搞芯片的到底有哪些難點？

摘要：目前芯片產業(yè)的重要性得到了全體國民認同，加快發(fā)展芯片產業(yè)已成為社會各界共識，同時公眾對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？認識還難統(tǒng)一。有人問***和氫彈哪個更難搞？這是兩個單項的比較。發(fā)展“國產芯片”是個系統(tǒng)工程，可否和“兩彈一星”工程比較一下，想想哪個更難搞？本文重點從學科交叉、精密至極、規(guī)模巨大、極其復雜、元素超廣、機器生產、投資巨大、品種繁多這9個方面，聊一聊搞芯片的難。

“兩彈一星”和“國產芯片”對中國發(fā)展進程都是至關重要的。前者是老一輩革命家為新中國的強盛和穩(wěn)定做出的重大戰(zhàn)略部署，也是老一輩科學家向難而生，嘔心瀝血，隱姓埋名，為祖國繁榮獻上的大禮。他們值得后輩永遠敬重、學習和紀念。而后者將在中華民族偉大復興的進程中發(fā)揮巨大作用。因此，這兩個系統(tǒng)工程對中國發(fā)展的意義非凡，所以可以放在一起分析比較，找出發(fā)展國產芯片的難點和痛點，制定中國芯片產業(yè)補短板，強弱項的最佳路徑。

筆者認為“兩彈一星”從發(fā)展條件看，比“國產芯片”難得太多了。但從涉及的科技領域的廣度看，發(fā)展“國產芯片”應該是更難一些。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”人克服千難萬險取得任務圓滿成功，是很了不起的歷史壯舉。但從涉及的科技領域的廣度看，發(fā)展“國產芯片”的任務也非常艱巨。另外，搞芯片的難度還在于芯片應用廣泛，要滿足眾多用戶的性能和體驗要求比較困難。例如手機，只有大眾愿意買單才會成功，否則就不算成功。而“兩彈一星”的目標很明確，目標實現(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，雖沒有難于上青天，但卻是讓中國高科技發(fā)展面臨前所未有的困難。這個集多種學科之大成的領域，確實不是一時半會兒，想突破就能突破的?！安唤洑v風雨，怎么見彩虹，沒有人能隨隨便便成功”。只有充分認識困難，克服困難，“把握生命里的每一分鐘，全力以赴我們心中的夢”，芯片實現(xiàn)自主可控的中國夢才能實現(xiàn)。下面就從9個方面，看看發(fā)展芯片產業(yè)到底有多難。

1.學科交叉

芯片是一門多學科綜合應用的的技術。其中包括固體物理學、量子力學、熱力學與統(tǒng)計物理學、幾何光學、材料科學、化學，還涉及電子線路、信號處理、計算機輔助設計、自動控制、測試和加工、圖論等多個領域。所以需要許多跨領域專業(yè)人才的積累，需要產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的緊密合作。例如化學，芯片制造流程中的化學反應有100多種。隨著新材料應用和工藝進步，芯片制造中還會不斷利用新的化學反應過程。

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，卻是小巫見大巫。我們拿根頭發(fā)來對比一下，看看芯片中電路是何等的的精細和密集。

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，面積在1μm x 1μm以內）相對于頭發(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，但它的結構并不簡單，它是由多層物質和多個條塊結構組成（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，按照臺積電（TSMC）7nm的邏輯工藝，這個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）。當然集成電路不是簡單的連線，它由復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，線條精細度為7nm。芯片的“精密至極”實至名歸。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、存儲單元、電阻、電容等元件數量多少。芯片功能越復雜，集成的元件數量越多，芯片規(guī)模就越大。目前，面積不到1cm2的CPU芯片中可集成多達幾十億只晶體管，存儲器芯片中可集成多達數萬億個存儲單元。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，也就是說芯片中電路的最窄線寬是20nm。長江存儲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1.33萬億個存儲單元。而且隨著制造工藝的進步，芯片規(guī)模還會繼續(xù)增大。

說這多還是沒有感覺？那就用有形東西的面積做個對比吧！

圖5. A8芯片放大25萬倍后，面積有半個深圳灣高新區(qū)大，電路連線精細至5毫米；再繼續(xù)放大500倍，電路連線精細至2.5米，面積將超過西藏的面積。

