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芯片能够参与竞争的任何技术,最终都不可避免地成为失败者

撰文 | 魏少军
 
“我们每天都在接触芯片,但是我们看不见芯片,我们看到的只是一个整机。”
魏少军(清华大学集成电路学院教授)
 
大家好,我是来自清华大学集成电路学院的魏少军,今天我分享的内容是《小小芯片改变我们的生活》。一颗小小的芯片不仅是一个器件,而且还会持续地改变你我的生活。
 
什么是芯片?
 
目前,芯片已经成为一个非常热的话题。那什么是芯片呢?其实我们每天都在接触芯片,大部分时间都在和芯片做交互,但是我们看不见它,我们看到的只是一个整机。
 
例如,我们很多人都在用手机。如果我们离开手机,甚至不知道如何与别人交互,也不知道怎样查信息。但当我们拿到手机时却看不到任何的芯片,因为芯片在里面。
Iphone6手机部件及其电路板上的集成电路
 
手机里面有若干个电路板,电路板上有一些小小的黑色方块,我们称这些方块为集成电路。正是这些数量众多的集成电路,赋予了手机极其复杂的功能。
整机机柜(左)和电路板上的集成电路(右)
 
我们日常生活中还会接触一些整机的机柜。当我们打开机柜之后,可以看到里面一块块的电路板。电路板上这些黑色的小方块就是集成电路。
集成电路(左)和芯片(右)
 
集成电路就是我们所说的芯片的学名。不过,集成电路和芯片还是略有一点差别。我们把左图中集成电路的黑色封装材料去掉之后,才能看到右图中真正的芯片。
 
芯片是在半导体材料上构建的一个复杂的电路系统。晶体管是组成芯片的基本器件。晶体管很小,我们人类还无法用肉眼去观察它内部的工作原理,只能通过外部测试来推算它是如何工作的。
晶体管的符号(上)和基本工作原理(下)
 
为了讲清晶体管的工作原理,我举一个简单的例子。我们知道水电站都有大坝,大坝上有闸门,大坝里面有发电机。当闸门打开时,水流冲下来促使发电机发电。通常在闸门上有一个功率较小的电动机,用来控制闸门的关闭和打开,从而控制大坝里面发电机的发电。与发电机的功率相比,电动机的功率较小,用小功率的电动机控制这个闸门的开关,就可以让发电机发电。在水流最大的时候,发电机的发电量最大。因此它就起到了放大作用。
 
当闸门全部打开时,发电机的发电量达到最大,我们用1来表示。当闸门全关上,没有水流时,发电机不发电,我们用0来表示。借助这样的方式,我们实现了晶体管的基本原理。
 
晶体管有各种各样的型号,分别由不同的材料组成,例如双极型的晶体管和金属氧化物半导体(MOS)的晶体管。上图中列出了几种晶体管的符号,今后大家如果看到这些符号,就可以知道这是晶体管。
 
晶体管只有70多年的历史。在晶体管出现之前,我们用的是电子管,它是个真空管。
电子管
 
上图是直径为2-3厘米,高度为5厘米的电子管。电子管的下面有一个阴极,把它加热之后会向上发射电子,上面有一个阳极收集电子,中间的栅极负责控制电子通过量。栅极相当于闸门,电子束相当于水流。
第一台电子计算机ENIAC
 
1946年2月,在美国宾夕法尼亚大学诞生了第一台电子计算机ENIAC。这台计算机用了17500只电子管,重量有30吨,占地面积很大,耗电量达174千瓦。
 
这台电子计算机可以完成每秒钟5000次的加法,在当时来说速度非常快。但是,这台电子计算机存在一个大问题:机器平均每7分钟就要烧坏一只电子管,因此它的使用效率非常低。原因在于电子管在高温、高压、高热的情况下工作,可靠性非常差。为了长期稳定使用计算机,我们急需找到一个能够代替电子管的器件。
 
