美国对中兴的一纸禁令,便轻而易举的让中兴陷入绝境,泱泱大国,竟也摆脱不了对美的依赖。缺"芯"的命门显露无遗,不禁让我们深思,芯片真的那么难制造吗？
并非所有的芯片都很难制造其实,并非所有的芯片都很难制造。如果你回家随便拆开一个蓝牙音箱、机顶盒、冰箱洗衣机,你便会发现,里面的核心芯片大部分都是国产品牌。但不可否认的是,这些芯片大多应用于消费类领域。在对稳定性和可靠性要求很高的通信、工业、医疗以及军事的大批量应用中,国产芯片跟国际一般水平相比,仍然还有很大差距。
为什么芯片很难制造？为什么芯片很难制造,原因主要有两点：①试错成本高；②排错难度大。
1、试错成本高
做一个app,可以一天一个版本,有bug也没关系,第2天就可以修复,试错和修改的成本几乎为零；
做一个电路板,设计时长在1-30天之间,生产周期在3-14天之间,出错重新投板,试错费用在几百到几千之间,最多数万块钱；
而做一个芯片,不算架构设计,从电路设计到投片,最少半年；投片到加工,2-3个月；一次投片的费用最少也是数十万元,先进工艺高达一千万到几千万。
如此高的试错和时间成本,对成功率有着极高的要求,需要多个工种密切配合,延长流程,反复验证,团队中一个人出错,3个月后回来的芯片可能就是一块儿石头。修改一轮,于是,又三个月过去了。
2、排错难度大
互联网编个软件,调试程序可以在任意地方设置断点,查看变量实时状态或者做出记录；
硬件电路板上,几乎任何一根信号线都可以拉到示波器上看波形；
而一颗小小的芯片,上亿个晶体管,能测量到的信号线却只有十几根到几百根。凭借这少得可怜的信息,推理出哪个晶体管的设计错误,难度可想而知。
模仿也好,抄袭也罢,在互联网,我们有BAT可以和facebook/google过过招；在电子整机,我们有华为中兴可以对抗思科爱立信；但在IT行业里,独独芯片,我们没有跟美国抗衡的能力。
虽然芯片很难制造,但好在我们有一个华为。麒麟处理器已在华为手机上得到实现,还是高端的类型,虽说暂时还拼不过高通,但也占据了一地之席。
君不见,十年前华为研发芯片的时候,我们对它嗤之以鼻,而今,它却成了唯一的安慰。
为什么芯片很难制造？"试错成本高"和"排错难度大"便是最根本的因素,啥也不说了,中国加油！
你没见过芯片制造,就别低估制造芯片的难度,除了没有光刻机,还有更深层次的原因。
2020年,中国芯片进口额3800亿美元,占全部进口商品的18%；华为Mate40系列手机,因芯片供应受阻,被迫减产供货。
看到这样的消息,你或许会质疑,连北斗导航、嫦娥五号这样的顶尖科技,中国都实现了,为何偏偏做不出高端芯片？芯片制造真的这样难吗？
什么是芯片,有什么价值芯片是集成电路的简称,需要将数以亿的晶体管,按照预先设计的电路图,有序地实现布局。
芯片的出现,让电路的小型化成指数级发展,不仅让电子设备的体型更小,而且运算速度更快、耗能更低、可靠性更强。
我们可以做一个简单的对比,1964年,美国造出了世界第一台电子计算机,这个大家伙占地170平方米,比你家的房子还要大。
这台被命名为"埃尼阿克"的计算机,装有18000个电子管,每秒可运行5000次。
而如今一台普通的智能手机,虽然只有手掌这么大,但手机的内核芯片,晶体管的数量已多达数十亿个,运算速度高达数十亿次。
芯片被广泛地应用到智能手机、电脑、汽车,甚至卫星和火箭上。芯片的出现,为很多行业都带来了颠覆性的影响,也改变了现在人类的生活方式。
尤其是运算速度高达每秒亿亿次的超级计算机,发挥其运算速度的优势,能实现很多数据模拟和运算,而其价值的核心,就是芯片的完美呈现。
既然芯片如此重要,而且应用前景广泛,具备很强的科技和使用价值,为何我们自己却造不出高端芯片呢？
