芯片研發(fā)究竟有多難？

國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院博士扈嘯為您多維度講述—芯片研發(fā)究竟有多難？

■它體積微小，貌不驚人，卻集高精尖技術(shù)于一體。

■它作用非凡，應(yīng)用廣泛，是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基石。

■它事關(guān)國(guó)計(jì)民生與信息安全，牽動(dòng)著億萬(wàn)國(guó)人的心。

小小的它這般神奇

簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，芯片就是一種集成電路，它是通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)，把半導(dǎo)體器件聚集在硅晶圓表面上而獲得的一種電子產(chǎn)品。

芯片的奧秘之處，在于它可將多達(dá)幾億個(gè)微小的晶體管連在一起，以類(lèi)似用底片洗照片的方式翻印到硅片上，從而制造出體積微小、功能強(qiáng)大的“集成電路”。

芯片上的晶體管有多小呢？一根頭發(fā)絲直徑長(zhǎng)度能并排放下1000個(gè)，且相互之間能協(xié)同工作、完成指定的任務(wù)。

制造出來(lái)的芯片雖然只有指甲般大小，能耐卻大得驚人。它具有信息采集、處理、存儲(chǔ)、控制、導(dǎo)航、通信、顯示等諸多功能，是一切電子設(shè)備最核心的元器件。

在當(dāng)今信息社會(huì)，芯片無(wú)處不在，生活中凡是帶“電”的產(chǎn)品，幾乎都嵌有芯片。我們每天都離不開(kāi)的手機(jī)，里面的芯片就多達(dá)30個(gè)。如果沒(méi)有芯片，世界上所有與電相關(guān)的設(shè)備幾乎無(wú)法工作。

芯片不僅事關(guān)國(guó)計(jì)民生，而且涉及信息安全。一些西方國(guó)家出于自身利益考慮，將其視為一種貿(mào)易或戰(zhàn)爭(zhēng)的“武器”，輕則通過(guò)禁運(yùn)、限售等措施，制約相關(guān)國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，重則通過(guò)接入互聯(lián)網(wǎng)芯片的“后門(mén)”，進(jìn)行情報(bào)收集或?qū)嵤┚W(wǎng)絡(luò)攻擊。如前幾年發(fā)生的“棱鏡門(mén)”事件、某大國(guó)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)攻擊伊朗的核電站等，都與芯片有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。因此，芯片不僅是信息產(chǎn)業(yè)的核心，更是信息處理與安全的基石。

信息社會(huì)不可或缺

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，芯片應(yīng)用已延伸到社會(huì)的每個(gè)角落，融入生活的方方面面。從人們?nèi)粘Ｉ钍褂玫氖謾C(jī)、電腦、洗衣機(jī)，到工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)床、發(fā)動(dòng)機(jī)，再到航空航天領(lǐng)域的導(dǎo)航及星載設(shè)備等，哪樣都少不了芯片。

在軍事領(lǐng)域，先進(jìn)武器裝備、指揮信息系統(tǒng)，芯片更是不可或缺。如采集芯片可以使武器裝備擁有“千里眼”“順風(fēng)耳”，信息處理芯片能給武器裝備裝上“智能大腦”，通信芯片能將各種裝備與作戰(zhàn)單元連接起來(lái)進(jìn)行體系對(duì)抗，存儲(chǔ)芯片則能保存各種戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)而進(jìn)行作戰(zhàn)效能和毀傷評(píng)估，等等。芯片已成為影響戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素。

廣泛的應(yīng)用需求，推動(dòng)著芯片技術(shù)的迅速發(fā)展。隨著更好工藝的采用以及片上系統(tǒng)、微機(jī)電集成系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)步，芯片開(kāi)始進(jìn)入“自組裝”的納米電路時(shí)代，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。

應(yīng)用廣，市場(chǎng)就大。據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年1月至2月，中國(guó)和美國(guó)的芯片市場(chǎng)規(guī)模份額分別為33.10%和19.73%。中國(guó)雖然是全球最大、增長(zhǎng)最快的芯片市場(chǎng)，但許多高端芯片要進(jìn)口。

設(shè)計(jì)制造難在何處

芯片的設(shè)計(jì)制造是一個(gè)集高精尖于一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程，難度之高不言而喻。那么，究竟難在何處？

