芯(xin)片,以儲量最豐富成本最廉價的二氧(yang)化硅為原(yuan)料,成就了這個星球的科技(ji)之(zhi)巔,頒一枚最佳(jia)逆襲(xi)獎,實至(zhi)名歸!
芯片原理和量子力學
很多文盲覺得量子力學只是物理學家的數學游戲,沒有應用價值,呵呵,下面咱給計算機芯片尋個祖宗,請看示范:
導(dao)體(ti),咱能理(li)(li)解(jie);絕(jue)緣體(ti),咱也能理(li)(li)解(jie);小盆友們(men)第一次被物理(li)(li)整懵的,怕(pa)是半導(dao)體(ti)了,所(suo)以先替各位(wei)的物理(li)(li)老師把這債還(huan)上。
原子(zi)組成固(gu)體(ti)時(shi),會有很多電子(zi)混到一(yi)起,但量子(zi)力學認為,2個相同電子(zi)沒法待在(zai)一(yi)個軌(gui)道(dao)上,于是(shi),為了(le)(le)讓這些電子(zi)不在(zai)一(yi)個軌(gui)道(dao)上打架,很多軌(gui)道(dao)就(jiu)分裂成了(le)(le)好幾個軌(gui)道(dao),這么(me)多軌(gui)道(dao)擠(ji)在(zai)一(yi)起,不小心挨得近了(le)(le),就(jiu)變成了(le)(le)寬寬的大軌(gui)道(dao)。在(zai)量子(zi)力學里,這種細軌(gui)道(dao)叫能級,擠(ji)在(zai)一(yi)起變成的寬軌(gui)道(dao)就(jiu)叫能帶。
有些(xie)寬(kuan)軌道(dao)擠滿了(le)電(dian)(dian)子(zi)(zi),電(dian)(dian)子(zi)(zi)就(jiu)沒法移動(dong)(dong),有些(xie)寬(kuan)軌道(dao)空曠的很(hen),電(dian)(dian)子(zi)(zi)就(jiu)可自由移動(dong)(dong)。電(dian)(dian)子(zi)(zi)能移動(dong)(dong),宏(hong)觀(guan)上表(biao)現為導電(dian)(dian),反過來,電(dian)(dian)子(zi)(zi)動(dong)(dong)不(bu)了(le)就(jiu)不(bu)能導電(dian)(dian)。
好了,我們把事(shi)情說(shuo)得簡單一點(dian),不(bu)提(ti)“價帶(dai)(dai)、滿帶(dai)(dai)、禁帶(dai)(dai)、導帶(dai)(dai)”的概念,準備(bei)圈重點(dian)!
有(you)些滿軌(gui)道(dao)和(he)空(kong)軌(gui)道(dao)挨的(de)(de)(de)太近(jin),電子可(ke)以毫不費(fei)力從(cong)滿軌(gui)道(dao)跑到(dao)空(kong)軌(gui)道(dao)上,于是就能自由移(yi)動,這就是導體(ti)。不過一(yi)價金屬(shu)的(de)(de)(de)導電原(yuan)理(li)稍(shao)有(you)不同,它的(de)(de)(de)滿軌(gui)道(dao)原(yuan)本就不太滿,所以電子不用跑到(dao)空(kong)軌(gui)道(dao)也能移(yi)動。
但很多時(shi)候兩條寬軌道(dao)之間是(shi)有(you)空隙的,電(dian)子單靠自己(ji)是(shi)跨(kua)(kua)不過(guo)去的,表現為不導(dao)(dao)電(dian)。但如(ru)果空隙的寬度在5ev之內,給電(dian)子加個(ge)額外(wai)能量(liang),也能跨(kua)(kua)到空軌道(dao)上,跨(kua)(kua)過(guo)去就(jiu)能自由移動,表現為導(dao)(dao)電(dian)。這種(zhong)空隙寬度不超過(guo)5ev的固體,有(you)時(shi)導(dao)(dao)電(dian)、有(you)時(shi)不導(dao)(dao)電(dian),所以叫半導(dao)(dao)體。
如(ru)果(guo)空(kong)隙(xi)超(chao)過(guo)(guo)5ev,那基(ji)本(ben)就得歇菜,正常情(qing)況下電子是跨不過(guo)(guo)去的,這就是絕緣體(ti)。當然,如(ru)果(guo)是能量(liang)足夠(gou)大的話(hua),別說5ev的空(kong)隙(xi),50ev都照樣跑過(guo)(guo)去,比如(ru)高(gao)壓電擊穿空(kong)氣。
到(dao)這(zhe),由量子力學發展出的(de)能帶(dai)(dai)理論(lun)就差不多成型(xing)了,能帶(dai)(dai)理論(lun)系統地解釋了導體(ti)、絕緣體(ti)和(he)半導體(ti)的(de)本質(zhi)區別,即,取決(jue)(jue)于滿軌道和(he)空軌道之間(jian)的(de)間(jian)隙。學術(shu)點說,取決(jue)(jue)于價帶(dai)(dai)和(he)導帶(dai)(dai)之間(jian)的(de)禁帶(dai)(dai)寬度。
這里有個(ge)問題,一旦細軌道(dao)變少(shao)了(le),能不(bu)能擠成寬軌道(dao)就不(bu)好說(shuo)了(le),所以(yi)能帶理(li)論(lun)本質上是一個(ge)近似理(li)論(lun),不(bu)適(shi)用于少(shao)量原(yuan)子組成的(de)固體(ti)。(圖1)
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圖1
半導體離芯(xin)片原理還很(hen)遙遠,別急。
很明(ming)顯,像導體(ti)這(zhe)種直(zhi)男沒啥(sha)可折騰的,所以導線到(dao)了今天(tian)仍然是銅線,絕緣體(ti)的命運也差不多(duo)。