芯片制造,全是黑科技提到芯片,你可能会首先想到晶圆,这种用于芯片生产的关键原材料。不少人对晶圆有误解,不就是一堆沙子提纯吗,应该不会太难。
原理没有错,但芯片需要的纯度,却格外苛刻。之所有选择利用沙子提纯,得到生产芯片的晶圆,是因为硅是一种很好的半导体材料,而沙子的主要成分是二氧化碳,正好富含硅元素,而且价格便宜。
目前全球有能力生产晶圆的企业中,排在前十的仅有中芯国际一家,而且中芯国际目前仅能生产12寸晶圆。
排在前三位的,分别是韩国的三星、台湾省的台积电和美国的美光科技。仅凭中芯国际的产能,很难撑起国内半导体市场的巨大需求,目前晶圆的国产化率仅1%左右。
不过也有好消息,上海上海硅产业、中环股份已有能力生产12英寸的硅材料,相信晶圆的国产化也能很快到来。
石油不够可以进口,晶圆同样可以花钱买到,但纷繁复杂的芯片制造过程,才是芯片制造的核心技术。
沙子在经过净化和提纯后,会首先去除里面的镁、钙等杂质,随后加入碳进行还原,得到相对纯净的硅。
此时的硅纯度只能达到90%左右,依旧不能作为芯片的原材料。提纯之后,硅材料还要再次经过生产、成型等工艺,最终得到纯度高达99.9999%的高纯度硅棒。
有了硅棒之后,接下来就需要切片,就像切土豆片一样,需要将高纯度的硅棒切成薄片。
不过晶圆的切片,比切土豆要难太多,至于切片的过程,这里不做过多的分析,你只需要知道,晶圆需要被切割为厚度仅厚0.5-1.5mm的薄片。
经过切片之后,就能得到一张像光盘一样的单晶硅片,由于芯片的制造是纳米级,此时还需要对单晶硅片进行抛光处理。
抛光后的硅片,其表面平整度不能低于0.2纳米,即便是在显微镜下,硅片的表面依然光滑靓丽。
拥有了单晶硅片,芯片的制造才算正式开始,硅元素本身是一种半导体材料,芯片需要在硅片表面,形成数以亿计的电路和晶体管,为了避免相互干扰,此时需要对硅片进行二次处理。
单晶硅片的表面,需要分次铺上一层二氧化硅和氧化氮,为了保证均匀分布,往往采用真空沉淀法。接下来,就要用到芯片生产的另一种关键辅助材料,俗称光刻胶。
按字面意思理解,其实就是一种特殊的胶水,这种胶水在紫外线的照射下,会变得容易溶解,但在显影液中,它却又极其稳定,光刻胶在芯片电路的印刻中,发挥了很好的阻隔作用。
光刻胶目前也是国产芯片技术的难点,国产化率不足10%,而且光刻胶还分为i线光刻胶、KrF光刻胶、G线光刻胶等数个类别。
飞凯材料、南大光电、晶瑞股份这些企业,目前都在聚焦光刻胶的研发,为光刻胶的国产化努力。
涂上光刻胶的单晶硅片,依然是一片空白,接下来就需要将设计好的芯片电路图,印刻到硅片上。
芯片设计虽然是半导体行业的难点,不过海思半导体已提前攻克相关技术,具备世界一流的芯片设计技术,这里让我们再次为华为点个赞。
芯片上的电路错综复杂,凭人工印刻,几乎没有办法实现,即使在显微镜下手工刻制电路,产品的良率和效率都没法保证。
芯片制造中,采用的是光刻法,就是利用光线沿直线传播的固有特性,将电路图绘制到硅片表面。
不少人对日本的半导体发展历程都有些了解,你也必然听说过索尼、佳能这些相机企业,其实他们都曾为日本半导体的发展,做出了很大贡献,这其中的关键就是对光刻技术的贡献。
光刻就是利用掩膜和透镜,将电路图投射到硅片表面,这个过程有点像过去的投影仪,只不过设计会更加复杂。
掩膜分为透明和不透明,当紫外线照射到掩膜表面,通过透镜将电路图的比例缩小,这样一张完整的电路图,就完美地投射到硅片表面。
顺便提一下,光掩膜的国产化率也并不高,大约20%左右。
前面提到,光刻胶在遇到紫外线后,会变得很容易溶解,这样没有被掩膜遮挡的部分,就不会受到紫外线的照射,光刻胶就能完好保留。
而当紫外线经过透明部分的掩膜后,会直达硅片表面,与这部分区域的光刻胶直接接触。经过紫外线的照射,硅片表面形成了两种状态,一种是被紫外线照射过的光刻胶表面,另一种则是没有被紫外线照射过的光刻胶表面。