1947年,在美国的贝尔实验室,三名科学家发明了晶体管。它很小,像一颗黄豆那么大,功耗很低,也不发热,使用寿命可达十几年。
晶体管发明人肖克利(W. Shockley)、巴丁(J. Bardeen)和布莱坦(W. Brattain)(左),晶体管原型(中)以及世界上第一台晶体管计算机TRADIC(右)
 
1954年,美国贝尔实验室利用晶体管构建了一台晶体管计算机,我们称其为第二代计算机。这台计算机耗电只有100瓦,可以完成每秒钟100万次的运算,运算速度远远快于第一代计算机。
 
这台晶体管计算机仍然存在一个问题:它有很多焊点,在高温和机械震动很强的情况下,它的可靠性依然不好。因此人们急需找到另外一种器件,能够进一步缩小体积,提高可靠性。
基尔比(Jack Kilby)和他发明的集成电路原型
 
4年后的1958年,在美国德州仪器公司的年轻工程师杰克·基尔比(Jack Kilby)发明了集成电路的理论模型。
诺伊斯(Bob Noyce)和掩膜版曝光刻蚀方法制造的集成电路
 
1959年,鲍勃·诺伊斯(Bob Noyce)创造了掩膜版曝光刻蚀方法,用来生产集成电路。
第一台集成电路计算机IBM360
 
到1964年,IBM公司用集成电路构建了世界上第一台集成电路的计算机,也称为第三代计算机。这个计算机有大、中、小共6个型号,涵盖了科学计算和事务处理两方面的应用,像一个罗盘一样能够360度全方位使用。因此,它起名为IBM360。这台计算机与之前的计算机相比最大的特征,就是从军用为主转向了民用为主。
泰德·霍夫(Ted Hoff)(左)和世界上第一款微处理器——英特尔4004(右)
 
1970年,英特尔公司的一位年轻科学家泰德·霍夫(Ted Hoff)主持设计了世界上第一款微处理器——英特尔4004。
 
关于英特尔4004,还有一个小小的插曲。当时的微处理器并不是为了计算机,而是为日本人的计算器设计的。英特尔公司设计好4004之后,就把微处理器交给了日本公司。按照当时的规定,出钱的公司拥有知识产权和技术,因此世界上第一个微处理器的产权属于日本人。
 
日本人觉得微处理器很好,但是又很后悔。他们没有掌握升级技术,每次升级都要花钱去找英特尔。每次还要花钱,觉得很不合算,于是就把微处理器还给了英特尔。英特尔公司非常高兴,为什么呢?因为英特尔公司把微处理器交给日本人之后,他们也很后悔,认为这么好的东西交给日本人实在太遗憾了,所以日本人把东西交回来时,英特尔公司喜出望外。
 
从那以后,英特尔公司的主攻方向从半导体存储器转向了微处理器,发展成了一家伟大的公司。
第一台IBM PC
 
又过了10多年到1981年,IBM公司宣布第一台IBM PC诞生,它用的是英特尔的微处理器。我们今天使用的个人计算机(PC)包括笔记本电脑,都是从IBM PC派生出来的。个人计算机改变了计算机的使用,从IBM360那样主要面向商用,变成了主要面向家庭和个人。
 
现在,计算机已经深入到我们生活的方方面面,并且存在两个极端。
神威·太湖之光
 
一个极端是大型的超级计算机,例如中国的神威·太湖之光。它曾经四次蝉联全球超级计算机Top500的第一名,具备非常高的运算速度,每秒钟可以完成12.5亿亿次运算。
iphone12
 
另一个极端是手机,例如iphone12使用的A14的处理器每秒钟运算次数可达到11.8万亿次,这也非常惊人。要知道在1969年,美国航天局把宇航员送上了月球。当时他们所拥有的所有的计算能力都不如我们今天的一部手机。
 