半導體這種曖(ai)(ai)曖(ai)(ai)昧昧的性格最容易(yi)搞事情(qing),所以與電子設備(bei)相關(guan)的產(chan)業(ye)基(ji)本都屬于半導體產(chan)業(ye),如芯(xin)片、雷(lei)達(da)。(圖(tu)2)
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圖2
下面有點燒腦細胞。
經過(guo)計算篩選,科學家用(yong)硅作為(wei)半導體(ti)的基礎材料。硅的外層有(you)4個(ge)(ge)(ge)(ge)電子(zi)(zi),假設某個(ge)(ge)(ge)(ge)固(gu)體(ti)由(you)100個(ge)(ge)(ge)(ge)硅原子(zi)(zi)組成,那么(me)它的滿軌道(dao)就(jiu)(jiu)擠(ji)滿了400個(ge)(ge)(ge)(ge)電子(zi)(zi)。這(zhe)(zhe)時,用(yong)10個(ge)(ge)(ge)(ge)硼(peng)(peng)原子(zi)(zi)取(qu)代其(qi)中(zhong)10個(ge)(ge)(ge)(ge)硅原子(zi)(zi),硼(peng)(peng)這(zhe)(zhe)類三價元素外層只(zhi)有(you)3個(ge)(ge)(ge)(ge)電子(zi)(zi),所(suo)以這(zhe)(zhe)塊固(gu)體(ti)的滿軌道(dao)就(jiu)(jiu)有(you)了10個(ge)(ge)(ge)(ge)空位(wei)。這(zhe)(zhe)就(jiu)(jiu)相當于在擠(ji)滿人(ren)的公交車上騰出了幾個(ge)(ge)(ge)(ge)空位(wei)子(zi)(zi),為(wei)電子(zi)(zi)的移動提供(gong)了條(tiao)件。這(zhe)(zhe)叫P型(xing)半導體(ti)。
同(tong)理,如果用(yong)10個磷原(yuan)子取(qu)代10個硅原(yuan)子,磷這(zhe)類五價元素外(wai)層有5個電子,因此滿軌道上反(fan)而又多出了(le)10個電子。相當于擠滿人的公(gong)交車外(wai)面(mian)又掛了(le)10個人,這(zhe)些人非常容易脫離(li)公(gong)交車,這(zhe)叫N型半導體(ti)。
現在把PN這(zhe)(zhe)兩(liang)種半導體面對面放一(yi)(yi)起會咋樣(yang)?不用(yong)想也知道,N型(xing)那些額(e)外的電子必然是跑到P型(xing)那些空位上(shang)去了,一(yi)(yi)直到電場平衡為止(zhi),這(zhe)(zhe)就是大(da)名鼎鼎的“PN結(jie)(jie)”。但是PN結(jie)(jie)具有單向(xiang)(xiang)導電性,即,電流只能從這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)頭流向(xiang)(xiang)另(ling)一(yi)(yi)頭,無法從另(ling)一(yi)(yi)頭流向(xiang)(xiang)這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)頭。
好(hao)了(le),我們現在已經有了(le)單向(xiang)導電的PN結(jie),然后(hou)呢?把PN結(jie)兩(liang)端接(jie)上導線,就是二極管。(圖3)
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圖3
有(you)了二極管,隨(sui)手(shou)搭個電路(圖4):
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圖4
三角形代表二極(ji)管,箭頭(tou)方(fang)向表示電(dian)(dian)流(liu)可通過的方(fang)向,AB是輸入端(duan)(duan),F是輸出(chu)(chu)端(duan)(duan)。如(ru)果A不加電(dian)(dian)壓(ya)(ya),電(dian)(dian)流(liu)就會順著A那條線(xian)流(liu)出(chu)(chu),F端(duan)(duan)就沒(mei)了(le)電(dian)(dian)壓(ya)(ya);如(ru)果AB同時(shi)加電(dian)(dian)壓(ya)(ya),電(dian)(dian)流(liu)就會被(bei)堵在二極(ji)管的另(ling)一頭(tou),F端(duan)(duan)也(ye)就有了(le)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。假設把有電(dian)(dian)壓(ya)(ya)看(kan)作(zuo)(zuo)1,沒(mei)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)看(kan)作(zuo)(zuo)0,那么只有從(cong)AB端(duan)(duan)同時(shi)輸入1,F端(duan)(duan)才會輸出(chu)(chu)1,這就是“與門電(dian)(dian)路”。
同理,把電路(lu)改成這(zhe)樣,那么只要AB有一個輸入1,F端就會輸出(chu)1,這(zhe)叫“或門電路(lu)”。(圖5)
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圖5
現在有了(le)這些基本的邏輯門(men)電(dian)路,離芯(xin)片就不遠了(le)。你可以設(she)計出(chu)一種電(dian)路,它(ta)的功(gong)能是,把一串(chuan)1和0,變成另(ling)一串(chuan)1和0。
一(yi)不(bu)小(xiao)心,我們就(jiu)得到了芯片(pian)運算的(de)本質:把一(yi)串1,0,變成另一(yi)串1,0。