再将硅片放置到显影液中,被紫外线照射过的光刻胶,会迅速分解,这样硅片表面有一部分的光刻胶就会被溶解。
此时的硅片表面,又会变成两种状态,一种覆盖有光刻胶,而另一种则没有光刻胶,但整个过程都是在按芯片设计的规划进行。
接下来的过程将变得更加微观和细腻,清洗掉显影液和杂质后,硅片将被投放到一种腐蚀液中。
腐蚀液能快速溶解二氧化硅和氧化氮,但是光刻胶却又能很好的阻挡腐蚀液,经过腐蚀液的腐蚀后,硅片表面没有光刻胶覆盖的部分,硅会直接显露在表层。
为了起到绝缘的作用,此时会再将镀上一层二氧化硅。经过这些复杂的供需,芯片表面会形成有规律的凹凸不平,在进行粒子注入,填充凹下去的部分,芯片制造的光刻环节基本完成。
此时的芯片还不具备实用性,随后技术人员会将二氧化硅上开槽,并将铜和钨作为各个晶体管之间的导线。
就如同盖房子的管道一样,这些连接线会将数以亿计的晶体管相连,并具备电流连通性。
到这里,芯片的一层电路就完成制造,现在的芯片往往多达数层电路,后面的原理很简单,只需不断重复上面的操作即可。但电路层数越多,对芯片的制造要求就越高,原理相同,考验的是制造的精度。
完成所有电路的刻蚀后,将晶圆切割为需要的大小,并将引脚连接,用盖子封装起来,一块完整的芯片,才算制造完成。
芯片的制造原理并不复杂,但每道工序对技术和设备的要求都极为苛刻,曾有一种说法,即便把图纸给中国,我们也造不出光刻机,如此看来并不是完全没有道理。
芯片的整个制造过程中,最受关注的就是光刻机,也就是荷兰的ASML生产的设备,目前国产光刻机成品基本处于空白状态。我们也想买,可以别人不愿意卖,那就只能靠自研技术来解决。
目前全球先进的光刻机,大多被三星、台积电买走,为什么会卖给台积电。其实道理很简单,台积电是ASML的股东之一,有优先供货权。
国产芯片,只是时间问题看到这里,你脑子里或许只剩下一个概念,芯片制造太难了,别说没有光刻机,即便有了光刻机,也不一定能造出芯片。
先别着急否定自己,虽然芯片制造很难,我们也有很多短板,但我国依然是半导体行业佼佼者,除了中国,目前依然能在芯片制造领域突飞猛进的,恐怕很难再找出第二个。
在过去的2020年,半导体行业投入1400亿元,中芯国际、海思半导体等国产科技企业,依然在不竭余力地聚焦芯片制造。
有消息认为,中国将在2025年,基本实现芯片国产化,从此芯片将不再成为痛点,而将成为新的科技发展点和经济动力源。
芯片国产化后,手机和电脑将更加便宜,迭代速度将更快,再也不会出现高端手机,一机难求的局面,这样的盛况,你期待吗？
在2018年的芯片危机,以及美国对中兴和华为的找茬,让我们认识到了芯片的巨大价值,以及我国在芯片制造领域与美国的巨大差距。芯片真的很难制造吗？是的,非常难制造。
1、巨大的研发成本和投入芯片的投入非常巨大,而且时间非常的长,高通成立几十年在2017年的研发投入还有近90亿美元,也就是600亿人民币,连续投入了几十年。
芯片领域做的比较好的国产品牌华为,在2017年整体研发成本也是有900亿,分到芯片上的投入也是百亿水平。
无论是国家支持,还是风投支持,都很难持续的投入巨资来发展。
2、芯片研发难度太高芯片研发难度也非常高,而且无法跨越式发展,这就形成了一步落后步步落后的现状。只有攻破每个技术难题才有可能做出最新的芯片,这是最难的,所以别看高通已经做了7nm芯片,我们开始做芯片还要从40nm开始做,难度非常高。
3、芯片很难盈利芯片领域除了高通,联发科,华为,苹果,三星,本来也有其他的玩家,但是芯片太难盈利了,只有做成细分领域最好的才能发展。
而且芯片卖的越多才能摊平成本,否则就会持续亏损,这对于新玩家,是巨大的难度。
不过好在我们有华为芯片,代表中国芯片先进性。
你认为华为芯片有可能超过高通芯片吗？
