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天天談論芯片,你可知芯片究竟是什么?

發布時間:2021-6-18     來源:萬物智能視界    點擊率:128

人的頭發直徑是7萬納米,周長是22萬納米。用制程5納米工藝制造芯片,就好比沿著一根頭發修建4.4萬條公路。


2020年5月15日,美國發布對華為的芯片禁令,從此,芯片引起國人的廣泛關注。9月15日該禁令開始生效,臺積電、聯發科、高通、索尼、三星、SK海力士、美光等世界知名芯片制造商不能再為華為供應芯片。9月16日,中紀委在其官方網站發文稱“華為芯片斷供或是中國芯片產業涅槃的開端”。

我們天天議論芯片,你可知道芯片究竟是什么?

1.芯片的發明改變了人類生活方式  

1947年12月23日,美國貝爾實驗室3位科學家約翰·巴登、威廉·肖克利和瓦爾特·布拉頓發明了鍺晶體三極管,電子世界進入半導體時代。晶體三極管的3位發明人獲得1956年諾貝爾物理學獎。

20世紀50年代是半導體的黃金時期,幾乎所有的半導體材料和基本工藝都是在這一時期研發出來的。

1954年10月18日,美國德州儀器公司發明了晶體管收音機,這個有4只晶體三極管的收音機小到可以裝到口袋里。

1958年9月12日,德州儀器公司電子工程師杰克·基爾比(1923年-2005年)發明了集成電路,并在1959年成功制造出世界上第一塊集成電路,即芯片。該集成電路就是在一塊鍺片上蝕刻出PNP型晶體管(三極管)、電阻和電容,用外部導線把它們連接成電路。這塊簡陋的集成電路拉開了芯片產業的序幕,也把人類科技水平推向一個新的高峰,并徹底改變了人類的生活方式。

芯片制造技術的不斷進步讓單個晶體管價格大降。1959年,一塊芯片上有6個晶體管,折合每個晶體管10美元;1971年,一塊芯片上有2000個晶體管,折合每個晶體管0.3美元;2004年,一塊芯片上有上百億個晶體管,單個晶體管價格跌至十億分之一美元。芯片性價比的提高,讓芯片進入普通百姓家庭成為可能。

芯片可謂20世紀最偉大的發明,其他很多發明也建立在芯片的基礎上。今天,我們生活在一個被芯片包圍的世界里,沒有芯片寸步難行。

百姓日常生活離不開芯片,手機、電腦、智能手表等智能設備有芯片,光貓、路由器、U盤、儲存卡、移動硬盤等網絡設備和電腦外設有芯片,身份證、護照、銀行卡、購物卡、消費卡等隨身證件有芯片,電視、音響、投影儀、充電器、LED燈、電子秤、空調、冰箱、微波爐、電磁爐、熱水器等家用電器也有芯片,門禁、監控、太陽能電池等也需要芯片。如果誰發明一種代碼讓世界上所有的芯片失效,那人類生活將會停滯。

杰克·基爾比因發明芯片獲得2000年諾貝爾物理學獎。他也是手持計算器和熱感打印機的發明人?;鶢柋缺蝗朔Q作科學家時,他謙虛地說:“科學家是解釋事物的人,要有偉大的思想;而我是解決問題的人,就是個工程師,職責就是發明新工藝,制造新產品,而且還要從發明創造中賺錢?!?/span>

2.認識芯片必須首先了解“PN結”

從上文可知,在半導體材料上制作出二極管、三極管、電阻、電容等電子元件,再用導線把它們連接起來,這就是集成電路,也叫芯片。要想認識芯片,必須首先了解“PN結”,它是半導體技術的核心。

半導體材料摻入五價元素,電子濃度增大,形成N型半導體;半導體材料摻入三價元素,空穴濃度增大,形成P型半導體?!翱昭ā敝傅氖枪矁r鍵上的電子獲得能量后擺脫共價鍵的束縛成為自由電子后,在共價鍵上留下的空位。