簡單舉個例子,在左邊(bian)輸入1010,在右邊(bian)輸出0101,這就算(suan)完成(cheng)了一次(ci)運(yun)算(suan)。(圖6)
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圖6
我(wo)們來玩個稍(shao)微復雜(za)一點的局:
左(zuo)邊有(you)(you)8個(ge)輸(shu)入(ru)端,右邊有(you)(you)7個(ge)輸(shu)出(chu)端,每個(ge)輸(shu)出(chu)端對(dui)應一(yi)個(ge)發(fa)光(guang)管,7個(ge)發(fa)光(guang)管組成(cheng)一(yi)個(ge)數字顯示(shi)器(qi)。從左(zuo)邊輸(shu)入(ru)一(yi)串信號:00000101,經過中間一(yi)堆的電(dian)(dian)路(lu),使(shi)得右邊輸(shu)出(chu)另一(yi)串信號:1011011。1代表有(you)(you)電(dian)(dian)壓(ya),有(you)(you)電(dian)(dian)壓(ya)就可以點亮(liang)對(dui)應的發(fa)光(guang)管,于是,就得到了一(yi)個(ge)數字“5”。(圖7)
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圖7
終于,我們已經搞定了數字是如何顯示的!如果你想進行1+1的加法運算,其電路的復雜程度就已經超過了99%的人的智商了,即便本僧親自出手,設計的電路運算能力也抵不過一副算盤。
直到有一天,有人用18000只電子管,6000個開關,7000只電阻,10000只電容,50萬條線組成了一個超級復雜的電路,誕生了人類第一臺計算機,重達30噸,運算能力5000次/秒,還不及現在手持計算器的十分之一。不知道當時的工程師為了安裝這堆電路,腦子抽筋了多少回。(圖8)
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圖8
接下來的思路就簡單了,如何把這30噸東西,集成到指甲那么大的地方上呢?這就是芯片。
芯片制造與中國技術
為了把30噸(dun)的(de)運算電路縮小,工程師們把能扔東西全(quan)扔了,直(zhi)接(jie)在硅(gui)(gui)片上制作(zuo)PN結和電路。下面(mian)從(cong)硅(gui)(gui)片出發(fa),說(shuo)說(shuo)芯片的(de)逆襲之(zhi)路。
第一:硅
把(ba)這(zhe)玩意兒氯化了(le)再(zai)蒸餾(liu),可以得到純(chun)度很高的硅,不過這(zhe)種(zhong)硅原(yuan)子排列混亂(luan),會影(ying)響(xiang)電子運動,就叫多(duo)晶硅吧(ba)。(圖9)
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圖9
把多(duo)晶硅(gui)熔化了(le),按特定方(fang)法旋轉提拉(la)(la),就可以拉(la)(la)制成原子排列整齊(qi)的(de)單晶硅(gui)。(圖10)
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圖10
所以成品(pin)就長這樣:(圖11)
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圖11
硅的主要(yao)評判指標是純度,你(ni)想想,如果硅原子(zi)之(zhi)(zhi)間有一堆(dui)雜質,那電子(zi)就別(bie)想在(zai)滿軌道(dao)和(he)空軌道(dao)之(zhi)(zhi)間跑順暢。
無論啥(sha)東西,純(chun)度(du)越高制造(zao)難(nan)度(du)越大。用于太陽(yang)能發(fa)電的(de)高純(chun)硅要求99.9999%,這玩(wan)意兒全世界超過(guo)一半(ban)是(shi)中國(guo)(guo)產(chan)的(de),早被玩(wan)成(cheng)了白(bai)菜價(jia)。芯(xin)片(pian)用的(de)電子級高純(chun)硅要求99.999999999%(別數了,11個9),幾乎全賴進口(kou)(kou),直到2018年江蘇的(de)鑫華(hua)公司才實現量(liang)產(chan),只是(shi)目前產(chan)量(liang)少的(de)可憐,還不(bu)及進口(kou)(kou)的(de)一個零頭。難(nan)得的(de)是(shi),鑫華(hua)的(de)高純(chun)硅出(chu)口(kou)(kou)到了半(ban)導體強國(guo)(guo)韓(han)國(guo)(guo),品質應(ying)該(gai)不(bu)錯。不(bu)過(guo),30%的(de)制造(zao)設備還得進口(kou)(kou)……
電子級(ji)高(gao)純硅的傳統霸(ba)主依然(ran)是德國(guo)Wacker和美(mei)國(guo)Hemlock(美(mei)日(ri)合(he)資),中國(guo)任(ren)重而道遠(yuan)。
第二:晶圓
把單晶(jing)硅圓(yuan)柱(zhu)切(qie)片,就(jiu)(jiu)得到了(le)圓(yuan)形(xing)的硅片,因此就(jiu)(jiu)叫“晶(jing)圓(yuan)”。(圖12)這詞是(shi)(shi)不是(shi)(shi)已(yi)經有點(dian)耳熟了(le)?
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圖12
切(qie)好之后,就要在晶(jing)圓上(shang)把成千上(shang)萬的電路裝起來(lai)的,干這(zhe)活(huo)的就叫“晶(jing)圓廠”。各(ge)位拍腦袋想想,以目(mu)前人類的技術,怎樣才能完成這(zhe)種操(cao)作?
