歡迎光臨深圳市浦洛電子科技有限公司官方網站!
語言選擇: 中文版  英文版

行業新聞

芯片能夠參與競爭的任何技術,最終都不可避免地成為失敗者

芯片能夠參與競爭的任何技術,最終都不可避免地成為失敗者

“我們每天都在接觸芯片,但是我們看不見芯片,我們看到的只是一個整機。”


大家好,我是來自清華大學集成電路學院的魏少軍,今天我分享的內容是《小小芯片改變我們的生活》。一顆小小的芯片不僅是一個器件,而且還會持續地改變你我的生活。

 


思想晚餐  


已完成:10% //////////


什么是芯片?


目前,芯片已經成為一個非常熱的話題。那什么是芯片呢?其實我們每天都在接觸芯片,大部分時間都在和芯片做交互,但是我們看不見它,我們看到的只是一個整機。

 

例如,我們很多人都在用手機。如果我們離開手機,甚至不知道如何與別人交互,也不知道怎樣查信息。但當我們拿到手機時卻看不到任何的芯片,因為芯片在里面。

 

圖片

Iphone6手機部件及其電路板上的集成電路

 

手機里面有若干個電路板,電路板上有一些小小的黑色方塊,我們稱這些方塊為集成電路。正是這些數量眾多的集成電路,賦予了手機極其復雜的功能。

 

圖片

整機機柜(左)和電路板上的集成電路(右)

 

我們日常生活中還會接觸一些整機的機柜。當我們打開機柜之后,可以看到里面一塊塊的電路板。電路板上這些黑色的小方塊就是集成電路。

 

圖片

集成電路(左)和芯片(右)

 

集成電路就是我們所說的芯片的學名。不過,集成電路和芯片還是略有一點差別。我們把左圖中集成電路的黑色封裝材料去掉之后,才能看到右圖中真正的芯片。

 

芯片是在半導體材料上構建的一個復雜的電路系統。晶體管是組成芯片的基本器件。晶體管很小,我們人類還無法用肉眼去觀察它內部的工作原理,只能通過外部測試來推算它是如何工作的。

 

圖片

晶體管的符號(上)和基本工作原理(下)

 

為了講清晶體管的工作原理,我舉一個簡單的例子。我們知道水電站都有大壩,大壩上有閘門,大壩里面有發電機。當閘門打開時,水流沖下來促使發電機發電。通常在閘門上有一個功率較小的電動機,用來控制閘門的關閉和打開,從而控制大壩里面發電機的發電。與發電機的功率相比,電動機的功率較小,用小功率的電動機控制這個閘門的開關,就可以讓發電機發電。在水流最大的時候,發電機的發電量最大。因此它就起到了放大作用。

 

當閘門全部打開時,發電機的發電量達到最大,我們用1來表示。當閘門全關上,沒有水流時,發電機不發電,我們用0來表示。借助這樣的方式,我們實現了晶體管的基本原理。

 

晶體管有各種各樣的型號,分別由不同的材料組成,例如雙極型的晶體管和金屬氧化物半導體(MOS)的晶體管。上圖中列出了幾種晶體管的符號,今后大家如果看到這些符號,就可以知道這是晶體管。

 

晶體管只有70多年的歷史。在晶體管出現之前,我們用的是電子管,它是個真空管。

 

圖片

電子管

 

上圖是直徑為2-3厘米,高度為5厘米的電子管。電子管的下面有一個陰極,把它加熱之后會向上發射電子,上面有一個陽極收集電子,中間的柵極負責控制電子通過量。柵極相當于閘門,電子束相當于水流。

 

圖片

第一臺電子計算機ENIAC

 

1946年2月,在美國賓夕法尼亞大學誕生了第一臺電子計算機ENIAC。這臺計算機用了17500只電子管,重量有30噸,占地面積很大,耗電量達174千瓦。

 

