芯片為什么難造？

眾所周知，在每個(gè)智能設(shè)備當(dāng)中，芯片起到了至關(guān)重要的作用，不論是PC、智能手機(jī)還是智能可穿戴設(shè)備，CUP作為核心元器件都是必不可少的存在。但就這么一個(gè)小小的玩意，中國目前卻無法有效地進(jìn)行量產(chǎn)。

有時(shí)候一個(gè)東西過于細(xì)微，并不意味著容易制造，更別說芯片這種需要納米級(jí)工藝來進(jìn)行操控的東西，更是人力所不能及的。在IC芯片中，最重要的東西是晶體管，這相當(dāng)于人體大腦中的神經(jīng)系統(tǒng)，晶體管越多，芯片的運(yùn)算速度也就越快。因此，如何在這么一個(gè)狹小的地方放置更多的晶體管，成為一道難題。

芯片的基本單位——晶體管

所謂晶體管是一種半導(dǎo)體器件，放大器或電控開關(guān)常用。由于其相應(yīng)速度快，準(zhǔn)確性高，可以用于各種數(shù)字和模擬功能，包括放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨(dú)立包裝或在一個(gè)非常小的的區(qū)域，可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分，這也是為什么CPU中可以集成如此多晶體管的原因。

早在1929年，當(dāng)時(shí)的工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是限于當(dāng)年的技術(shù)水平，還無法將晶體管制造出來。直到1947年12月，世界上最早的實(shí)用半導(dǎo)體器件才在貝爾實(shí)驗(yàn)室中被制造出來，而在首次試驗(yàn)時(shí)，這個(gè)晶體管能夠把音頻信號(hào)放大100被，而外形則類似火柴棍。

而到了1950年，第一只“PN結(jié)型晶體管”(PN結(jié)就是P型和N型的結(jié)合處，P型多空穴，N型多電子，下面會(huì)講到)才終于問世，如今的晶體管，大部分仍然屬于這種PN結(jié)型晶體管。

制造芯片的流程

回到芯片制作中來，如今一塊好的芯片制作流程又是怎樣的呢?作為這些智能設(shè)備的大腦，它的誕生又需要經(jīng)歷哪些步驟呢?

芯片實(shí)際上是一片載有集成電路的元件，大致可以分為兩類，一類為功能芯片，如CPU、通訊基站的處理芯片等;第二類為存儲(chǔ)芯片，比如電腦中的閃存。

而要制造一個(gè)芯片，在產(chǎn)業(yè)上主要分為這么幾個(gè)內(nèi)容。首先便是芯片的設(shè)計(jì)，就如同做一個(gè)工程需要有藍(lán)圖一樣，芯片也是如此，做出的芯片想要實(shí)現(xiàn)什么樣的功能，在設(shè)計(jì)這一步就已經(jīng)確定，這需要專業(yè)人才來進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。

其次是制作，這一步也是最繁瑣的，后面會(huì)詳細(xì)講到。而最后是封裝，也就是把成品的芯片裝好變成一個(gè)可以銷售的產(chǎn)品，也就是我們?cè)谑忻嫔纤吹降哪樱@樣的過程就叫做封裝，我國大多數(shù)芯片產(chǎn)業(yè)中所涉及的便是封裝行業(yè)。

在這三大步驟中，最難的是設(shè)計(jì)，而容易的是封裝。作為芯片的靈魂，沒有一個(gè)好的設(shè)計(jì)，芯片根本無法成行，因此設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

現(xiàn)如今我國芯片產(chǎn)業(yè)主要集中在制作與封裝，尤其是封裝最多，而在設(shè)計(jì)層面有所涉獵的企業(yè)則是鳳毛麟角。即便有設(shè)計(jì)出來的芯片也主要是集中在中低端層面，而在高端芯片的設(shè)計(jì)中所占份額基本為零。

芯片運(yùn)行的原理

制作芯片的主要原材料是硅，通常而言是從砂石之中提煉而出，把沙子中的二氧化硅融化然后還原，最后得到硅單質(zhì)。然后再在硅單質(zhì)上進(jìn)行摻雜，左側(cè)摻入硼元素，右側(cè)摻入磷元素。

摻雜的主要原因是由于硅單質(zhì)本身不導(dǎo)電，而硅元素周圍有四個(gè)電子，相當(dāng)于四個(gè)空穴，硼元素周邊只有三個(gè)電子，相對(duì)硅而言缺少了一個(gè)電子，因此以空穴導(dǎo)電為主，稱之為P型半導(dǎo)體。而磷元素周圍有五個(gè)電子，相比硅多一個(gè)，因此稱為N型半導(dǎo)體。兩者相結(jié)合，也就成為上述的PN結(jié)。

PN結(jié)的主要特點(diǎn)在于，只有在左側(cè)加正極右側(cè)加負(fù)極電流才能通過，如果把電流方向掉轉(zhuǎn)，那么電流是不流通的，這也就是二極管。這樣做我們便可以通過這些只能進(jìn)行單向電流流通的二極管做出許多操作，比如與或非門等等，這些知識(shí)如今在高中課程中也有講到，這里就不再贅述。

怎么做一塊芯片?