用原(yuan)子操縱術(shu)?想多了,朋友!等你練(lian)成(cheng)御劍飛(fei)行的時(shi)候,人類還不見(jian)得能操縱一(yi)個一(yi)個原(yuan)子組成(cheng)各種(zhong)器(qi)件。
晶(jing)圓(yuan)(yuan)加(jia)工的過程(cheng)相當(dang)繁瑣,咱(zan)說個大(da)概(gai)輪(lun)廓,謝絕專業人士挑刺。首先在晶(jing)圓(yuan)(yuan)上涂一層(ceng)感光材料,這(zhe)材料見光就(jiu)(jiu)融化,那光從哪里來(lai)?光刻(ke)機(ji),可以用(yong)非常(chang)精細(xi)的光線(xian),在感光材料上刻(ke)出圖案(an),讓底(di)下的晶(jing)圓(yuan)(yuan)裸露(lu)出來(lai)。然后,用(yong)等離子體(ti)這(zhe)類東(dong)西(xi)沖刷,裸露(lu)的晶(jing)圓(yuan)(yuan)就(jiu)(jiu)會被刻(ke)出很多(duo)溝(gou)槽,這(zhe)套設備就(jiu)(jiu)叫刻(ke)蝕機(ji)。再用(yong)離子注(zhu)入機(ji)在溝(gou)槽里摻入磷元素,加(jia)熱退火處理(li),就(jiu)(jiu)得到(dao)了一堆N型半導體(ti)。
完成之后,清(qing)洗干凈,重新涂(tu)上感光材料,用光刻(ke)機刻(ke)圖(tu),用刻(ke)蝕機刻(ke)溝槽,用離子注(zhu)入機撒上硼,就有了P型半導體。整個過(guo)程有點(dian)像3D打(da)印,把(ba)器件一點(dian)點(dian)一層(ceng)層(ceng)裝進去。(圖(tu)13)
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圖13
這塊晶圓(yuan)(yuan)上的(de)小方塊就是(shi)(shi)芯(xin)(xin)片,一(yi)塊晶圓(yuan)(yuan)可以做(zuo)多(duo)個芯(xin)(xin)片。芯(xin)(xin)片放(fang)大(da)了(le)看就是(shi)(shi)成(cheng)堆成(cheng)堆的(de)電(dian)路,這些電(dian)路并(bing)不(bu)比那臺30噸計算機的(de)電(dian)路高(gao)明,最底(di)層都是(shi)(shi)簡(jian)單(dan)的(de)門電(dian)路。只是(shi)(shi)采用了(le)更多(duo)的(de)器件(jian),組成(cheng)了(le)更龐大(da)的(de)電(dian)路,運(yun)算性能(neng)自然就提高(gao)了(le)。
這是一個與非門電路(lu):(圖14)
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圖14
提個問題:為啥不把(ba)芯片做的(de)更(geng)大一點(dian)呢?這樣不就可以安(an)裝更(geng)多電路了嗎?性能不就趕上(shang)外國了嘛?
這(zhe)個問(wen)題很(hen)有意(yi)思。一塊300mm直徑(jing)的晶圓,16nm工藝(yi)(yi)可以做(zuo)出(chu)100塊芯(xin)片(pian),10nm工藝(yi)(yi)可以做(zuo)出(chu)210塊芯(xin)片(pian),于是價格就(jiu)便宜了(le)一半,在市(shi)場上(shang)就(jiu)能(neng)死(si)死(si)摁住競爭對(dui)手,賺了(le)錢又(you)可以做(zuo)更多研(yan)發(fa),差距就(jiu)這(zhe)么(me)拉(la)開了(le)。
說(shuo)個題(ti)外(wai)話(hua),中國軍(jun)用芯片(pian)基(ji)本實現了自給自足(zu),而且(qie)性能杠(gang)(gang)杠(gang)(gang)的(de),因為(wei)軍(jun)用不計(ji)較錢嘛!可以(yi)把芯片(pian)做(zuo)的(de)大(da)大(da)的(de)。另外(wai),越大(da)的(de)硅片(pian)遇到雜質的(de)概率(lv)越大(da),所(suo)以(yi)芯片(pian)越大(da)良品率(lv)越低。總的(de)來說(shuo),大(da)芯片(pian)的(de)成本遠(yuan)遠(yuan)高于小芯片(pian),不過對軍(jun)方(fang)來說(shuo),這都(dou)不叫事兒。
除了(le)成本(ben)之外,大芯片的布線比小芯片更長,所以延(yan)時(shi)也更明顯,驅動電流也大很多(duo),由此導致(zhi)整體設(she)計更臃腫(zhong),性能上(shang)還是會吃虧。反正(zheng),小芯片就是比大芯片好(hao)用。
第三:架構
用70億個(ge)晶體(ti)管在(zai)指甲蓋大小的地(di)方組成電路(lu)(lu),想想就頭皮(pi)發麻(ma)!一個(ge)路(lu)(lu)口紅綠(lv)燈設(she)置不合理(li),就可能導致大片堵車(che)。電子在(zai)芯片上(shang)跑(pao)(pao)來跑(pao)(pao)去,稍微(wei)有(you)個(ge)PN結出問題,電子同(tong)樣會堵車(che)。所以芯片的設(she)計異常重要,重要到了(le)和(he)材料技術相(xiang)提并論的地(di)步(bu)。
