需努力的(de)階(jie)段。大家還是更(geng)愿意把這(zhe)活交給臺積電,臺積電幾乎拿下了全球(qiu)70%的(de)28nm以下代工業(ye)務。
美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力,最近臺積電上線了7nm工藝,穩穩壓過三星,首批客戶就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了,華為設計芯片,臺積電制造芯片。悄(qiao)悄(qiao)說,三星和臺積電的(de)大股(gu)東都是美(mei)帝財閥,不然人家(jia)怎么(me)能叫美(mei)帝呢?
說真的,如果大陸能(neng)整合臺(tai)灣的半導體產業,并(bing)利用靈活的政策和(he)龐大的市(shi)場促進其進一步升級(ji),中國追趕外國的步伐至少輕松一半。現在嘛,中國任重而道遠吶!(圖21)
圖21
第五:核心設備
芯片良品(pin)率取決(jue)(jue)于晶圓廠(chang)整體(ti)水平,但加工精度完全取決(jue)(jue)于核(he)心設備(bei),就是前面提到的“光刻機”。
光(guang)刻機,荷蘭阿斯(si)麥公司(ASML)橫掃天下!不好意(yi)思(si),產量還(huan)不高,你們慢慢等著吧!無(wu)論(lun)是臺積(ji)電、三星,還(huan)是英特爾(er),誰先買到阿斯(si)麥的光(guang)刻機,誰就(jiu)能(neng)率(lv)先具備(bei)7nm工藝(yi)。沒辦法,就(jiu)是這么強大!(圖22)
圖22
日本的(de)尼康和佳(jia)能也做光刻機,但技術遠不如阿斯麥,這幾年被(bei)阿斯麥打得找(zhao)不到北,只(zhi)能在低(di)端市(shi)場搶(qiang)份(fen)額。
阿(a)斯麥是全球唯一的高端光刻機(ji)生產商,每臺(tai)(tai)售價至少1億美金,2017年(nian)只生產了12臺(tai)(tai),2018年(nian)24臺(tai)(tai),這些都(dou)已經被臺(tai)(tai)積電三(san)星英特(te)爾搶(qiang)完了,2019年(nian)預(yu)測有40臺(tai)(tai),其中一臺(tai)(tai)是給(gei)咱們的中芯國際,不過最近聽說莫(mo)名(ming)其妙被燒了,得延期交貨。
既然這么重要,咱不能多出(chu)點(dian)錢嗎?
第一:英特爾(er)有(you)阿斯(si)麥15%的(de)股份(fen),臺積電有(you)5%,三星有(you)3%,有(you)些時候吧(ba),錢不(bu)是萬能(neng)的(de)。第二,美(mei)帝整了個《瓦森納協定》,敏感技術(shu)不(bu)能(neng)賣(mai),中(zhong)國(guo)、朝鮮、伊朗(lang)、利比亞均是被限制國(guo)家(jia)。
有意(yi)思的是,2009年上(shang)海微電子(zi)的90納米光刻機研制成(cheng)功(核心部件進口),2010年美帝允許90nm以上(shang)設(she)備(bei)銷(xiao)售(shou)給中國,后來(lai)(lai)中國開始攻(gong)關65nm光刻機,2015年美帝允許65nm以上(shang)設(she)備(bei)銷(xiao)售(shou)給中國,再(zai)后來(lai)(lai)美帝開始管(guan)不住小弟了,中芯國際(ji)才有機會去撿漏一臺高端機。
不過咱也不用氣餒,咱隨便一家房地產(chan)公司,銷售(shou)額輕松秒殺阿(a)斯麥,哦耶!(圖23)
圖23
2018年底有消息讓人(ren)驚(jing)出一身冷(leng)汗,最(zui)早中(zhong)科院(yuan)只是淡淡說了句(ju)光刻(ke)(ke)項目通過(guo)驗收,然后鋪天蓋(gai)地的“中(zhong)國光刻(ke)(ke)機(ji)終于(yu)翻身農(nong)奴把歌唱”,鬧到最(zui)后連人(ren)民日報都(dou)坐不住了,直接批(pi)“國產光刻(ke)(ke)機(ji)自(zi)嗨文(wen)”誤導公眾,損壞中(zhong)國科研形(xing)象。引(yin)一句(ju)原文(wen):“這臺光刻(ke)(ke)機(ji)想應用于(yu)芯片,還(huan)要攻克一系列技術難題,距離還(huan)相(xiang)當遙遠。”
相(xiang)比于光刻(ke)機(ji),中(zhong)國的(de)刻(ke)蝕(shi)機(ji)要好很多(duo),16nm刻(ke)蝕(shi)機(ji)已經(jing)量產運(yun)行,7-10nm刻(ke)蝕(shi)機(ji)也(ye)在(zai)路(lu)上了(le),所以美帝很貼(tie)心(xin)的(de)解除了(le)對中(zhong)國刻(ke)蝕(shi)機(ji)的(de)封鎖。
不過離子注入機(ji)(ji)又寒(han)磣了,2017年(nian)8月終(zhong)于有了第一臺國產商用機(ji)(ji),水平(ping)先不提了,離子注入機(ji)(ji)70%的(de)市(shi)場(chang)份額是美國應用材料(liao)(liao)公(gong)司的(de)。涂感光材料(liao)(liao)得用“涂膠顯影機(ji)(ji)”,日本(ben)東京電子公(gong)司拿走了90%的(de)市(shi)場(chang)份額。即便是光刻(ke)膠這(zhe)些輔(fu)助材料(liao)(liao),也幾乎被日本(ben)信越、美國陶氏等壟斷。(圖24)
圖24
2015年(nian)(nian)至2020年(nian)(nian),國內半導體產業計劃投(tou)(tou)資650億(yi)美(mei)(mei)(mei)元(yuan),其(qi)中(zhong)(zhong)設備投(tou)(tou)資500 億(yi)美(mei)(mei)(mei)元(yuan),再其(qi)中(zhong)(zhong)480億(yi)美(mei)(mei)(mei)元(yuan)用于購買進(jin)口(kou)設備。算(suan)下來,這幾年(nian)(nian)中(zhong)(zhong)國年(nian)(nian)均投(tou)(tou)入(ru)130億(yi),而英特爾(er)一家公司的研(yan)發投(tou)(tou)入(ru)就超過(guo)130億(yi)美(mei)(mei)(mei)元(yuan)。
論半導體(ti)設備,中國,任無(wu)比(bi)重、道(dao)無(wu)比(bi)遠啊!