P型半導體與N型半導體緊密接觸后,帶負電的電子和帶正電的空穴便向對方擴散;電子和空穴在擴散中導致接觸面形成內電場,內電場又阻止這種擴散,讓電子和空穴向回漂移。當電子和空穴的擴散速度和漂移速度達到動態平衡時,P型半導體與N型半導體的接觸面便形成“PN結”。

“PN結”的主要性能就是“單項導電性”。如果把P型半導體端作正極,N型半導體端作負極,電流便可通過PN結;如果把N型半導體端作正極、P型半導體端作負極,電流則不能通過PN結。計算機用二進位就是由“PN結”的性能決定的,電流通過“PN結”代表“1”,電流不能通過“PN結”代表“0”。

“PN結”就是二極管。如果讓兩塊P型半導體中間夾著一塊N型半導體,就構成三極管,也就是上文提到的PNP型三極管。當然,如果讓兩塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體,這就成了NPN型三極管。

普通人是看不到芯片“真身”的,芯片小如人的頭皮屑,大的也就像人的指甲蓋,因為它太單薄,必須封裝在密封的殼中才能連接到外部電路上。打開電腦、電視等電器,可以看到一塊很大的電路板,電路板上有很多電子元件,那些有多個引腳的電子元件就是芯片,這些引腳連接著芯片的輸入輸出端,有的在芯片封裝體的兩側,有的在四個面上,有的則是在底部成矩陣排列,密密麻麻,有1000多個引腳。


3.造芯片好比在一粒米上雕刻地球及所有道路建筑  

這里需要提及一個概念,那就是“摩爾定律”。1965年,世界著名芯片制造商美國英特爾公司的創始人之一戈登·摩爾提出,單片芯片上的晶體管數量會每年翻一番。后來他更正為每兩年翻一番。這一判斷經過實踐驗證基本正確。2011年,英特爾酷睿i7芯片上有22.7億個晶體管。目前,一些高端芯片上的晶體管數量超過數百億個。幾年前,半導體廠商Cerebras Systems用臺積電16納米制程工藝生產的AI芯片WSE,則集成了1.2萬億個晶體管!


“制程”指的是芯片上晶體管柵極寬度,我們可以把它通俗地理解成晶體管的大小。制程越小,在一塊芯片上制作的晶體管就越多,集成電路的規模就越大。

芯片運算速度不斷提高,得益于芯片的集成度越來越高。芯片的集成度越高,上面的電子元件就越小,各電子元件之間的導線也就越短,電流通過時用的時間隨之縮短,能耗減少,處理速度加快。

讓一塊芯片承載更多的晶體管,有三種方法,一是增加芯片面積,二是縮小晶體管體積,三是讓集成電路立體化。增大芯片面積一般不被考慮,因為這會增加能耗,降低芯片的效率?,F在,人們主要采取后兩種方法增加芯片上的晶體管數量。

芯片制造屬于微觀世界,上面的電子元件小到只有幾個原子或幾個分子大,要用更小的度量衡單位納米和埃來衡量。一般尺子上的最小刻度是毫米,1毫米等于1000微米,1微米等于1000納米,1納米等于10埃。人的頭發直徑是7萬納米,周長是22萬納米。用制程5納米工藝制造芯片,就好比沿著一根頭發修建4.4萬條公路。

縮小電子元件體積是有極限的,人們便考慮在一塊芯片上搭建多層集成電路來增加晶體管數量。這就好比是建居民住宅,平房容納的居民數少,蓋成幾十層高的樓房容納的居民數就多。集成電路的疊加要比蓋樓房復雜得多。樓房各層布局是相同的,而芯片各層電路是不同的,層與層之間的連接異常復雜。

我們再進一步比喻,制造芯片就像在一顆米粒上雕刻出一個完整的地球,而且還要把地球上所有的道路和建筑都要雕刻出來。道路就是芯片上的導線,建筑就是芯片上的電子元件。通過這個比喻,讀者便可想象,制造芯片該有多復雜,難度該有多大。