我们经常开玩笑,美国人用那样的计算能力把宇航员送到了月球表面,但是今天我们拿着手机来打游戏,或者做一些看起来微不足道的工作。但这就是技术的进步。
戈登·摩尔(Gordon Moore)(左)和罗伯特·登纳德(Robert Dennard)(右)
 
谈到集成电路的发展时,有两个人我们不得不谈。一个是戈登·摩尔(Gordon Moore),他在1965年的一篇论文中提出了著名的摩尔定律。他通过观察,预测到集成电路的集成度大概每过一年翻一番,后来又修改为每过18-24个月翻一番。
 
过了将近十年的时间,人们在回顾这篇论文时,惊奇地发现摩尔预测的非常准。于是,人们产生了另外一个疑问,我们应该用什么样的方法延续这样的发展速度,每年都能让集成度翻番。
 
1974年,IBM的科学家罗伯特·登纳德(Robert Dennard)在论文中写道,按照他的方法,就可以一直延续摩尔定律。他提出的正是等比例缩小的方法,该方法讲的就是如何去实现摩尔定律。登纳德定律和摩尔定律合称为摩尔定律。
 
说到摩尔定律,只需要记住三件事:每代工艺与上一代相比,在面积不变的情况下,晶体管的数量翻一番;或者在晶体管数量不变的情况下,面积可以缩小到原来的二分之一;它的速度提升40%,功耗下降50%。我们称之为PPA,即Performance,Power,Area。只要你知道PPA,就表明你是了解集成电路的。按照这样的发展速度,每18个月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的发展速度。
单个芯片上的晶体管密度指数攀升
 
我们可以看到,从250纳米到5纳米,单位面积上可以集成的晶体管数量急剧上升。在250纳米时,我们可以在一个平方毫米的面积上集成11.2万个逻辑门。一个逻辑门相当于4个晶体管,11.2万个逻辑门相当于45万只晶体管。到了16纳米的时候,我们可以在一个平方毫米的面积上集成大概400多万个逻辑门,即大概1500万个晶体管。而到了5纳米时,我们可以在一个平方毫米的面积上集成2800万个逻辑门,即1亿多个晶体管。
 
一个平方毫米的面积,相当于一个芝麻粒大小。今天一颗芯片可以做到500个平方毫米,也就意味着我们可以在单个芯片上集成500多亿只晶体管。全人类一共80多亿人,每生产一颗芯片可以给全人类每个人分几只晶体管。所以我们的集成度非常高,这样高的数量意味着这个系统异常复杂。
 
摩尔定律揭示了生产当中不断发展的现象,如果它按照2的N次方继续发展,会对社会带来怎样的影响?
 
2015年4月19日,在摩尔论文发表的50周年,人们在硅谷举办了一个纪念会,邀请摩尔前来参加,同时也邀请了两位嘉宾。
一位嘉宾是加州理工的教授卡弗·米德(Carver Mead),他说:“摩尔定律不是一个物理定律,它是人类本性的一个定律。人们知道什么在物理上是可以实现的,而且对之深信不疑。”这句话非常有哲理。卡弗·米德认为人们相信某件事可行时就会努力去做。因此,摩尔观察到现象,但真正实现摩尔定律的是全体的从业人员,是我们全人类。
 
另外一位嘉宾是英特尔公司的前高级主管比尔·戴维德(Bill Davidow),他说:“社会和经济变革是巨大的。在50多年前传递信息不仅缓慢,而且非常昂贵。因此,我们把人们移动到距离信息近的地方。”
 
这句话的意思是说,过去我们要到超市去买东西,但是不知道超市里有什么东西,该怎么办?我们就需要亲自去超市进行选择,即把人移动到离信息很近的地方。但是,借助电子商务的发展,我们可以把信息移动到人们所在的地方,通过手机下单把东西移动到家里。
 
因此,比尔·戴维德说:“由于摩尔定律,我们将会重建所有的物质性基础设施。”
 