架構(gòu)設(shè)計(jì)難。設(shè)計(jì)一款芯片，科研人員先要明確需求，確定芯片“規(guī)范”，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關(guān)鍵信息，將電路劃分成多個(gè)小模塊，清晰地描述出對(duì)每個(gè)模塊的要求。然后由“前端”設(shè)計(jì)人員根據(jù)每個(gè)模塊功能設(shè)計(jì)出“電路”，運(yùn)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立模型并驗(yàn)證其功能準(zhǔn)確無(wú)誤?！昂蠖恕痹O(shè)計(jì)人員則要根據(jù)電路設(shè)計(jì)出“版圖”，將數(shù)以?xún)|計(jì)的電路按其連接關(guān)系，有規(guī)律地翻印到一個(gè)硅片上。至此，芯片設(shè)計(jì)才算完成。如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)，不能有任何缺陷，否則無(wú)法修補(bǔ)，必須從頭再來(lái)。如果重新設(shè)計(jì)加工，一般至少需要一年時(shí)間，再投入成百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)元的經(jīng)費(fèi)。

制造工藝復(fù)雜。一條芯片制造生產(chǎn)線(xiàn)大約涉及50多個(gè)行業(yè)，一般要經(jīng)過(guò)2000至5000道工藝流程，制造過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。制造芯片的基礎(chǔ)材料就是普通沙子，它如何變成制造芯片的材料呢？沙子經(jīng)脫氧處理后，通過(guò)多步凈化熔煉成“單晶硅錠”，再橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，即“晶圓”。這一過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，而在晶圓上制造出芯片則更難。首先要將設(shè)計(jì)出來(lái)的集成電路“版圖”，通過(guò)光刻、注入等復(fù)雜工序，重復(fù)轉(zhuǎn)移到晶圓的一個(gè)個(gè)管芯上，再將管芯切割后，經(jīng)過(guò)封裝、測(cè)試、篩選等工序，最終完成芯片的制造。值得一提的是，制造過(guò)程中還需要使用大量高精尖設(shè)備，其中高性能的光刻機(jī)又是一大技術(shù)瓶頸。如最先進(jìn)的7納米極紫外光刻機(jī)，目前只有荷蘭一家公司能制造，價(jià)格上億美元不說(shuō)，一年僅能生產(chǎn)20臺(tái)左右。

投入大、研制周期長(zhǎng)。一款復(fù)雜芯片，從研發(fā)到量產(chǎn)，要投入大量人力、物力和財(cái)力，時(shí)間至少要3至5年，甚至更長(zhǎng)。處理器類(lèi)芯片還需要配套復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，同樣需要大量人力物力來(lái)研制。美國(guó)英特爾公司每年研發(fā)費(fèi)用超過(guò)百億美元，有超過(guò)5萬(wàn)名工程師。

發(fā)展迅速、追趕難度大。自20世紀(jì)50年代末發(fā)明集成電路以來(lái)，芯片的集成度一直遵循摩爾定律迅猛發(fā)展，即每隔18個(gè)月提高一倍。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，芯片的性能和復(fù)雜度提高了5000萬(wàn)倍，特征尺寸則縮減到一根頭發(fā)絲直徑的萬(wàn)分之一。芯片領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家處于技術(shù)領(lǐng)先地位，芯片研發(fā)相對(duì)落后的國(guó)家，短時(shí)間內(nèi)追趕有難度。

“中國(guó)芯”正加速追趕

目前，全球高端芯片市場(chǎng)幾乎被美、歐等先進(jìn)企業(yè)占領(lǐng)。但加速研發(fā)國(guó)產(chǎn)自主芯片一直是政府、企業(yè)、科研院所的重點(diǎn)發(fā)展方向。近年來(lái)，我國(guó)在集成電路領(lǐng)域已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，芯片自給率不斷提升，高端芯片受制于人的局面正在逐步打破。

我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)終端芯片，已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，多次排名世界第一的“神威太湖之光”和“天河二號(hào)”，全部和部分采用了國(guó)產(chǎn)高性能處理器。國(guó)產(chǎn)手機(jī)、藍(lán)牙音箱、機(jī)頂盒等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，也開(kāi)始大量使用國(guó)產(chǎn)芯片。

11月9日，“2018中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)”在重慶舉辦，102家企業(yè)的154款產(chǎn)品參加本屆優(yōu)秀“中國(guó)芯”評(píng)選，“飛騰2000+高性能通用微處理器”等24款產(chǎn)品獲獎(jiǎng)，涵蓋從數(shù)字交換芯片到模擬射頻電路、人工智能芯片到指紋識(shí)別傳感器、工業(yè)控制到消費(fèi)類(lèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域。

這一系列進(jìn)步的背后，是國(guó)家高度重視和大力投入。2006年，國(guó)務(wù)院頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，2014年6月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，都對(duì)這一領(lǐng)域發(fā)展提出了部署要求。

隨著國(guó)家的大力扶持和一系列關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，“中國(guó)芯”正逐步縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，“中國(guó)創(chuàng)造”終將占領(lǐng)信息系統(tǒng)技術(shù)制高點(diǎn)，真正把競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展的主動(dòng)權(quán)掌握在自己手中。