第六:封測
芯片(pian)做好后,得(de)從晶圓上(shang)切(qie)下來,接上(shang)導線,裝上(shang)外殼,順(shun)便還(huan)得(de)測(ce)試,這就叫封測(ce)。
封測又(you)又(you)又(you)是臺灣老大哥的(de)天下,排名世界第一(yi)的(de)日月光,后面還跟著(zhu)一(yi)堆實(shi)力不俗(su)的(de)小弟:矽品、力成、南茂(mao)、欣邦、京元電子。
大陸三大封測巨頭(tou),長電科技、華天科技、通富微電,混(hun)的都還不錯。(圖25)
圖25
小結
這全景圖(tu)大概描述了從硅片到芯片的(de)(de)全過程及中國(guo)的(de)(de)設備(bei)制造商,絕對是業內專(zhuan)家所做,值得一(yi)看。(圖(tu)26)
圖26
中國芯
說起(qi)中國芯(xin)片,不(bu)得不(bu)提“漢芯(xin)事件”。2003年上海交(jiao)通大學微電子學院院長(chang)陳進教授從(cong)美(mei)國買(mai)回芯(xin)片,磨掉(diao)原有標記,作為自主研(yan)發(fa)成果,騙(pian)取無數資金和榮(rong)譽(yu),消(xiao)耗大量(liang)社(she)會資源,影響之(zhi)惡劣可謂空(kong)前!以致于很長(chang)一段(duan)時(shi)間(jian),科研(yan)圈談芯(xin)色變,嚴(yan)重干(gan)擾了芯(xin)片行業(ye)的正常發(fa)展。(圖27)
圖27
硅原料、芯片設(she)計(ji)、晶圓加工(gong)、封(feng)測,以及相關的半導體設(she)備,絕大部分領域中國還是處于“任重而(er)道(dao)遠”的狀(zhuang)態(tai)(tai),那這(zhe)種懵(meng)逼(bi)狀(zhuang)態(tai)(tai)還得持(chi)續多(duo)久呢?
國(guo)務院印發(fa)的(de)《集成電路產(chan)業發(fa)展綱(gang)要(yao)》明(ming)確提出,2030 年集成電路產(chan)業鏈主(zhu)要(yao)環節達到國(guo)際先進水平,一批企業進入國(guo)際第一梯(ti)隊(dui),產(chan)業實(shi)現跨越式發(fa)展。
從研發的(de)(de)過程來看(kan),需(xu)求不缺,資金(jin)不缺,只(zhi)要燒(shao)足了(le)時間,沒(mei)理由燒(shao)不出芯片。當前,中國芯片的(de)(de)總(zong)體水平差不多處(chu)在剛(gang)剛(gang)實現零(ling)突(tu)破的(de)(de)階(jie)段,雖然市場份額不多,但每(mei)個(ge)領域都參了(le)一腳,而且勢頭(tou)不錯,前景還(huan)是可期待(dai)的(de)(de)。(圖28)
圖28
極限
文末(mo),習(xi)慣性抱怨一(yi)下(xia)人類科技的幼稚。芯片,作為大伙削尖腦袋能達到(dao)的最高科技水準,作為其(qi)根基的能帶理論(lun)(lun)竟(jing)然只是(shi)個近似理論(lun)(lun),電(dian)子行為仍然沒(mei)法精確計(ji)算。再(zai)往大了說,別看(kan)現(xian)在的技術紛繁復雜(za),其(qi)實就是(shi)玩(wan)玩(wan)電(dian)子而已(yi),頂多再(zai)加個光子,至于其(qi)他(ta)幾百種粒子,還完全不(bu)知(zhi)道怎么玩(wan)!
芯片加工(gong)精(jing)度已(yi)經到(dao)了(le)7nm,雖然三星吹牛說要燒(shao)到(dao)3nm,可那又如何?你還能繼續(xu)燒(shao)嗎?1nm差不多就是幾個原(yuan)子而(er)已(yi),量子效應非常顯著(zhu),作為基石的能帶理(li)論就不好使了(le),半導體(ti)行業(ye)就得(de)在這兒歇菜。
燒錢(qian)也好,燒時(shi)間也罷,燒到盡頭就是理論物理。基礎科學除了燒錢(qian)燒時(shi)間,還得燒人,燒的異常(chang)慘烈,100個(ge)高智商,99個(ge)都是墊腳石!工程師可以(yi)半道出(chu)家,但(dan)物理學家必須科班(ban)出(chu)身(shen)。
不能光折(zhe)騰電子(zi)了,為了把中微(wei)子(zi)也用起來(lai),咱趕(gan)緊忽悠,哎,不對,是呼吁更多(duo)孩子(zi)學基礎科學吧!