大家平时可以观察到,有些大商场慢慢消失了,或者退化成娱乐中心,原因是电商的出现导致整个社会形态发生变化。这背后真正的驱动力是信息技术,而信息技术最重要的基础就是半导体技术,即晶体管的发展。所以摩尔定律的社会意义是非常深远的。
 
这件事情只发生在半导体产业中,如果发生在其他领域,变化可能就更大了。到目前为止,没有任何其他的产业和技术,能够像半导体技术一样,按照摩尔定律在半个世纪中持续发展。
 
我做了一个简单的计算,假如同样的事情发生在汽车上会怎么样?那今天汽车的速度就会达到每小时930万公里,比第三宇宙速度快了30倍;每百公里油耗只有0.6纳升,1纳升是10-9升,大概相当于一个唾沫星子,就可以跑100公里;最恐怖的是,这个车可以乘坐680亿个人。真要有这样一辆车的话,全世界的人上车都来不及。
 
芯片“杀手”
 
不仅如此,芯片的出现还改变了社会的很多方面,我称其为芯片“杀手”。
什么叫做芯片“杀手”呢?这是因为芯片“杀死”了很多东西。首先是曾经在我们生活当中扮演重要角色的胶卷消失了。胶卷的主要生产商是柯达公司,成立于1880年,但是在2012年申请了破产保护。它为什么会申请破产保护呢?因为胶卷没人买了,数码相机甚至手机的出现逐渐扮演了胶卷的角色。
 
在100年前的1921年,伟大的科学家爱因斯坦因为发现光电效应获得了诺贝尔奖。1969年,Boyle和Smith两位科学家开发了第一个电子成像技术,叫做电荷耦合器件CCD。
 
1991年,柯达公司发明了世界上第一款数码照相机,价值高达13000美元,重量5公斤。柯达公司认为数码照相机价格太贵了、太重了,不可能成为大家都接受的东西,所以把它锁到箱子里,并没有去生产。
 
但是,没想到由于半导体技术的迅速发展,不到10年的时间,很多卡片式的数码相机进入到千家万户,胶卷逐渐失去市场。
 
在发明CCD的40年后,2009年,Boyle和Smith两位科学家获得了诺贝尔物理学奖。
 
今天主要使用的成像技术是CMOS图像传感器,简称叫CIS。这样的图像传感器我们每个人的手机上最少有一个,多的有三四个。它所带来的产业每年产值有上百亿美元。今天胶卷只存在于一些特殊的行业,我们已经很少用到,甚至很多人都没有见过胶卷了。
第二个是机械钟表的消失。我们很多人都不会戴机械手表,而是选择电子表,甚至可能连电子表都不戴,拿一个手机就可以看时间了。发明于15世纪的机械钟表,从纯粹的计时功能来看已经没有存在的必要。像电子表的电子计时的功能,早在上世纪的1971年就被发明出来了,“杀死”机械钟表的也是芯片。
磁芯(左),磁盘(中)和磁带(右)
 
第三个是磁存储的消失。最早的计算机使用的并不是半导体存储器,而是磁芯存储器。1979年我第一次接触计算机的时候,使用的就是磁芯存储器,只有64K的内存。今天的笔记本电脑基本上都是4G以上的内存,和当时相比已经发生了翻天覆地的变化。
 
20年前,计算机也用到了很多磁盘,包括软的磁盘和硬的磁盘。现在的计算机也慢慢较少用到磁盘,而大量使用了固态硬盘,即半导体存储器组成的硬盘。
 
之前我们还用到的各种磁带,包括收录机上的磁带、随身听上的磁带和录像带,也慢慢地从生活中消失了。因为我们有了各种数码产品。
NEC发布的最早的静态随机存储器
 
为什么磁存储会消失?原因是我们用芯片来替代磁存储。
 
英特尔公司创立初期主要是生产半导体存储器。早在1966年,日本的NEC公司就发布了静态随机存储器,这个存储器改变了世界。
 
我们今天用到的半导体存储器既不值钱,又非常值钱。它的造价非常贵,但是我们可以花几百块钱就买几个G,因此又很便宜。当存储容量不够时,我们买一个内存条插进去就可以解决问题,所以“杀死”磁存储的又是芯片。
过去40年消失的东西
 
