搞芯片的到底有哪些難點(diǎn)？

摘要：目前芯片產(chǎn)業(yè)的重要性得到了全體國(guó)民認(rèn)同，加快發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)已成為社會(huì)各界共識(shí)，同時(shí)公眾對(duì)搞芯片的艱巨性也有所了解。但是芯片到底有多難搞？是否要全部自己搞？認(rèn)識(shí)還難統(tǒng)一。有人問(wèn)***和氫彈哪個(gè)更難搞？這是兩個(gè)單項(xiàng)的比較。發(fā)展“國(guó)產(chǎn)芯片”是個(gè)系統(tǒng)工程，可否和“兩彈一星”工程比較一下，想想哪個(gè)更難搞？本文重點(diǎn)從學(xué)科交叉、精密至極、規(guī)模巨大、極其復(fù)雜、元素超廣、機(jī)器生產(chǎn)、投資巨大、品種繁多這9個(gè)方面，聊一聊搞芯片的難。

“兩彈一星”和“國(guó)產(chǎn)芯片”對(duì)中國(guó)發(fā)展進(jìn)程都是至關(guān)重要的。前者是老一輩革命家為新中國(guó)的強(qiáng)盛和穩(wěn)定做出的重大戰(zhàn)略部署，也是老一輩科學(xué)家向難而生，嘔心瀝血，隱姓埋名，為祖國(guó)繁榮獻(xiàn)上的大禮。他們值得后輩永遠(yuǎn)敬重、學(xué)習(xí)和紀(jì)念。而后者將在中華民族偉大復(fù)興的進(jìn)程中發(fā)揮巨大作用。因此，這兩個(gè)系統(tǒng)工程對(duì)中國(guó)發(fā)展的意義非凡，所以可以放在一起分析比較，找出發(fā)展國(guó)產(chǎn)芯片的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，制定中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)補(bǔ)短板，強(qiáng)弱項(xiàng)的最佳路徑。

筆者認(rèn)為“兩彈一星”從發(fā)展條件看，比“國(guó)產(chǎn)芯片”難得太多了。但從涉及的科技領(lǐng)域的廣度看，發(fā)展“國(guó)產(chǎn)芯片”應(yīng)該是更難一些。這不是否定前者的難度，在物資極度匱乏的條件下，“兩彈一星”人克服千難萬(wàn)險(xiǎn)取得任務(wù)圓滿成功，是很了不起的歷史壯舉。但從涉及的科技領(lǐng)域的廣度看，發(fā)展“國(guó)產(chǎn)芯片”的任務(wù)也非常艱巨。另外，搞芯片的難度還在于芯片應(yīng)用廣泛，要滿足眾多用戶的性能和體驗(yàn)要求比較困難。例如手機(jī)，只有大眾愿意買單才會(huì)成功，否則就不算成功。而“兩彈一星”的目標(biāo)很明確，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)即是成功。

下面就聊聊搞芯片的各種難。

一、制造之難

造芯片之難，雖沒(méi)有難于上青天，但卻是讓中國(guó)高科技發(fā)展面臨前所未有的困難。這個(gè)集多種學(xué)科之大成的領(lǐng)域，確實(shí)不是一時(shí)半會(huì)兒，想突破就能突破的?！安唤?jīng)歷風(fēng)雨，怎么見(jiàn)彩虹，沒(méi)有人能隨隨便便成功”。只有充分認(rèn)識(shí)困難，克服困難，“把握生命里的每一分鐘，全力以赴我們心中的夢(mèng)”，芯片實(shí)現(xiàn)自主可控的中國(guó)夢(mèng)才能實(shí)現(xiàn)。下面就從9個(gè)方面，看看發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)到底有多難。

1.學(xué)科交叉

芯片是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的的技術(shù)。其中包括固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、幾何光學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)，還涉及電子線路、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、測(cè)試和加工、圖論等多個(gè)領(lǐng)域。所以需要許多跨領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的積累，需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的緊密合作。例如化學(xué)，芯片制造流程中的化學(xué)反應(yīng)有100多種。隨著新材料應(yīng)用和工藝進(jìn)步，芯片制造中還會(huì)不斷利用新的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

2.精密至極

瑞士手表佳天下，瑞士工匠以精湛、精密的制表技藝雄霸世界。但是手表的精密性與芯片相比，卻是小巫見(jiàn)大巫。我們拿根頭發(fā)來(lái)對(duì)比一下，看看芯片中電路是何等的的精細(xì)和密集。

