芯片設計製造是一場長征之路

芯片是一種集成電路,通過精細加工將半導體器件聚集在硅晶圓上。製造出來的芯片雖然只有指甲般大小,卻具有信息採集、處理、存儲、控制、導航、通信、顯示等諸多功能,是一切電子設備最核心的元器件。

芯片設計製造是一場長征之路

在當今的信息社會,芯片的應用無處不在。從我們日常使用到的手機、電腦、冰箱、洗衣機到航天航空用的火箭衛星導航再到軍事領域的先進武器,這一切都離不開芯片。可以說如果沒有芯片,世界上所有與電有關的設計都無法正常工作。

芯片設計製造是一場長征之路

廣泛的應用需求,推動著芯片市場的擴大,也推動著芯片技術的迅速發展。據美國半導體產業協會統計,2017年1月至2月,中國和美國的芯片市場規模份額分別為33.10%和19.73%。中國雖然是全球最大、增長最快的芯片市場,但許多高端芯片要進口。因此,中國芯片的自主設計製造顯得尤為重要。

芯片設計製造是一場長征之路

然而芯片的設計製造是一個集高精尖於一體的複雜系統工程,難度之高不言而喻。

設計之艱

設計一款芯片,首先要設計架構,確定芯片的指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關鍵信息,然後進行構架評估。評估通過前端設計工程師就開始對電路的數字部分和模擬部分進行分塊設計。同時,驗證工程師也開始搭建驗證環境,準備整個芯片的驗證工作。數字電路和模擬電路通過電路設計評估之後,後端工程師開始設計物理版圖,將電路按照連接關係翻印到硅片上,同時驗證工程師進行端口仿真。如此一來,芯片設計才算完成。

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這一系列的設計不允許有任何差錯,不然一切都要重新再來。如果重新設計加工,一般至少需要一年時間,再投入成百萬甚至上千萬元的經費。

製造之難


芯片設計好了後就開始製造,一條芯片製造生產線大約涉及50多個行業,一般要經過2000至5000道工藝流程,製造過程相當複雜。

沙子是製造芯片的基本材料,經過脫氧處理後,逐漸熔鍊成“單晶硅錠”,橫向切割成圓形的單個硅片,就是我們常說的晶圓。

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獲得晶圓後,將感光材料均勻塗抹在晶圓上,利用光刻機將複雜的電路結構轉印到感光材料上,被曝光的部分會溶解並被水沖掉,從而在晶圓表面暴露出複雜的電路結構,再使用刻蝕機將暴露出來的硅片的部分刻蝕掉。

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晶圓片拋光後 利用光刻機將設計好的電路轉印到晶圓上

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在晶圓上刻蝕出來複雜的結構

接著,經過離子注入等數百道複雜的工藝,這些複雜的結構便擁有了特定的半導體特性,並能在幾平方釐米的範圍內製造出數億個有特定功能的晶體管。

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鍍銅後再切削掉表面多餘的銅

再覆蓋上銅作為導線,就能將數以億計的晶體管連接起來。

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經過測試、晶片切割和封裝就得到芯片

一塊晶圓經過數個月的加工,在指甲蓋大小的空間中集成了數公里長的導線和數以億計的晶體管器件,經過測試,品質合格的晶片會被切割下來,剩下的部分會報廢掉。千挑萬選後,一塊真正的芯片就這麼誕生了。

芯片製造過程中還需要使用大量高精尖設備,其中高性能的光刻機又是一大技術瓶頸。如最先進的7納米極紫外光刻機,目前只有荷蘭一家公司能製造,價格上億美元不說,一年僅能生產20臺左右。

耗費之大

20世紀50年代末發明集成電路以來,芯片的集成度一直遵循摩爾定律迅猛發展,即每隔18個月提高一倍。半個多世紀以來,芯片的性能和複雜度提高了5000萬倍,特徵尺寸則縮減到一根頭髮絲直徑的萬分之一。芯片領域競爭十分激烈,美、歐等發達國家處於技術領先地位,芯片研發相對落後的國家,短時間內追趕有難度。

芯片設計製造是一場長征之路

一款複雜芯片,從研發到量產,要投入大量人力、物力和財力,時間至少要3至5年,甚至更長。

中國芯奮起直追

目前,全球高端芯片市場幾乎被美、歐等先進企業佔領。但加速研發國產自主芯片一直是政府、企業、科研院所的重點發展方向。近年來,我國在集成電路領域已取得了長足進步,芯片自給率不斷提升,高端芯片受制於人的局面正在逐步打破。

芯片設計製造是一場長征之路

隨著國家的大力扶持和一系列關鍵核心技術的突破,“中國芯”正逐步縮短與發達國家的差距,“中國創造”終將佔領信息系統技術制高點,真正把競爭和發展的主動權掌握在自己手中。

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時代在發展,社會在進步,面對競爭激烈的市場需求,匯春科技將不斷研發出符合市場需求的優質產品,為中國芯的崛起而奉獻出自己的一份力量。


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