从沙子到芯片的奇妙旅程：中国芯必定雄起并走向世界

管理员 · 发表于 2018-5-23 00:19:07

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　　01
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　　序章
　　芯片又被称为大规模集成电路。顾名思义，就是把大量的复杂电路集中在一块小小的硅片上，完成相对独立的复杂功能。
　　如果你的好奇心非常强，可以拿个旧手机拆开，会看到里面电路板上那些黑色的方块，这就是芯片了。

　　这样的黑色方块相当常见，是不是？但其内部的组成却是非常复杂的，在这指甲盖大小的面积上，集中了多达几千万甚至几十亿个晶体管以及它们互相连起来的复杂电路。
　　本文的主旨就是要谈谈芯片的前世今生：从沙子到信息产业“皇冠上明珠”的经历了哪些奇妙的历程。
　　02
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　　晶圆的诞生
　　所有芯片的前世，都是一捧黄沙而已。它们默默地沉睡着，丝毫不知自己将在信息世界掀起巨大的波澜。

　　在这些唾手可得的不起眼沙子里，蕴含着芯片制造最基础的元素：“硅”。它在元素周期表里排行14，符号为Si，原子量28，最外层有4个电子。

　　硅是地球上含量第二高的元素，含量最高的元素是氧。这两种元素组合成二氧化硅（SiO2），蕴含在浩瀚的沙海里，广泛而廉价。
　　二氧化硅听起来比较陌生，但“石英”这个词就相当常见了。没错，二氧化硅就是石英。
　　只不过一般沙子里除了石英，还有很多杂质。高纯度的石英又叫“水晶”。
　　下面这张图就是一块很漂亮天然水晶。

　　一般使用二氧化硅含量高的石英砂来提取高纯度硅。下面这张图就是一块冶金级硅，纯度达到98%。

　　这样的冶金级硅就能用来做芯片了吗？还差得远!这仍然只是原料而已。
　　这些冶金级硅再经过多次的提纯，直到纯度达到99.999999999%（11个9），才能满足需要。
　　这个级别的高纯度硅又叫“单晶硅”，一般是以硅锭的形态出现的。

　　单晶硅内部的硅原子完全整齐排列，就像开阅兵式一样，步伐一致，整齐划一。只有高纯度的单晶硅才满足芯片的制造需求。
　　单晶这个词看起来比较遥远，但其实离我们的生活也很近。
　　爱吃糖的同学，肯定吃过冰糖，如果仔细看包装的话，上面一定印着“单晶冰糖”四个大字。没错，在这样的冰糖里，糖分子也是整齐划一地排列的。

　　再回到高纯度硅锭，这些单晶硅都是棒状的，经过打磨，切割，再打磨，就形成了一个个圆形的薄片，又叫做“晶圆”。

　　所有的大规模集成电路制造的开端都是晶圆。
　　不过，在制造之前，先要有电路的设计蓝图。
　　设计和制造也是业内很多公司的分野。
　　很多公司只做设计，而把后续的加工制造交给代工厂，如高通，联发科等。台积电只做代工，Intel是从设计到加工一条龙都是自己做。
　　03
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　　集成电路的设计
　　集成电路英文是Integrated Circuit，简称IC，因此集成电路设计又叫IC设计。
　　首先是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前，先确定要楼高、层高、户型等数据之后再进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。
　　集成电路设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。
　　然后，借助计算机语言和相关设计软件进行逻辑设计，这是个相当复杂和专业的过程。我们先来看看下面这个逻辑设计的结果。

　　天哪，这也太复杂了吧？看里面的三角形，半圆形，长方形等，都代表了能实现不同逻辑功能的器件。
　　比如，那个三角形的玩意就是反相器，输入0输出1，输入1则输出0，一切复杂的功能都是建立在这些简单的东西之上的。
　　再下来，就到电路布局了。仍然是借助电脑的帮助，把逻辑设计图的转化成具体的电路图。

　　这才叫复杂，但是这还能看清一条一条的线，以及圆圈里的基本单元：晶体管。
　　而下面这个图，简直密密麻麻一片，没有电脑的帮助，人工已经不可能完成了。

　　下面的事情，会近一步刷新你对IC设计复杂度的想象。这密密麻麻的电路，还是立体的，有很多层!下面这张图里不同的颜色代表不同的层。

　　设计的工作到最后一步了，这就是为了下一步的加工，还需要把这些电路映射到一层层的光罩上去。
　　先来看看光罩长什么样吧。

　　光罩就是印有这些电路的一张张透明的薄膜，像照相底片一样，为以后把这些电路刻在晶圆上创造了条件。
　　04
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　　芯片的加工
　　有了晶圆和光罩，终于可以进行芯片的制造了。
　　前面说过，把光罩上的电路图刻在晶圆上，就跟照相的原理差不多。
　　把下图美女的衣服想象成光罩，阳光晒过之后，衣服挡住的地方就留下了漂亮的天然阳光纹身。