人類頭發(fā)的直徑一般是0.1mm。把一根頭發(fā)切斷，在顯微鏡下看，發(fā)絲的橫切面是直徑0.1mm（即100μm）的圓。圖4可以看到芯片上的晶體管（圖中箭頭所指的小紅點(diǎn)，面積在1μm x 1μm以內(nèi)）相對(duì)于頭發(fā)橫切面是多么微小?，F(xiàn)在的晶體管還可以做得更小。晶體管雖然微小，但它的結(jié)構(gòu)并不簡(jiǎn)單，它是由多層物質(zhì)和多個(gè)條塊結(jié)構(gòu)組成（圖示在虛線框中）。

假如要在發(fā)絲橫切面大小的硅片上制作集成電路，按照臺(tái)積電（TSMC）7nm的邏輯工藝，這個(gè)面積上可以并排制造2127根連線（100000nm/47nm，47nm是線寬7nm加上連線間距40nm）。當(dāng)然集成電路不是簡(jiǎn)單的連線，它由復(fù)雜的電路布圖組成的。圖4中部圓里的圖案，表示發(fā)絲橫切面大小的硅片上可制造的電路圖案，線條精細(xì)度為7nm。芯片的“精密至極”實(shí)至名歸。今天，用戶要求很高，芯片人不得不沿著“面積縮小，性能增加”的摩爾魔鬼定律一條道走到黑。

3.規(guī)模巨大

芯片規(guī)模大小是指芯片中集成的晶體管、存儲(chǔ)單元、電阻、電容等元件數(shù)量多少。芯片功能越復(fù)雜，集成的元件數(shù)量越多，芯片規(guī)模就越大。目前，面積不到1cm2的CPU芯片中可集成多達(dá)幾十億只晶體管，存儲(chǔ)器芯片中可集成多達(dá)數(shù)萬(wàn)億個(gè)存儲(chǔ)單元。例如蘋果公司iPhone6的CPU芯片A8（最新款是A11）集成了20億只晶體管，面積只有89.25㎜2（8.5mm×10.5mm），采用20nm的制造工藝，也就是說(shuō)芯片中電路的最窄線寬是20nm。長(zhǎng)江存儲(chǔ)128層3D Nand閃存芯片X2-6070的容量為1.33Tb，即單芯片中至少集成了1.33萬(wàn)億個(gè)存儲(chǔ)單元。而且隨著制造工藝的進(jìn)步，芯片規(guī)模還會(huì)繼續(xù)增大。

說(shuō)這多還是沒(méi)有感覺(jué)？那就用有形東西的面積做個(gè)對(duì)比吧！

圖5. A8芯片放大25萬(wàn)倍后，面積有半個(gè)深圳灣高新區(qū)大，電路連線精細(xì)至5毫米；再繼續(xù)放大500倍，電路連線精細(xì)至2.5米，面積將超過(guò)西藏的面積。

人眼看5mm寬的線條才能看得清楚和舒服。所以，若要看看A8芯片中晶體管規(guī)模有多大、電路有多復(fù)雜，就要把20nm的線寬放大到5mm寬，放大倍數(shù)是250000倍（25萬(wàn)倍）。這時(shí)，A8芯片的面積就達(dá)到5.578平方公里，大約是半個(gè)深圳灣高新園區(qū)的面積（11.5平方公里）。你將會(huì)看到震撼的畫面！在半個(gè)深圳灣高新園區(qū)的平面上，布滿了由5mm寬的線條縱橫交錯(cuò)連接構(gòu)成的“電路森林”。把20億只晶體管平均開(kāi)來(lái)，在每1平方米的面積上就集成了358個(gè)晶體管以及電路連線，連線寬度最細(xì)的只有5mm。

你如果還想鉆進(jìn)這個(gè)“電路森林”看看，就把A8芯片放大25萬(wàn)倍后，再放大500倍，面積達(dá)到了139.45萬(wàn)平方公里。在這個(gè)比西藏的面積還大的平面上，布滿了2.5米寬的線條縱橫交錯(cuò)構(gòu)成的“電路深林”。以下視頻展示芯片無(wú)限放大，人們可飛入芯片中的“電路森林”，看看集成電路的精密和電路規(guī)模的巨大。

視頻1. 芯片無(wú)限放大，人們可飛入芯片中的“電路森林”看看（來(lái)源：旺材芯片）

5.極其復(fù)雜

芯片的復(fù)雜性是由精密至極和規(guī)模巨大兩個(gè)特點(diǎn)決定的，主要包電路結(jié)構(gòu)、EDA工具、制造設(shè)備、制造程序、條件保障等方面的復(fù)雜性。

電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜：芯片應(yīng)用五花八門，芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也千變?nèi)f化。最復(fù)雜的芯片當(dāng)屬CPU、GPU、人工智能等芯片，數(shù)十億只晶體管連接成預(yù)設(shè)的電路功能，在軟件配合下完成像人的大腦一樣的工作，復(fù)雜性和難度可想而知。