這么復(fu)雜的(de)(de)設計,必須得先(xian)有個(ge)章法。七(qi)十年代,英特爾率先(xian)想(xiang)出了(le)一個(ge)好(hao)辦(ban)法:X86架構(gou)(gou)。詳細內容不提了(le),簡單來說,這架構(gou)(gou)雖然能耗高(gao)點(dian)、體積大(da)點(dian),但性(xing)能那是嗖嗖的(de)(de),幾乎壟斷了(le)電腦芯(xin)片市場(chang),成就了(le)如日中天的(de)(de)英特爾。
這(zhe)相當于,英特(te)爾提(ti)出(chu)造汽(qi)車用4個輪(lun)子,以后其他人想(xiang)造4個輪(lun)子的(de)汽(qi)車,就得先付授權費。這(zhe)尼(ni)瑪怎么忍,隨后英國(guo)ARM公司提(ti)出(chu)了2個輪(lun)子的(de)汽(qi)車方案:ARM架(jia)構。
毫(hao)無(wu)疑問,2個(ge)(ge)輪子肯定跑不(bu)(bu)過(guo)4個(ge)(ge)輪子,ARM架構雖(sui)然省(sheng)電小(xiao)巧,但(dan)性能實在(zai)有點(dian)(dian)寒磣,于是一(yi)直被英(ying)特爾摁著打。ARM熬到了(le)九十(shi)年代,終于熬不(bu)(bu)住(zhu)了(le),決定不(bu)(bu)再生產(chan)芯片,而是將ARM架構授權(quan)給其他(ta)公司生產(chan),賺點(dian)(dian)授權(quan)費,這(zhe)才保住(zhu)了(le)一(yi)條命(ming)。
人算不(bu)如天(tian)算,進入(ru)21世紀,智能手機(ji)橫空出世,芯片(pian)(pian)的能耗和體積(ji)一下成了關注點,于是ARM架構一飛中天(tian),幾乎壟斷了手機(ji)芯片(pian)(pian)。(圖15)
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圖15
![](/res/202001/07/20200107_1626282_36-15-1_804903_140493_0.jpg)
圖15
小結一下:
X86架構(gou),能耗高(gao)、體積大(da)、性能強(qiang)。
ARM架構,能(neng)耗低、體積小、性能(neng)弱。
于(yu)是(shi),一個(ge)占(zhan)了電腦,一個(ge)占(zhan)了手(shou)機,直到今天,仍是(shi)主流設計方案。至于(yu)其(qi)他(ta)3個(ge)輪(lun)子或(huo)5個(ge)輪(lun)子的汽車,多(duo)多(duo)少(shao)少(shao)還是(shi)有(you)些劣勢,沒有(you)形(xing)成主流。
最(zui)近有新聞說,中國和ARM要(yao)成(cheng)立中方控股的(de)合資公司,ARM欲借此重回芯片制造商的(de)角色。(圖(tu)16)
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圖16
決定汽(qi)車用幾個輪子,距離造出汽(qi)車還差得很遠。有了基本架構,后面的設計依然是漫漫長(chang)征路(lu),所以(yi)還得要有好工具:EDA軟(ruan)件。
Synopsys,Cadence,Mentor,三巨頭幾乎壟斷了全球EDA市場,一水(shui)兒的(de)(de)(de)美帝公司。直到(dao)最近,熬了三十年(nian)的(de)(de)(de)華(hua)大(da)九天終于(yu)露頭,這(zhe)家中國電子信息產業集團的(de)(de)(de)二(er)級公司,連續多年(nian)以(yi)50%年(nian)增長(chang)率(lv)狂追,算(suan)是站(zhan)穩了腳跟。(圖17)
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圖17
雖(sui)然(ran)借助EDA軟(ruan)件的仿真功能(neng)可(ke)以判斷電路設計是否靠(kao)譜,但要(yao)真正驗證(zheng)這(zhe)種精巧線(xian)路的靠(kao)譜程(cheng)度,只有一(yi)種辦(ban)法,那就是:用!廣(guang)泛的用!長(chang)久(jiu)的用!正因(yin)為(wei)如此(ci),芯片設計不光(guang)要(yao)燒錢,也需要(yao)燒時(shi)間(jian),屬(shu)于試(shi)錯(cuo)周期較(jiao)長(chang)的核心(xin)技術(shu)。
既(ji)然(ran)是核心技(ji)術,自然(ran)就會發展出獨立的公(gong)司(si),所以芯片公(gong)司(si)有(you)三類:既(ji)設計又制造(zao)、只設計不(bu)(bu)制造(zao)、只制造(zao)不(bu)(bu)設計。
第四:設計制造
但凡(fan)要處理信(xin)息,基本都有(you)芯(xin)片,包括通信(xin)芯(xin)片、服務(wu)器芯(xin)片、手機芯(xin)片、電(dian)腦芯(xin)片等等。早期的芯(xin)片復(fu)雜程度不算夸張,所以設計制造可以在(zai)同(tong)一(yi)家公(gong)司完成,最有(you)名的:美國(guo)(guo)英特爾、韓國(guo)(guo)三(san)星(xing)、日(ri)本東芝、意大利法國(guo)(guo)的意法半導體;中(zhong)國(guo)(guo)大陸的華(hua)潤(run)微電(dian)子、士蘭微;中(zhong)國(guo)(guo)臺灣的旺宏電(dian)子等。
外國(guo)、臺灣、大(da)陸三方(fang),大(da)陸的(de)起點(dian)最低,早(zao)期的(de)產品多集中在(zai)家電遙控(kong)器(qi)之類的(de)低端領域,手機、電腦這些高端芯片(pian)幾(ji)乎空白!(圖18)