过去40年里,我们有太多的东西逐渐消失了。曾经人人都有科学计算器,今天已经没有人在用了。我们曾经骗家长说学英文、其实是听音乐的随身听,现在也已经消失了。我们曾经用便携式摄像机给孩子录像,记录他们的成长过程,现在也逐渐淡出人们的视线。还有个人助理、MP3、卡片式照相机、磁带录像机、GPS导航仪以及电子词典等等,这些东西都消失了。它们都进了手机,而手机的体积并没有发生根本性的变化。因为芯片太强大了,而且越来越强大。每过18个月,它的容量就翻一番,功能也就越来越强大。
 
因此,我们总结了一句话:芯片能够参与竞争的任何技术,最终都不可避免地成为失败者。如果发现某项技术已经被芯片做了,我们千万不要再去做,因为它最终会被芯片战胜,它一定成为失败者。
 
芯片的“极限”
 
芯片发展至今已经有60多年了,它有没有极限呢?有一天它会不会退出历史舞台呢?我认为任何事物的发展都有极限,不过我们离这个极限还很远很远。
 
现行的科学技术还是有极限的,半导体现有技术遇到的第一个极限就是物理极限。
栅极氧化层示意图(左)和扫描电镜图像(右)
 
目前半导体在不断地在做小,尺寸已经缩小到了纳米量级。尺寸达到纳米量级之后,最大的问题是我们很难避免漏掉电子,就像筛子做得不够密会导致很多东西掉下去。半导体的主要材料——栅极氧化层是尺寸最小的一层物质,只有1.5纳米。当真正做到1.5纳米时,电子会穿过它漏下来,产生漏电现象,无法进行控制。这个可能是现行技术能够达到的最小尺寸,但不是最终尺寸,我们还有很多新技术可以解决这个问题。
 
半导体现有技术的第二个极限是功耗极限。如果不对功耗加以控制,手机电池耗电极快,几分钟就要充一次电。由于技术的不断发展,现在的手机可以一天充一次电,其实我们最理想的状态是一部手机一个星期充一次电就好。如果智能手机的电池功耗能够达到这种状态,我们的生活会方便很多。
20世纪90年代预测的芯片功率密度的增长趋势(左)和功率密度的实际增长情况(右)
 
在提供大量功能的同时,半导体自身也需要耗电。我们用能量密度,或者功耗密度,来表征它的功耗情况。家里用的电熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦,它运行起来很烫,能将我们烫伤。早在上世纪的90年代,半导体的功耗密度就已经超过了每平方厘米10瓦,比电熨斗还烫。如果当时我们没有发展任何新技术,到2005年可能功率密度就会达到每平方厘米100瓦。但是,经过20年的技术发展,半导体的功能在不断提升,功耗并没有明显的上升,这是非常重要的进步。
工艺节点发展路径
 
半导体现有技术的第三个极限是工艺、器件和材料。今天我们往往用多少纳米来表征集成电路的先进性。世界上最先进的大概是7纳米,目前在大批量量产,很快5纳米也会量产,我们国家也实现了14纳米的大批量生产。在生产过程中出现了很多不同的节点,每次缩小到原来的0.7倍,以此一直不停地前进。
不断演进的晶体管结构
 
在发展过程中,最基础的器件是晶体管,晶体管也在不断演进。最左边是前一代晶体管,即平面型晶体管。平面型晶体管的硅上有条沟道,两端是源和漏,上面通一个栅极来控制沟道的电流是否通过。随着体积变小,源和漏逐渐靠近,电子跑得很快无法控制,怎么办?
 