EDA工具復(fù)雜：EDA工具軟件就是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件（Electronic Design Automation）。開(kāi)發(fā)EDA工具雖然是寫軟件，但它離不開(kāi)芯片制造技術(shù)方面的知識(shí)積累。這樣的軟件要能把數(shù)十億（甚至更多）晶體管擺放在面積不到1cm2（甚至更?。┑墓杵?，并且連接成想要的電路功能。同時(shí)，還要具有仿真和驗(yàn)證功能，保障送去芯片制造廠（晶圓廠）的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)萬(wàn)無(wú)一失。隨著制造技術(shù)的更新和換代，EDA工具還要隨之更新和升級(jí)。EDA工具軟件是最難設(shè)計(jì)的軟件。

制造設(shè)備復(fù)雜：芯片制造用到的設(shè)備很多，主要包括單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射臺(tái)、化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)、***、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)、晶圓減薄機(jī)、晶圓劃片機(jī)、引線鍵合機(jī)等等。大家對(duì)***已不陌生，先進(jìn)的EUV***只有荷蘭阿斯麥爾（ASML）能生產(chǎn)，據(jù)說(shuō)其中的光源技術(shù)來(lái)自于美國(guó)。每臺(tái)高達(dá)1.2億美元的售價(jià)，我們有錢也難買。***的精密程度決定了芯片制造工藝的精度。

制造程序復(fù)雜：芯片制造過(guò)程一般包括芯片設(shè)計(jì)、晶圓片制造、晶圓上電路制作、封裝和測(cè)試等幾個(gè)過(guò)程，其中晶圓上電路制作過(guò)程尤為的復(fù)雜。首先是根據(jù)芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)制作多層的光掩膜（Mask）。其次是制作晶圓表面上的電路。按照工藝和光掩膜數(shù)量，從第一層光掩膜開(kāi)始，有選擇地循環(huán)進(jìn)行“晶圓涂膜、晶圓光刻顯影、蝕刻、摻加雜質(zhì)、氧化膜、拋光”，返回做下一層光掩膜循環(huán)。最后是晶圓測(cè)試、劃片、封裝和成品測(cè)試。晶圓表面電路制作程序的復(fù)雜性由光掩膜層數(shù)決定。目前，芯片制造有時(shí)要執(zhí)行100多道工序，制造程序十分復(fù)雜。

條件保障復(fù)雜：芯片制造除了設(shè)備重要外，水、電、氣的條件保障也很重要。水是純水，芯片制造廠要有高質(zhì)量的純水制備能力，這里的純水比飲用純凈水的純凈度要高。電力保障是更重要的一環(huán)，芯片制造廠要有雙變電站、雙線路的備份供電保障，防止電站和回路出現(xiàn)故障時(shí)停電。芯片制造廠意外停電的經(jīng)濟(jì)損失很大。氣體是指生產(chǎn)中要用到十多種化學(xué)氣體。這些氣體按用途分可為運(yùn)載氣、保護(hù)氣和反應(yīng)氣。反應(yīng)氣還可細(xì)分為外延氣、成膜氣、摻雜氣和干刻蝕氣。主要包括氧、氫、氮、氬、氦、氫化物、鹵化物等。

6.元素超廣

世間萬(wàn)物都是由元素組成，元素周期表中羅列了地球上發(fā)現(xiàn)的所有元素。如果把芯片產(chǎn)業(yè)中用到的元素用彩色標(biāo)出，可以看到覆蓋了一大半的元素，利用率高達(dá)52.68%。這些元素通過(guò)晶圓、靶材、氣體、光刻膠、拋光液等形式應(yīng)用在制造工藝中。這些元素利用過(guò)程既是研究、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，也是克服困難和經(jīng)驗(yàn)積累，從另一方面說(shuō)明了芯片制造涉及知識(shí)之廣、造芯之難。

7.機(jī)器生產(chǎn)

芯片生產(chǎn)線是全自動(dòng)化的流水線。各工序節(jié)點(diǎn)的設(shè)備都是在參數(shù)設(shè)置好后自動(dòng)工作。工序節(jié)點(diǎn)之間的半成品通過(guò)機(jī)器人完成運(yùn)輸。技術(shù)人員只需按生產(chǎn)工藝要求設(shè)置好設(shè)備和儀器參數(shù)即可。更自動(dòng)化的目標(biāo)是參數(shù)設(shè)置都無(wú)需人來(lái)完成，可通過(guò)主控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置。技術(shù)人員只需完成工藝研發(fā)、規(guī)范文件編制和生產(chǎn)計(jì)劃制定?？梢哉f(shuō)芯片生產(chǎn)線是智能制造的高級(jí)典范。下圖是某晶圓代工廠車間的生產(chǎn)場(chǎng)景。