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圖18
后來隨著芯片越來越復雜,設計與制(zhi)造就分開(kai)了,有些(xie)公(gong)(gong)司(si)只設計,成了純粹(cui)的芯片設計公(gong)(gong)司(si)。如,美國的高通、博通、AMD,中國臺灣的聯發科,大(da)陸的華(hua)為海思、展訊等。
大(da)名鼎鼎的高(gao)通(tong)就不多說(shuo)了(le),世界上一半手(shou)機裝的是(shi)(shi)(shi)高(gao)通(tong)芯(xin)(xin)片(pian),AMD和(he)英特爾基本把電腦芯(xin)(xin)片(pian)包(bao)場了(le)。電腦和(he)手(shou)機是(shi)(shi)(shi)芯(xin)(xin)片(pian)市(shi)場的兩塊大(da)蛋(dan)糕,全(quan)是(shi)(shi)(shi)美國(guo)公(gong)司,世界霸主真不是(shi)(shi)(shi)吹(chui)的。
臺灣聯發科走的(de)中低(di)端路線,手機(ji)芯(xin)片的(de)市場(chang)份額(e)一度排第三,很多國(guo)產手機(ji)都(dou)用,比如(ru)小米、OPPO、魅族。不過后來(lai)被高通干的(de)有點(dian)慘,銷量(liang)連連下跌。
華(hua)為海思(si)是最爭氣的(de),手機處(chu)理器芯片(pian)(pian)麒麟,市場份額(e)隨著(zhu)華(hua)為手機的(de)增長排進了前(qian)五。個人(ren)切身(shen)體會,海思(si)芯片(pian)(pian)的(de)進步真的(de)相當不(bu)錯。最近華(hua)為又推出(chu)了服務器芯片(pian)(pian)鯤鵬920,5G基站芯片(pian)(pian)天罡,5G基帶芯片(pian)(pian)巴龍5000,性(xing)能都是世界頂級的(de),隱隱看到在芯片(pian)(pian)設計領域崛起的(de)勢(shi)頭。
展訊是清華大(da)學(xue)的(de)校辦企(qi)(qi)業(ye),比較早的(de)大(da)陸(lu)芯片企(qi)(qi)業(ye)。前段時間傳出(chu)了不(bu)少危機(ji),后來(lai)又說是變革的(de)開(kai)始,過的(de)很(hen)不(bu)容(rong)易(yi),和世界(jie)巨頭相(xiang)差甚多。
大(da)(da)陸還有(you)一批芯(xin)片設計企業,晨星半導(dao)體、聯詠科技、瑞昱半導(dao)體等,都是(shi)臺灣老大(da)(da)哥的子公司,產品(pin)應用于電視、便攜式電子產品(pin)等領(ling)域(yu),還挺滋潤(run)。
在大陸的(de)芯片設計公司,臺灣(wan)頂住(zhu)(zhu)了(le)小半邊(bian)天,另大半邊(bian)天原本(ben)是塌著(zhu)的(de),現在華為算(suan)是撐住(zhu)(zhu)了(le)。(圖19)
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圖19
還(huan)有一類只制造(zao)、不(bu)設計(ji)的晶(jing)(jing)圓(yuan)代工(gong)廠(chang),這(zhe)必須得先說臺(tai)(tai)灣最大的企(qi)業:臺(tai)(tai)積電。正(zheng)是(shi)臺(tai)(tai)積電的出現,才(cai)把芯片的設計(ji)和(he)制造(zao)分開了。2017年臺(tai)(tai)積電包下了全世界(jie)晶(jing)(jing)圓(yuan)代工(gong)業務的56%,規模和(he)技(ji)術均(jun)列全球第一,市(shi)值甚至超過了英(ying)特(te)爾,成為全球第一半(ban)導體(ti)企(qi)業。
沒錯,晶(jing)圓代工廠又是(shi)臺灣老大(da)哥的天(tian)下,除了臺積(ji)電這個巨無霸,臺灣還(huan)有(you)聯華電子、力晶(jing)半導體等(deng)等(deng),連美國(guo)韓國(guo)都得(de)靠(kao)邊站(zhan)。
大(da)陸最大(da)的代(dai)工廠是中芯國(guo)際,還有上海華力微電子也還不錯,但技術和(he)規模都遠不及臺(tai)灣(wan)。最近(jin)臺(tai)積電開始布局(ju)大(da)陸,落戶南京,這(zhe)幾年臺(tai)資、外企(qi)瘋狂在大(da)陸建(jian)晶圓代(dai)工廠,這(zhe)架(jia)勢和(he)當(dang)年合資汽車有的一拼。(圖20)
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圖20
大陸中芯國際的14nm生產(chan)線剛剛上路,還(huan)在尚需努(nu)力的階段。大家還(huan)是更愿意把這活交給臺積(ji)電(dian),臺積(ji)電(dian)幾乎拿下了全(quan)球(qiu)70%的28nm以下代工業務(wu)。
美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力,最近臺積電上線了7nm工藝,穩穩壓過三星,首批客戶就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了,華為設計芯片,臺積電制造芯片。悄悄說(shuo),三星和臺積電的大(da)股(gu)東(dong)都是美帝財閥,不然人家怎么能叫美帝呢(ni)?