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、電路有多復雜，就要把20nm的線寬放大到5mm寬，放大倍數是250000倍（25萬倍）。這時，A8芯片的面積就達到5.578平方公里，大約是半個深圳灣高新園區(qū)的面積（11.5平方公里）。你將會看到震撼的畫面！在半個深圳灣高新園區(qū)的平面上，布滿了由5mm寬的線條縱橫交錯連接構成的“電路森林”。把20億只晶體管平均開來，在每1平方米的面積上就集成了358個晶體管以及電路連線，連線寬度最細的只有5mm。

你如果還想鉆進這個“電路森林”看看，就把A8芯片放大25萬倍后，再放大500倍，面積達到了139.45萬平方公里。在這個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構成的“電路深林”。以下視頻展示芯片無限放大，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. 芯片無限放大，人們可飛入芯片中的“電路森林”看看（來源：旺材芯片）

5.極其復雜

芯片的復雜性是由精密至極和規(guī)模巨大兩個特點決定的，主要包電路結構、EDA工具、制造設備、制造程序、條件保障等方面的復雜性。

電路結構復雜：芯片應用五花八門，芯片內部的結構也千變萬化。最復雜的芯片當屬CPU、GPU、人工智能等芯片，數十億只晶體管連接成預設的電路功能，在軟件配合下完成像人的大腦一樣的工作，復雜性和難度可想而知。

EDA工具復雜：EDA工具軟件就是電子設計自動化軟件（Electronic Design Automation）。開發(fā)EDA工具雖然是寫軟件，但它離不開芯片制造技術方面的知識積累。這樣的軟件要能把數十億（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，還要具有仿真和驗證功能，保障送去芯片制造廠（晶圓廠）的設計數據萬無一失。隨著制造技術的更新和換代，EDA工具還要隨之更新和升級。EDA工具軟件是最難設計的軟件。

制造設備復雜：芯片制造用到的設備很多，主要包括單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射臺、化學機械拋光機、***、刻蝕機、離子注入機、晶圓減薄機、晶圓劃片機、引線鍵合機等等。大家對***已不陌生，先進的EUV***只有荷蘭阿斯麥爾（ASML）能生產，據說其中的光源技術來自于美國。每臺高達1.2億美元的售價，我們有錢也難買。***的精密程度決定了芯片制造工藝的精度。

制造程序復雜：芯片制造過程一般包括芯片設計、晶圓片制造、晶圓上電路制作、封裝和測試等幾個過程，其中晶圓上電路制作過程尤為的復雜。首先是根據芯片設計數據制作多層的光掩膜（Mask）。其次是制作晶圓表面上的電路。按照工藝和光掩膜數量，從第一層光掩膜開始，有選擇地循環(huán)進行“晶圓涂膜、晶圓光刻顯影、蝕刻、摻加雜質、氧化膜、拋光”，返回做下一層光掩膜循環(huán)。最后是晶圓測試、劃片、封裝和成品測試。晶圓表面電路制作程序的復雜性由光掩膜層數決定。目前，芯片制造有時要執(zhí)行100多道工序，制造程序十分復雜。

條件保障復雜：芯片制造除了設備重要外，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)故障時停電。芯片制造廠意外停電的經濟損失很大。氣體是指生產中要用到十多種化學氣體。這些氣體按用途分可為運載氣、保護氣和反應氣。反應氣還可細分為外延氣、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。如果把芯片產業(yè)中用到的元素用彩色標出，可以看到覆蓋了一大半的元素，利用率高達52.68%。這些元素通過晶圓、靶材、氣體、光刻膠、拋光液等形式應用在制造工藝中。這些元素利用過程既是研究、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，也是克服困難和經驗積累，從另一方面說明了芯片制造涉及知識之廣、造芯之難。

7.機器生產

芯片生產線是全自動化的流水線。各工序節(jié)點的設備都是在參數設置好后自動工作。工序節(jié)點之間的半成品通過機器人完成運輸。技術人員只需按生產工藝要求設置好設備和儀器參數即可。更自動化的目標是參數設置都無需人來完成，可通過主控網絡系統(tǒng)自動設置。技術人員只需完成工藝研發(fā)、規(guī)范文件編制和生產計劃制定?？梢哉f芯片生產線是智能制造的高級典范。下圖是某晶圓代工廠車間的生產場景。