于是我们发明了鳍式晶体管,也称为FinFET。FinFET中间有一个像鱼鳍一样提起来的东西,用栅把它包起来,三面环栅,就有了比较强大的电场,可以控制电子能否通过。
 
但是到了5纳米时,鳍式晶体管也行不通了。我们需要做一个全包围栅的晶体管,用一个全包围栅把沟道全围起来,叫做Gate-All-Around(GAAFET)。
 
平面型晶体管在22纳米时出现了换代,鳍式晶体管在5纳米时也会出现换代,5纳米之后将出现全包围栅晶体管。所以晶体管结构在不断地变化发展。这种变化背后有很多的科学技术,其中最重要的是半导体材料的创新。
半导体使用的元素周期表中的元素
 
上世纪80年代,半导体材料只用到了门捷列夫元素周期表中蓝色标记的少量元素。新世纪之后,半导体材料的应用扩展了很多,大量的元素都被半导体用到。半导体的发展并不是简单地只用一种材料,而是会用到多种材料。所以,探索新型的半导体材料,成为今天晶体管发展的非常重要的技术路径。
5/45/32/22/14/10nm CMOS工艺步骤数
 
把东西无限缩小的工艺复杂度是非常高的。到65纳米时,我们大概需要走900步;到了10纳米时,我们大概需要走3300步。每步走一小时,也需要3300个小时才能完成。
 
这些工艺步骤数决定了生产周期的长短,今天的集成电路不可能在几天之内就完成生产,而是需要几个月甚至更长的时间才能完成生产。这几个月中不能出现任何差错,否则整批报废,就要重新开始。所以它是一个生产管理高度复杂、高度精密的技术。
 
半导体现有技术的第四个极限是经济的可行性。任何好的技术如果没有经济的可行性,那就达到了它寿命的终结点。
新建半导体制造厂成本
 
在上世纪,我们估计到2010年时建一个集成电路厂大概要花500亿美元,相当于当年销售市场的10%,这是代价非常昂贵的事情。幸好科技的发展没有让我们失望,我们的实际开销大概是100亿美元左右,节省了400亿美元。
 
即便如此,我们的花费仍然是一个天文数字。例如,在65纳米时,达到的盈亏平衡要投25-30亿美元。在14纳米时,我们花费的100多亿美元就达到了美国一个核动力航母打击群的建造费用。到7纳米时,我们要花费140-160亿美元。到5纳米时,大概要花将近200亿美元。
 
大家可能会疑惑,如此高昂的造价,我们是建一个核动力航母打击群,还是建一个集成电路制造厂?这是我们经常被问到的一个问题。
 
如果建一个集成电路制造厂,后面还要继续投入,所以集成电路厂的建造非常昂贵。正是因为建造成本的高昂,使得芯片也在慢慢变贵起来了。
芯片不再便宜
 
在28纳米之前,半导体的价格一直在走下行的通道,所以前几年会感觉手机价格很便宜,我们经常隔半年就换一部手机。但是,这两年一部手机高达几千块钱,可能很少有人频繁地换手机了,这部分是因为芯片价格的上涨导致手机越来越贵。
 
我们按照百万逻辑门,即400万个晶体管,作为一个基本单位计算芯片价格。在28纳米时,它是1.4美元;到16-14纳米时,它是1.62美元,价格已经开始上升;现在到5纳米时,它的价格上升很快。所以今后半导体不会很便宜,电子产品也不会很便宜,这是生产规律所决定的。
越来越少的制造资源
 
由于需要数额巨大的投资,所以集成电路的制造资源越来越少。现在全世界进入7纳米的生产线只有三星、中国台北的台积电、美国的格罗方德和英特尔四家公司。事实上英特尔应该是10纳米,它指的密度相当于7纳米。
 
今后如果全球只有两家公司在做半导体最先进的工艺时,我们想要拥有这个产能就非常难。这就是为什么我们中国也要大力发展半导体的根本原因。
 
如何制造一块芯片?
 