回到芯片的具體制作，在把硅單質(zhì)制作出來后進(jìn)行切片，切成一個(gè)個(gè)的圓盤。然后在這些圓盤之上涂抹光刻膠，再用紫外線通過透鏡對(duì)這些涂抹光刻膠的硅片進(jìn)行光刻，按照設(shè)計(jì)中的圖紙對(duì)某些特定位置的光刻膠照射后，這些光刻膠也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

光刻之后便是腐蝕，由于設(shè)計(jì)的不同，腐蝕的區(qū)域也不同，通產(chǎn)而言經(jīng)過光刻之后的區(qū)域會(huì)被腐蝕，而沒有經(jīng)過光刻的區(qū)域則不會(huì)，當(dāng)然情況也有可能相反，這都是根據(jù)實(shí)際需求來制作。

以光刻區(qū)域被腐蝕為例，腐蝕的地方為形成凹槽，再在這些凹槽中進(jìn)行摻雜，也就是上面講到的硼元素或者磷元素等。最后通過洗刷，把光刻膠洗掉，只留下了摻雜之后的硅片，這時(shí)候就可以制作半導(dǎo)體PN結(jié)了。

而這樣的步驟可能不止一次，若是需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，則還需要重復(fù)上膠、摻雜、腐蝕、清洗等步驟，然后再在其上沉積金屬，進(jìn)行電路的聯(lián)接。最后，一片完整的晶圓就此產(chǎn)生。把晶圓切割后，封裝就成為芯片。這便是一個(gè)完整的芯片制作流程。

芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域稀缺的原因

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上來看，我國的芯片行業(yè)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域尤其稀缺，最主要的原因有三點(diǎn)。第一是教育環(huán)境問題，由于國外技術(shù)封鎖，加上國內(nèi)的芯片領(lǐng)域人才稀缺，因此對(duì)于教育方面一直欠缺，無法接觸世界上最先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)思維，自然無法培養(yǎng)出一個(gè)好的人才。

第二是對(duì)于技術(shù)人才不夠重視，或者說整個(gè)行業(yè)對(duì)于技術(shù)人才都過于冷漠，導(dǎo)致許多技術(shù)向的人才從硬件改行從事軟件開發(fā)或者銷售，這樣也導(dǎo)致了我國的芯片人才缺口一直無法填補(bǔ)。

第三是整個(gè)市場(chǎng)全都充斥著國外的高端芯片，因此國產(chǎn)芯片在很多情況下無法得到市場(chǎng)有效的反饋，這導(dǎo)致其更新?lián)Q代的速度非常緩慢，自然也就拖累了國產(chǎn)芯片發(fā)展的腳步。

當(dāng)然，對(duì)于這樣的現(xiàn)狀，如今國家已經(jīng)有許多對(duì)策進(jìn)行解決。針對(duì)第一個(gè)問題，中國已經(jīng)有“國家千人計(jì)劃”，將國外的高科技人才引渡回國，帶領(lǐng)國內(nèi)科技產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于第二個(gè)問題，還是要改變國內(nèi)企業(yè)家的觀念，當(dāng)技術(shù)人員的待遇什么時(shí)候能夠成為公司中靠前的位置，這些技術(shù)人才自然也會(huì)回流。

關(guān)于最后一個(gè)問題，由于美國對(duì)于中興的制裁，雖然如今已經(jīng)有所緩和，但這件事的影響已經(jīng)讓國內(nèi)所有科技公司感到了威脅，對(duì)于國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)則迎來了新的商機(jī)，至少能夠給國產(chǎn)芯片一個(gè)試水的地方，讓其進(jìn)行更新迭代。

小結(jié)

我國芯片產(chǎn)業(yè)一路走來跌跌撞撞，在“漢芯”事件后更是經(jīng)受了沉重的打擊，如今一切都處于百廢待興的狀態(tài)，加上美國創(chuàng)造的大好時(shí)機(jī)，正是我國芯片產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵機(jī)遇，相信我國的芯片行業(yè)能夠重回輝煌。

與企業(yè)不同，國家若想要實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興，必然要在每個(gè)行業(yè)中都掌握自己的核心技術(shù)，可以不用第一，但是不能沒有，而這個(gè)芯片領(lǐng)域的興起，加上國家的助推，相信會(huì)對(duì)未來半導(dǎo)體行業(yè)造成更加深遠(yuǎn)的影響。
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