這臺電子計算機可以完成每秒鐘5000次的加法,在當時來說速度非常快。但是,這臺電子計算機存在一個大問題:機器平均每7分鐘就要燒壞一只電子管,因此它的使用效率非常低。原因在于電子管在高溫、高壓、高熱的情況下工作,可靠性非常差。為了長期穩定使用計算機,我們急需找到一個能夠代替電子管的器件。

 

1947年,在美國的貝爾實驗室,三名科學家發明了晶體管。它很小,像一顆黃豆那么大,功耗很低,也不發熱,使用壽命可達十幾年。

 

圖片

晶體管發明人肖克利(W. Shockley)、巴丁(J. Bardeen)和布萊坦(W. Brattain)(左),晶體管原型(中)以及世界上第一臺晶體管計算機TRADIC(右)

 

1954年,美國貝爾實驗室利用晶體管構建了一臺晶體管計算機,我們稱其為第二代計算機。這臺計算機耗電只有100瓦,可以完成每秒鐘100萬次的運算,運算速度遠遠快于第一代計算機。

 

這臺晶體管計算機仍然存在一個問題:它有很多焊點,在高溫和機械震動很強的情況下,它的可靠性依然不好。因此人們急需找到另外一種器件,能夠進一步縮小體積,提高可靠性。

 

圖片

基爾比(Jack Kilby)和他發明的集成電路原型

 

4年后的1958年,在美國德州儀器公司的年輕工程師杰克·基爾比(Jack Kilby)發明了集成電路的理論模型。

 

圖片

諾伊斯(Bob Noyce)和掩膜版曝光刻蝕方法制造的集成電路

 

1959年,鮑勃·諾伊斯(Bob Noyce)創造了掩膜版曝光刻蝕方法,用來生產集成電路。

 

圖片

第一臺集成電路計算機IBM360

 

到1964年,IBM公司用集成電路構建了世界上第一臺集成電路的計算機,也稱為第三代計算機。這個計算機有大、中、小共6個型號,涵蓋了科學計算和事務處理兩方面的應用,像一個羅盤一樣能夠360度全方位使用。因此,它起名為IBM360。這臺計算機與之前的計算機相比最大的特征,就是從軍用為主轉向了民用為主。

 

圖片

泰德·霍夫(Ted Hoff)(左)和世界上第一款微處理器——英特爾4004(右)

 

1970年,英特爾公司的一位年輕科學家泰德·霍夫(Ted Hoff)主持設計了世界上第一款微處理器——英特爾4004。

 

關于英特爾4004,還有一個小小的插曲。當時的微處理器并不是為了計算機,而是為日本人的計算器設計的。英特爾公司設計好4004之后,就把微處理器交給了日本公司。按照當時的規定,出錢的公司擁有知識產權和技術,因此世界上第一個微處理器的產權屬于日本人。

 

日本人覺得微處理器很好,但是又很后悔。他們沒有掌握升級技術,每次升級都要花錢去找英特爾。每次還要花錢,覺得很不合算,于是就把微處理器還給了英特爾。英特爾公司非常高興,為什么呢?因為英特爾公司把微處理器交給日本人之后,他們也很后悔,認為這么好的東西交給日本人實在太遺憾了,所以日本人把東西交回來時,英特爾公司喜出望外。

 

從那以后,英特爾公司的主攻方向從半導體存儲器轉向了微處理器,發展成了一家偉大的公司。

 

圖片

第一臺IBM PC

 

又過了10多年到1981年,IBM公司宣布第一臺IBM PC誕生,它用的是英特爾的微處理器。我們今天使用的個人計算機(PC)包括筆記本電腦,都是從IBM PC派生出來的。個人計算機改變了計算機的使用,從IBM360那樣主要面向商用,變成了主要面向家庭和個人。

 

現在,計算機已經深入到我們生活的方方面面,并且存在兩個極端。

 

圖片

神威·太湖之光

 