　　实际大体的原理是给晶圆涂上金属薄膜和感光材料，然后让光透过光罩射到晶圆上，被光罩上的电路图挡住照不到光的部分留下，而被光照到的空余部分的感光材料被分解除去，电路就被刻在晶圆上了。

　　实际的情况比这要复杂地多。要在指甲盖大小的地方放下几千万乃至几十亿个晶体管，到底是怎么做到的？难道是用镊子夹着焊上去的？
　　因为硅这种材料比较特殊，导电性介于导体和绝缘体之间，因此叫做半导体。
　　给它掺杂不同的离子（砷，磷，磞等）会改变导电特性形成晶体管，如此之多的晶体管就是基于这样的原理通过掺杂不同离子的方式刻进去的。
　　具体的晶体管长下面这样，蓝色、橙色和黄色部分都是硅内掺杂了其他离子后的结果，再多次光刻成了这个样子。由于过于复杂，放在这里看看就好。

　　那所谓了多少纳米的制程工艺是指什么呢？说白了就是这些晶体管的大小。晶体管越小，集成度越高，反应速度越快。
　　一纳米相当于10亿分之一米，目前14纳米工艺已经成熟，10纳米工艺仍然在商业研究与试产中，下一步就要到7纳米工艺了。
　　事实上，光刻机是制造大规模集成电路的关键设备，制造和维护需要高度的光学和电子工业基础。这可以说是整个信息产业最为“高精尖”的设备了。
　　光刻机技术，世界上唯有荷兰的ASML公司才能生产的才是最好的，一台最先进的极紫外光刻机（EUV）售价要超过1亿欧元，一年只能生产十几二十台。
　　下图就是ASML公司的极紫外光刻机，超级复杂的巨无霸。

　　到了这里，晶圆加工完成!一片晶圆上被刻出了无数个下图这样微小的复杂立体电路。

　　下面是刻好的晶圆，像极了没有中间圆孔的光盘。上面密布了大量一模一样的刻好的晶粒。
　　下一步就是要把这些晶粒切割下来，测试封装了。

　　下图就是晶圆的切割，切下来的每块叫晶片，也叫裸晶。至于切多大就看设计和使用的需要了。

　　裸晶长这样，可以进行测试封装了!

　　焊上管脚，固定，封装，测试完成。成品芯片出炉，可以包装后拿出去卖了!

　　市面上Intel的i7 CPU包装长这样，售价约人民币5000元。

　　05
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　　尾声
　　这就是从沙子到芯片的完整旅程。这小小的芯片，里面却包含了像整个宇宙一样浩瀚的电路，真可谓一粒沙子就是一个世界。
　　这样的高精尖技术，形成了整个规模庞大的全球产业链。
　　而我国集成电路高端装备和材料基本处于空白状态，完全依赖进口。
　　虽然如今国产芯片虽然已经有很大提高，但要满足国内电子制造业庞大的需求，还远远不够。
　　目前中国的电子信息产业全球最大，年总产值已经超过了10万亿人民币，但行业利润却一直不超过4%。
　　究其原因就是芯片全靠进口，经济竞争力严重缺乏。
　　从2013年起，中国进口集成电路的价值就超过了2000亿美元，到2017年更是达到了历史新高的2601亿美元，成了中国最大宗的进口商品。
　　芯片的进口规模超过了铁矿石，粮食，甚至远超过了同年的进口原油价值的1623.3亿美元。
　　如此芯片全靠进口的话，一些命脉行业，例如正在蓬勃发展的5G产业，随时可能会被人卡脖子，受制于人。这次是真的发生了。
　　国家科技重大专项集成电路专项总体组组长叶甜春说：

　　到2025年的时候，做到30%到50%的芯片自给率，这是全行业的奋斗目标，这是举国之力在做的事情。
　　有13亿中国人的支持，中国芯必定雄起并走向世界。有8万员工的忘我努力，中兴通讯必将战胜暂时的困难，让中国的旗帜高高飘扬在世界通信舞台之上!

　　总结
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　　1. 芯片由主要由高纯硅切割成的晶圆制成。高纯硅是从石英砂里面提取的。
　　2. 芯片加工之前需要进行大规模集成电路设计。这个设计技术含量非常高，只有很少公司有这样的能力。
　　3. 光刻技术是芯片的加工的核心技术。目前14纳米工艺已经成熟，10纳米工艺仍然在商业研究与试产中，下一步就要到7纳米工艺了。
　　4.目前中国的电子信息产业规模全球最大，但行业利润却一直不超过4%。究其原因就是芯片全靠进口，经济竞争力严重缺乏。
　　5. 到2025年的时候，做到30%到50%的芯片自给率，这是全行业的奋斗目标，这是举国之力在做的事情。
　　6. 拥有有13亿中国人的支持，中国芯必定雄起并走向世界。中兴通讯也必将战胜暂时的困难，让中国的旗帜高高飘扬在世界通信舞台之上!
　　注：原文略有删减