說(shuo)真的,如果(guo)大陸(lu)能整(zheng)合臺灣(wan)的半(ban)導體產(chan)業,并利用靈活的政策和龐(pang)大的市場(chang)促進其(qi)進一步升級,中(zhong)國追趕外國的步伐至少輕松一半(ban)。現(xian)在嘛,中(zhong)國任重而(er)道遠吶!(圖21)
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圖21
第五:核心設備
芯片良品率取(qu)決于(yu)晶(jing)圓(yuan)廠整(zheng)體水平,但加工精度完(wan)全取(qu)決于(yu)核心設備,就是前面提(ti)到(dao)的“光(guang)刻機”。
光(guang)刻(ke)機(ji),荷(he)蘭阿(a)斯麥(mai)公司(ASML)橫掃天下!不好意(yi)思,產量還(huan)不高,你們慢慢等著吧!無論是臺(tai)積電(dian)、三星,還(huan)是英特爾,誰(shui)先(xian)買到阿(a)斯麥(mai)的光(guang)刻(ke)機(ji),誰(shui)就(jiu)能(neng)率(lv)先(xian)具(ju)備7nm工藝。沒辦法(fa),就(jiu)是這(zhe)么強大!(圖22)
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圖22
日本的尼康和佳能也做(zuo)光刻機,但(dan)技術遠(yuan)不如阿斯麥,這(zhe)幾(ji)年(nian)被阿斯麥打得找不到北,只能在低端市場搶份額。
阿斯麥是全球唯一的高端(duan)光(guang)刻機生產商,每臺售(shou)價至少1億美金,2017年(nian)只(zhi)生產了(le)12臺,2018年(nian)24臺,這些(xie)都已經被臺積電三(san)星英特爾(er)搶(qiang)完(wan)了(le),2019年(nian)預(yu)測有40臺,其中一臺是給咱們的中芯國際,不過最(zui)近聽說莫名其妙被燒了(le),得(de)延期(qi)交(jiao)貨。
既然(ran)這么重要,咱不能多出點錢嗎(ma)?
第一:英特爾有阿斯麥15%的股份,臺積電有5%,三星有3%,有些(xie)時候吧,錢不是(shi)萬能(neng)的。第二,美帝整了個《瓦(wa)森納協(xie)定》,敏感(gan)技術(shu)不能(neng)賣,中(zhong)國、朝(chao)鮮、伊朗、利(li)比亞均是(shi)被限(xian)制國家。
有(you)意思的(de)是,2009年上海微(wei)電子的(de)90納米光(guang)(guang)刻(ke)機研制(zhi)成功(gong)(核心部件進(jin)口(kou)),2010年美(mei)帝允(yun)許90nm以上設備銷售(shou)給中國(guo)(guo),后來(lai)中國(guo)(guo)開始攻(gong)關65nm光(guang)(guang)刻(ke)機,2015年美(mei)帝允(yun)許65nm以上設備銷售(shou)給中國(guo)(guo),再后來(lai)美(mei)帝開始管不住小弟了,中芯(xin)國(guo)(guo)際才有(you)機會去撿漏(lou)一臺(tai)高端(duan)機。
不過(guo)咱也不用氣(qi)餒,咱隨便一家房地產公(gong)司,銷售額輕松秒殺(sha)阿斯麥,哦耶!(圖23)
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圖23
2018年底有消息讓人驚出一(yi)身冷汗,最早中(zhong)科(ke)院(yuan)只是淡(dan)淡(dan)說了句光刻項目通過驗收,然后鋪天蓋地的“中(zhong)國光刻機(ji)(ji)終于翻身農(nong)奴把歌唱”,鬧到最后連人民日(ri)報都坐不住了,直(zhi)接批“國產光刻機(ji)(ji)自(zi)嗨文”誤(wu)導(dao)公眾,損(sun)壞(huai)中(zhong)國科(ke)研(yan)形象。引(yin)一(yi)句原文:“這(zhe)臺光刻機(ji)(ji)想應用于芯片(pian),還要攻克一(yi)系列技(ji)術難題,距離還相當遙遠。”
相比于光刻(ke)(ke)機,中國的刻(ke)(ke)蝕(shi)機要好很(hen)多,16nm刻(ke)(ke)蝕(shi)機已經量產(chan)運行,7-10nm刻(ke)(ke)蝕(shi)機也在(zai)路上了(le),所以美帝很(hen)貼心的解除了(le)對中國刻(ke)(ke)蝕(shi)機的封鎖。
不(bu)過離(li)子(zi)(zi)注(zhu)入機(ji)(ji)又寒磣(chen)了,2017年(nian)8月(yue)終于有(you)了第一臺國(guo)產商用(yong)機(ji)(ji),水(shui)平(ping)先(xian)不(bu)提了,離(li)子(zi)(zi)注(zhu)入機(ji)(ji)70%的市(shi)場份(fen)額是(shi)美(mei)國(guo)應用(yong)材(cai)(cai)料(liao)公司的。涂感(gan)光材(cai)(cai)料(liao)得(de)用(yong)“涂膠(jiao)顯影(ying)機(ji)(ji)”,日(ri)本東京電子(zi)(zi)公司拿走了90%的市(shi)場份(fen)額。即便(bian)是(shi)光刻膠(jiao)這些輔助材(cai)(cai)料(liao),也幾乎被日(ri)本信越、美(mei)國(guo)陶(tao)氏等壟斷。(圖(tu)24)
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圖24
2015年至2020年,國內半(ban)導體產業計劃投(tou)資650億(yi)美(mei)(mei)元,其中設備投(tou)資500 億(yi)美(mei)(mei)元,再其中480億(yi)美(mei)(mei)元用于購(gou)買進口設備。算下來,這幾年中國年均(jun)投(tou)入130億(yi),而英(ying)特爾一家公(gong)司(si)的(de)研(yan)發投(tou)入就超過130億(yi)美(mei)(mei)元。
論半(ban)導體(ti)設備,中國(guo),任無(wu)(wu)比(bi)重、道無(wu)(wu)比(bi)遠(yuan)啊!