一個極端是大型的超級計算機,例如中國的神威·太湖之光。它曾經四次蟬聯全球超級計算機Top500的第一名,具備非常高的運算速度,每秒鐘可以完成12.5億億次運算。

 

圖片

iphone12

 

另一個極端是手機,例如iphone12使用的A14的處理器每秒鐘運算次數可達到11.8萬億次,這也非常驚人。要知道在1969年,美國航天局把宇航員送上了月球。當時他們所擁有的所有的計算能力都不如我們今天的一部手機。

 

我們經常開玩笑,美國人用那樣的計算能力把宇航員送到了月球表面,但是今天我們拿著手機來打游戲,或者做一些看起來微不足道的工作。但這就是技術的進步。

 

 

圖片

戈登·摩爾(Gordon Moore)(左)和羅伯特·登納德(Robert Dennard)(右)

 

談到集成電路的發展時,有兩個人我們不得不談。一個是戈登·摩爾(Gordon Moore),他在1965年的一篇論文中提出了著名的摩爾定律。他通過觀察,預測到集成電路的集成度大概每過一年翻一番,后來又修改為每過18-24個月翻一番。

 

過了將近十年的時間,人們在回顧這篇論文時,驚奇地發現摩爾預測的非常準。于是,人們產生了另外一個疑問,我們應該用什么樣的方法延續這樣的發展速度,每年都能讓集成度翻番。

 

1974年,IBM的科學家羅伯特·登納德(Robert Dennard)在論文中寫道,按照他的方法,就可以一直延續摩爾定律。他提出的正是等比例縮小的方法,該方法講的就是如何去實現摩爾定律。登納德定律和摩爾定律合稱為摩爾定律。

 

說道摩爾定律,只需要記住三件事:每代工藝與上一代相比,在面積不變的情況下,晶體管的數量翻一番;或者在晶體管數量不變的情況下,面積可以縮小到原來的二分之一;它的速度提升40%,功耗下降50%。我們稱之為PPA,即Performance,Power,Area。只要你知道PPA,就表明你是了解集成電路的。按照這樣的發展速度,每18個月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的發展速度。

 

圖片

單個芯片上的晶體管密度指數攀升

 

我們可以看到,從250納米到5納米,單位面積上可以集成的晶體管數量急劇上升。在250納米時,我們可以在一個平方毫米的面積上集成11.2萬個邏輯門。一個邏輯門相當于4個晶體管,11.2萬個邏輯門相當于45萬只晶體管。到了16納米的時候,我們可以在一個平方毫米的面積上集成大概400多萬個邏輯門,即大概1500萬個晶體管。而到了5納米時,我們可以在一個平方毫米的面積上集成2800萬個邏輯門,即1億多個晶體管。

 

一個平方毫米的面積,相當于一個芝麻粒大小。今天一顆芯片可以做到500個平方毫米,也就意味著我們可以在單個芯片上集成500多億只晶體管。全人類一共80多億人,每生產一顆芯片可以給全人類每個人分幾只晶體管。所以我們的集成度非常高,這樣高的數量意味著這個系統異常復雜。

 

摩爾定律揭示了生產當中不斷發展的現象,如果它按照2的N次方繼續發展,會對社會帶來怎樣的影響?

 

2015年4月19日,在摩爾論文發表的50周年,人們在硅谷舉辦了一個紀念會,邀請摩爾前來參加,同時也邀請了兩位嘉賓。

 

圖片

 

一位嘉賓是加州理工的教授卡弗·米德(Carver Mead),他說:“摩爾定律不是一個物理定律,它是人類本性的一個定律。人們知道什么在物理上是可以實現的,而且對之深信不疑。”這句話非常有哲理。卡弗·米德認為人們相信某件事可行時就會努力去做。因此,摩爾觀察到現象,但真正實現摩爾定律的是全體的從業人員,是我們全人類。

 

另外一位嘉賓是英特爾公司的前高級主管比爾·戴維德(Bill Davidow),他說:“社會和經濟變革是巨大的。在50多年前傳遞信息不僅緩慢,而且非常昂貴。因此,我們把人們移動到距離信息近的地方。”