8.投資巨大

芯片制造投資巨大是大家公認(rèn)的。新建8吋、12吋特色工藝的晶圓廠需要數(shù)十億元～數(shù)百億元人民幣，新建12吋晶圓代工廠需要數(shù)百億美元的投資。武漢12吋存儲(chǔ)器生產(chǎn)基地投資總額高達(dá)240億美元。近日，臺(tái)積電（TSMC）宣布在美國(guó)建廠，投資額為120億美元。另外，芯片設(shè)計(jì)公司研發(fā)一款先進(jìn)工藝的芯片投入也很大。芯片研發(fā)、流片、測(cè)試、封測(cè)等費(fèi)用合計(jì)在數(shù)千萬(wàn)元～數(shù)億元人民幣不等。因此芯片業(yè)是燒錢的行業(yè)。只有對(duì)的人、在對(duì)的時(shí)間、并占據(jù)了行業(yè)優(yōu)勢(shì)地位才能賺錢。但是在國(guó)外技術(shù)封鎖條件下，芯片產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國(guó)防建設(shè)的基礎(chǔ)保障，再大強(qiáng)度的投入都不為過(guò)。

9.品種繁雜

芯片廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。因應(yīng)用環(huán)境和功能不同，芯片的品種非常多?？砂凑詹煌年P(guān)注點(diǎn)進(jìn)行分類，例如按電路性質(zhì)分為數(shù)字芯片、模擬芯片和數(shù)?；旌闲酒?CPU、存儲(chǔ)器、放大器、ADC、DAC等；按通用性分為通用芯片和專用芯片，包括通用邏輯門、接口電路、SOC、計(jì)量芯片等；按芯片功能分為處理器、存儲(chǔ)器、電源、接口等；按外觀和封裝形式分的話種類更多，包括DIP、SIP、CLCC、PGA、BGA等多達(dá)20種以上。芯片的外觀更是形態(tài)各異、千變?nèi)f化。

二、應(yīng)用之廣

芯片應(yīng)用之廣實(shí)際佐證了它的重要性，重要的事情往往難度較高。芯片廣泛應(yīng)用在國(guó)防軍工、航空航天、通信導(dǎo)航、電子政務(wù)、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智慧城市、裝備制造等領(lǐng)域。隨著全球信息化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，芯片產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略地位越來(lái)越重要，已成為事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、人民生活和信息安全的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)。芯片和軟件一起，被稱為信息化社會(huì)的基石。早在二十年前就有人預(yù)言，誰(shuí)控制了超大規(guī)模集成電路，誰(shuí)就控制了世界產(chǎn)業(yè)。

三、大國(guó)必爭(zhēng)

現(xiàn)在，大家都明白了芯片產(chǎn)業(yè)的重要性，尤其是支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的芯片核心技術(shù)?！秶?guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》開(kāi)頭就指出，集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。近兩年美國(guó)打壓中國(guó)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，就是從芯片入手，從核心技術(shù)方面卡中國(guó)的脖子。雖然全球科技合作和產(chǎn)業(yè)鏈全球化布局是時(shí)代主流，但是我們可以預(yù)見(jiàn)，中美在芯片核心技術(shù)上的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)將無(wú)法避免。中國(guó)要更加重視芯片核心技術(shù)研究和創(chuàng)新，重視補(bǔ)短板、強(qiáng)弱項(xiàng)工作，堅(jiān)持既獨(dú)立自主又開(kāi)放合作的大方向，大力促進(jìn)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)上新臺(tái)階。

結(jié)語(yǔ)：本文從9個(gè)方面，分析了搞芯片的難。正因?yàn)殡y，芯片產(chǎn)業(yè)才成為當(dāng)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)金字塔上的皇冠，才成為美國(guó)為了保持高科技領(lǐng)先地位，堅(jiān)決打壓中國(guó)的利器。十多年來(lái)，行業(yè)人士一直宣傳和呼吁芯片產(chǎn)業(yè)的重要性，但效果不佳。一些人對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)沒(méi)有感覺(jué)，原因是花錢多、太難搞、規(guī)模不大，而且認(rèn)為這是發(fā)展了60多年的舊東西，不如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等，概念又新，規(guī)模又大。但是他們不明白，這些產(chǎn)業(yè)的支撐根基卻是在芯片產(chǎn)業(yè)！美國(guó)打壓中興和華為，讓我國(guó)民眾驚醒，認(rèn)識(shí)到了芯片產(chǎn)業(yè)的重要性。本文希望說(shuō)明發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)的艱巨性。只有認(rèn)識(shí)到其重要性和艱巨性，我們才能制定出正確和科學(xué)的發(fā)展路線，我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)自主、安全、可控的目標(biāo)才能盡早實(shí)現(xiàn)。

原文標(biāo)題：【芯論語(yǔ)】對(duì)比“兩彈一星”工程，聊聊搞芯片的難?。ǜ掳妫?/p>

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