第六:封測
芯片(pian)做好后,得從晶圓上切下(xia)來,接上導線(xian),裝上外殼(ke),順便還得測試(shi),這(zhe)就叫封測。
封(feng)測又又又是臺灣老大哥的(de)天下(xia),排名世界第一的(de)日月光,后面還跟著一堆實力不俗的(de)小弟:矽品、力成、南茂、欣邦、京元電(dian)子。
大陸三大封(feng)測巨頭,長電科技(ji)、華天科技(ji)、通富微(wei)電,混的都還不錯。(圖25)
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圖25
小結
這全(quan)景圖(tu)大(da)概描述了從硅片到芯片的(de)全(quan)過程(cheng)及中國的(de)設(she)備制(zhi)造商,絕對(dui)是業內專(zhuan)家所做,值得一看(kan)。(圖(tu)26)
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圖26
中國芯
說起中國芯片,不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大(da)學(xue)微電子(zi)學(xue)院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)長陳進教授從美(mei)國買回芯片,磨(mo)掉原有標記,作為自主(zhu)研(yan)發(fa)(fa)成果(guo),騙取無(wu)數資金和榮譽,消耗(hao)大(da)量社(she)會資源,影(ying)響之惡(e)劣可謂空前!以致于(yu)很長一段時間,科研(yan)圈談芯色變,嚴(yan)重(zhong)干擾了芯片行業的正常(chang)發(fa)(fa)展。(圖27)
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圖27
硅原料(liao)、芯(xin)片設(she)計、晶圓加工、封測,以及(ji)相關(guan)的(de)半導體設(she)備,絕大部分領域(yu)中(zhong)國還是處(chu)于“任重而(er)道(dao)遠”的(de)狀態,那(nei)這種懵逼狀態還得持續(xu)多久呢?
國(guo)務院印發(fa)的《集成電(dian)路(lu)產(chan)業發(fa)展(zhan)(zhan)綱要》明確提出,2030 年集成電(dian)路(lu)產(chan)業鏈主要環(huan)節達到國(guo)際先進水平,一批企業進入國(guo)際第一梯隊,產(chan)業實現跨越(yue)式發(fa)展(zhan)(zhan)。
從研(yan)發的(de)過(guo)程來看,需(xu)求(qiu)不(bu)(bu)缺,資金不(bu)(bu)缺,只(zhi)要燒足了(le)(le)時間(jian),沒理(li)由燒不(bu)(bu)出芯(xin)片(pian)。當前(qian),中國芯(xin)片(pian)的(de)總體水平差不(bu)(bu)多處在(zai)剛剛實(shi)現零突(tu)破的(de)階段(duan),雖然市場份額不(bu)(bu)多,但(dan)每個領域都參了(le)(le)一腳,而且勢頭不(bu)(bu)錯(cuo),前(qian)景還(huan)是可期待(dai)的(de)。(圖28)
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圖28
極限
文末,習慣性抱怨一下(xia)人(ren)類科(ke)技(ji)的(de)幼稚。芯片,作為大伙削尖腦袋能達到的(de)最高科(ke)技(ji)水(shui)準,作為其(qi)根基的(de)能帶理(li)(li)論竟然只是(shi)個(ge)近似理(li)(li)論,電(dian)(dian)子行(xing)為仍然沒法精確計算。再往大了說,別(bie)看現(xian)在的(de)技(ji)術紛繁(fan)復(fu)雜,其(qi)實(shi)就是(shi)玩(wan)玩(wan)電(dian)(dian)子而已,頂(ding)多再加個(ge)光子,至于(yu)其(qi)他(ta)幾百種粒(li)子,還(huan)完全不知道怎么(me)玩(wan)!
芯片(pian)加(jia)工(gong)精(jing)度已(yi)經到了7nm,雖然三(san)星吹牛說要(yao)燒到3nm,可那又(you)如(ru)何?你還能繼續燒嗎?1nm差不多就是幾(ji)個原子(zi)而已(yi),量子(zi)效應(ying)非常(chang)顯著,作為基石的能帶理論就不好使(shi)了,半(ban)導體行業就得在這兒歇菜(cai)。
燒(shao)(shao)錢也好,燒(shao)(shao)時間也罷,燒(shao)(shao)到盡頭就是理(li)論(lun)物理(li)。基礎科(ke)學(xue)除了燒(shao)(shao)錢燒(shao)(shao)時間,還得(de)燒(shao)(shao)人,燒(shao)(shao)的異常慘烈,100個(ge)高智商,99個(ge)都是墊腳石!工(gong)程師可以半道出(chu)家(jia),但物理(li)學(xue)家(jia)必(bi)須科(ke)班出(chu)身。
不能光折騰電子了,為了把中微子也用起來,咱趕(gan)緊忽悠,哎,不對,是呼吁(yu)更多(duo)孩子學(xue)基礎科學(xue)吧!