4.硅的提純是芯片產業的基礎

半導體材料很多,但在實際應用中,九成以上都選用硅,因為硅的熔點是1415攝氏度,可在芯片加工中允許高溫工藝。

硅是從沙子冶煉來的,但要把沙子冶煉成能制造芯片的硅,需要極高的純度。我們把純度是99.99%的金叫純金(4個9),但制造芯片的硅的純度至少要達到11個9,即每10億個硅原子里的雜質原子不得超過1個,這一純度的硅1955年美國貝爾實驗室就提煉出來了。目前一塊芯片上有數以千億計的電子元件,對硅的純度要求更高,至少為13個9,這是芯片制造的基礎,不掌握硅的提純技術,是不可能造出芯片來的!

讀者會問,為什么制造芯片的硅要求純度這么高? 芯片上的電子元件非常微小,如果用5納米制程工藝制造芯片,上面有1納米的雜質就會把整塊芯片廢掉。我們不妨打個比方。如果一條公路40米寬,公路中間有塊1米寬的大石頭,汽車可避開這塊石頭走,不會造成交通擁堵。但是,如果一條公路只有5米寬,公路中間有塊1米寬的大石頭,汽車就避不開這塊石頭了,這條公路就堵死了。

所以,制造芯片不但要求硅的純度高,還要求制造工藝的各個環節是無塵的,其純凈度是醫院外科手術室的10萬倍,甚至有一半的工藝是在真空環境下進行的。正因為如此,新冠肺炎疫情下芯片制造廠無需停工抗疫,因為工作人員從頭到腳全身防護,有的防護服甚至自帶呼吸系統,以防人體新陳代謝的脫落物和呼出的氣體污染芯片。

5.光刻機其實是集成電路投影儀 

“光刻機”這個名字翻譯不準確,很有誤導性,很多人誤認為光刻機通過物理接觸在晶體硅表面上“刻”出集成電路來,就像電腦刻字一樣。其實,芯片不是“刻”出來的,而是“照”出來的。所以,光刻機叫“集成電路投影儀”更貼切。

當制造芯片的晶圓進入光刻工藝階段時,光刻機通過掩模版把集成電路圖投影到晶圓表面的光刻膠上,光刻膠曝光后,通過化學藥液把曝光區域蝕刻,然后清洗,這樣,集成電路的圖形就出來了。光刻過程和傳統照相的照片沖印是一個道理,光線通過底片讓相紙感光,然后把感光的相紙放在藥液里顯影、定影。

一塊芯片要經過數十次甚至數百次光刻,光刻后的若干工藝還需要幾個星期,然后才能進入封裝階段。

芯片制造技術日新月異,但芯片制造的大多數核心技術出自貝爾實驗室,貝爾實驗室為信息技術革命所做的貢獻永垂青史。

7.有光刻機就能造芯片嗎?  

很多讀者對光刻機很感興趣,認為有了光刻機就能造出芯片來。其實不然,雖然光刻機在芯片制造中占重要地位,但它僅是芯片制造1000多道工藝中的一道而已,有了光刻機但如果沒能掌握其他工藝,照樣造不出芯片來。

1961年,美國GCA公司制造出世界上第一臺光刻機。目前,世界上有4個國家的7家公司可以制造光刻機,即荷蘭的阿斯麥爾,美國的英特爾、超科技半導體、魯道夫,日本的尼康、佳能,德國的速思微科。

上文已述,芯片產業的基礎是材料,也就是硅的提純,不掌握硅的提純技術,生產不出芯片級純度的晶體硅,造芯片就無從談起。

再有,芯片上有數以千億計的電子元件,這么龐大的電路靠人工是畫不出來的,必須使用電子設計自動化軟件EDA。EDA是諸多自然學科的綜合運用,由美國凱登、新思科技和明導三家公司壟斷。

EDA在芯片制造過程中起著決定性作用,芯片的功能和集成度,完全取決于EDA的設計能力。有了高純度硅和光刻機,卻沒有EDA或不會使用EDA,照樣造不出芯片來。

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