那么,我们如何制造一块芯片呢?制造芯片是人类历史上最为复杂的制造工艺。集成电路一般分成五大版块,包括设计、制造、封装测试、材料和装备。
集成电路产业的五大板块
 
通常我们讲集成电路主要是指设计、制造和封测。最近几年情况发生变化,我们把材料和装备也纳入集成电路的范畴。
 
很多人可能不了解什么叫设计、制造和封测,我用一个简单的例子来类比,虽然不是很准确,但是我们可以大概理解其中的内容。
设计、制造、封测三业相对独立的产业生态
 
集成电路的设计相当于一个作家在写作,它是一个创作的过程,是一个知识产权密集的过程,也是一个人才密集的过程。
 
作家写作完成之后需要印刷。这个印刷厂需要进行非常精密的印刷,字印得很小又很清晰,还能成千上百地印刷,中间不走样。这就相当于集成电路的制造。它是规模化制造导向、设备密集、投资密集和专利密集的产业。
 
书本印刷之后需要装订,避免书本散架,装订过程中需要用到的材料还要防止磨损。装订也是一个非常重要的工作,需要检查装订是否正确、整齐,这就相当于集成电路的封测。因此,写作、印刷、装订基本上对应了设计、制造、封测。
集成电路芯片结构示意图
 
芯片的制造高度复杂。如果我们打开一个芯片,会发现芯片里有几十层异常复杂的东西,包括介质层、存储器、互联、接触孔和晶体管等等。
 
我们用什么方式来建造如此复杂的芯片呢?芯片是靠一层一层的掩模板曝光刻蚀技术来建造的,这是鲍勃·诺伊斯发明并且沿用至今的技术。
集成电路芯片制造工艺流程示意图
 
真正去看集成电路的制造工艺,如果从单晶开始考虑的话,它经过的步骤非常长。从拉单晶、磨外圆、切片、倒角到最后引线键合、模塑、切筋成型、终测等等,这是一个非常长的产业链,它涉及到了材料、装备、设计、制造和封测等几乎每个环节。
光刻工艺示意图
 
这中间最重要的是光刻,光刻怎么做呢?
 
我们举个简单的例子。我们有个晶圆片,在晶圆片的上面做一个氧化层。氧化层可以帮助我们阻挡一些不该进入到硅片的东西。蒸了一层氧化层后,就要在氧化层上涂一层光刻胶。在光刻胶上方放置掩膜版。光源从上面照下来,把掩膜版上的图形映射到涂了光刻胶的硅片上。随后去做显影,去掉暴露在光线里的光刻胶,只留下阴影挡住的那一块,即图中的L形。然后做刻蚀,把下面的氧化层刻掉。最后去掉L形上面的胶,这时就有个L形停留在硅片上面,这就是光刻技术。
 
这里我只简单展示了光刻技术中的七个步骤,如果加上清洗等环节,一层光刻过程可能包含十几个步骤。
集成电路的工艺节点和掩膜层数
 
我们今天的芯片制造可能会涉及到很多层,例如,在7纳米时候曾经高达到85层。优化之后,到7nm+时我们只有75层。但是到5纳米时,我们又回到80层。
 
每一层都含有几十个简单的步骤,相乘之后,我们的制造就会有极多的步骤。例如,在10纳米时,我们就会有3000步。所以我们常用层数来表征制造的复杂度。如果制作1层需要1天的时间,那么我们制作5纳米就需要80天,所以集成电路需要很长的时间去制造。
 
我们的中国“芯”
 
那我们国家的芯片发展得怎么样呢?
全球半导体市场分布情况
 
首先,中国是全球最大的单一半导体市场。2020年,我们中国使用的芯片价值1515亿美元,占比是35%。全球生产的芯片每三块中就有一块是被中国消费的。
中国集成电路产业链各环节发展情况
 