8.投資巨大

芯片制造投資巨大是大家公認的。新建8吋、12吋特色工藝的晶圓廠需要數十億元～數百億元人民幣，新建12吋晶圓代工廠需要數百億美元的投資。武漢12吋存儲器生產基地投資總額高達240億美元。近日，臺積電（TSMC）宣布在美國建廠，投資額為120億美元。另外，芯片設計公司研發(fā)一款先進工藝的芯片投入也很大。芯片研發(fā)、流片、測試、封測等費用合計在數千萬元～數億元人民幣不等。因此芯片業(yè)是燒錢的行業(yè)。只有對的人、在對的時間、并占據了行業(yè)優(yōu)勢地位才能賺錢。但是在國外技術封鎖條件下，芯片產業(yè)作為信息技術產業(yè)和國防建設的基礎保障，再大強度的投入都不為過。

9.品種繁雜

芯片廣泛應用在各個領域。因應用環(huán)境和功能不同，芯片的品種非常多。可按照不同的關注點進行分類，例如按電路性質分為數字芯片、模擬芯片和數?；旌闲酒?，包括 CPU、存儲器、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、計量芯片等；按芯片功能分為處理器、存儲器、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20種以上。芯片的外觀更是形態(tài)各異、千變萬化。

二、應用之廣

芯片應用之廣實際佐證了它的重要性，重要的事情往往難度較高。芯片廣泛應用在國防軍工、航空航天、通信導航、電子政務、消費電子、物聯(lián)網、人工智能、機器人、云計算、大數據、智慧城市、裝備制造等領域。隨著全球信息化和知識經濟時代的到來，芯片產業(yè)的戰(zhàn)略地位越來越重要，已成為事關國民經濟、國防建設、人民生活和信息安全的關鍵產業(yè)。芯片和軟件一起，被稱為信息化社會的基石。早在二十年前就有人預言，誰控制了超大規(guī)模集成電路，誰就控制了世界產業(yè)。

三、大國必爭

現(xiàn)在，大家都明白了芯片產業(yè)的重要性，尤其是支撐產業(yè)發(fā)展的芯片核心技術?！秶壹呻娐樊a業(yè)發(fā)展推進綱要》開頭就指出，集成電路產業(yè)是信息技術產業(yè)的核心，是支撐經濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)。近兩年美國打壓中國的高技術產業(yè)，就是從芯片入手，從核心技術方面卡中國的脖子。雖然全球科技合作和產業(yè)鏈全球化布局是時代主流，但是我們可以預見，中美在芯片核心技術上的長期競爭將無法避免。中國要更加重視芯片核心技術研究和創(chuàng)新，重視補短板、強弱項工作，堅持既獨立自主又開放合作的大方向，大力促進我國集成電路產業(yè)上新臺階。

結語：本文從9個方面，分析了搞芯片的難。正因為難，芯片產業(yè)才成為當代高技術產業(yè)金字塔上的皇冠，才成為美國為了保持高科技領先地位，堅決打壓中國的利器。十多年來，行業(yè)人士一直宣傳和呼吁芯片產業(yè)的重要性，但效果不佳。一些人對芯片產業(yè)沒有感覺，原因是花錢多、太難搞、規(guī)模不大，而且認為這是發(fā)展了60多年的舊東西，不如物聯(lián)網、云計算、大數據、人工智能等，概念又新，規(guī)模又大。但是他們不明白，這些產業(yè)的支撐根基卻是在芯片產業(yè)！美國打壓中興和華為，讓我國民眾驚醒，認識到了芯片產業(yè)的重要性。本文希望說明發(fā)展芯片產業(yè)的艱巨性。只有認識到其重要性和艱巨性，我們才能制定出正確和科學的發(fā)展路線，我國芯片產業(yè)自主、安全、可控的目標才能盡早實現(xiàn)。

原文標題：【芯論語】對比“兩彈一星”工程，聊聊搞芯片的難！（更新版）

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責任編輯：haq