中国自己生产的集成电路并不是太多,在行业中最主要的是设计。我们去年的芯片设计产值一共是3778亿人民币,相当于约540亿美元。我们的增长速度非常快,在过去的十几年中,我们的设计提升了将近45倍,制造提升了将近14倍,封测提升了9倍。而同期全球的增长速度远远低于我们。所以,在新世纪以后,半导体芯片在中国的发展是非常快的。
中国芯片设计产业发展情况
 
从2004年到2020年,我国的芯片设计产业快速发展,年均复合增长是27.1%。这意味着我国芯片设计产业连续16年增长27%,增长速度非常快,每隔三五年就能翻一番。2014年以后,我国的芯片设计产业已经达到了相当大的规模,年均复合增长率仍然在保持在两位数,大概在25.2%。
中国芯片制造产业发展情况
 
前些年我们的芯片制造业发展速度不够快,过去16年的年均复合增长率是18%,但是最近的五六年在加速发展,已经达到24%。
中国芯片封测产业发展情况
 
我们的芯片封测业曾经是这个行业中规模最大的产业,虽然发展速度不是最快的,但是它长期主导着这个行业。它的年均复合增长率在15%左右,近些年发展速度有点放慢,基本在12.2%。
中国半导体装备产业发展情况
 
我们的芯片装备制造业也在迅速增长,现在年均复合增长率达到25%。
中国半导体材料产业情况
 
我们的芯片材料业起步非常晚,过去十年我们才慢慢起步,增长速度还不够快。
 
但是可以看到,我国拥有比较完整的产业链,有半导体产业链里的所有内容,尽管发展水平还不够高。
芯片产品全球市场占有率稳步提升
 
2004年,我们的芯片产品在全球市场的占有量只有0.58%;2020年,我们的全球市场的占有量达到了12.7%。之前提到,中国是最大的单一半导体市场,占世界市场的35%。按价值计算,我们只能满足12.7%,还有20%多就要完全靠进口,因此中国芯片进口量非常大。
中国企业进入全球前十
 
中国的企业进步也很快,我们在芯片设计、制造和封测都有企业进入了相关领域的前十位。设计企业有两家,代工企业有两家,封测企业有三家。
中国芯片的进出口情况
 
由于我国的芯片生产无法满足国内市场,因此我们芯片的进口量很大。从2013年开始,我们的进口芯片价值超过2000亿,2018年超过了3000亿,之后一直维持在3000亿以上。2020年我们的进口芯片价值达到了3500亿。
 
大家可能会疑惑,全球一共产了4000多亿的芯片,中国进口了3500亿,使用了1500多亿,剩下的2000亿进口去哪儿了?
 
这2000亿装到整机中又出口了。中国是世界工厂,一方面自己消费很多芯片,同时我们也给世界生产的很多整机也用到了很多芯片。如果今天中国不再生产整机,全世界的芯片厂家就无法卖出芯片,便会产生灾难性的结果。
高端芯片产品对外依存度很高
 
但也要承认我国是一个起步比较晚的国家,在芯片上仍然有很多短板,在高端芯片上还有很多是依赖国外的。但我们确实在不断地进步,上面这张表格中的数字这些年在不断提升,但是还有一些部分的市场占有率数字小于0.5。这并不意味着我们没有,只是我们还不能够在市场上占有重要的地位,这也是我们努力的方向。总而言之,高端芯片还没有摆脱对进口的依赖,这也是近两年我们为什么如此关注芯片的缘故。特别是在国际形势发生变化的时候,芯片带来的一些痛处,让我们非常难受,我们要加速努力。
 
今天我的分享到此结束,谢谢大家!
 
本文经授权转载自微信公众号“格致论道讲坛”,原标题为《芯片能够参与竞争的任何技术,最终都不可避免地成为失败者 | 魏少军——科学讲坛》。
 



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