 

這句話的意思是說,過去我們要到超市去買東西,但是不知道超市里有什么東西,該怎么辦?我們就需要親自去超市進行選擇,即把人移動到離信息很近的地方。但是,借助電子商務的發展,我們可以把信息移動到人們所在的地方,通過手機下單把東西移動到家里。

 

因此,比爾·戴維德說:“由于摩爾定律,我們將會重建所有的物質性基礎設施。”

 

大家平時可以觀察到,有些大商場慢慢消失了,或者退化成娛樂中心,原因是電商的出現導致整個社會形態發生變化。這背后真正的驅動力是信息技術,而信息技術最重要的基礎就是半導體技術,即晶體管的發展。所以摩爾定律的社會意義是非常深遠的。

 

這件事情只發生在半導體產業中,如果發生在其他領域,變化可能就更大了。到目前為止,沒有任何其他的產業和技術,能夠像半導體技術一樣,按照摩爾定律在半個世紀中持續發展。

 

我做了一個簡單的計算,假如同樣的事情發生在汽車上會怎么樣?那今天汽車的速度就會達到每小時930萬公里,比第三宇宙速度快了30倍;每百公里油耗只有0.6納升,1納升是10-9升,大概相當于一個唾沫星子,就可以跑100公里;最恐怖的是,這個車可以乘坐680億個人。真要有這樣一輛車的話,全世界的人上車都來不及。

 


思想晚餐  


已完成:40% //////////



芯片“殺手”


不僅如此,芯片的出現還改變了社會的很多方面,我稱其為芯片“殺手”。

 

圖片

 

什么叫做芯片“殺手”呢?這是因為芯片“殺死”了很多東西。首先是曾經在我們生活當中扮演重要角色的膠卷消失了。膠卷的主要生產商是柯達公司,成立于1880年,但是在2012年申請了破產保護。它為什么會申請破產保護呢?因為膠卷沒人買了,數碼相機甚至手機的出現逐漸扮演了膠卷的角色。

 

在100年前的1921年,偉大的科學家愛因斯坦因為發現光電效應獲得了諾貝爾獎。1969年,Boyle和Smith兩位科學家開發了第一個電子成像技術,叫做電荷耦合器件CCD。

 

1991年,柯達公司發明了世界上第一款數碼照相機,價值高達13000美元,重量5公斤。柯達公司認為數碼照相機價格太貴了、太重了,不可能成為大家都接受的東西,所以把它鎖到箱子里,并沒有去生產。

 

但是,沒想到由于半導體技術的迅速發展,不到10年的時間,很多卡片式的數碼相機進入到千家萬戶,膠卷逐漸失去市場。

 

在發明CCD的40年后,2009年,Boyle和Smith兩位科學家獲得了諾貝爾物理學獎。

 

今天主要使用的成像技術是CMOS圖像傳感器,簡稱叫CIS。這樣的圖像傳感器我們每個人的手機上最少有一個,多的有三四個。它所帶來的產業每年產值有上百億美元。今天膠卷只存在于一些特殊的行業,我們已經很少用到,甚至很多人都沒有見過膠卷了。

 

圖片

 

第二個是機械鐘表的消失。我們很多人都不會戴機械手表,而是選擇電子表,甚至可能連電子表都不戴,拿一個手機就可以看時間了。發明于15世紀的機械鐘表,從純粹的計時功能來看已經沒有存在的必要。像電子表的電子計時的功能,早在上世紀的1971年就被發明出來了,“殺死”機械鐘表的也是芯片。

 

圖片

磁芯(左),磁盤(中)和磁帶(右)

 

第三個是磁存儲的消失。最早的計算機使用的并不是半導體存儲器,而是磁芯存儲器。1979年我第一次接觸計算機的時候,使用的就是磁芯存儲器,只有64K的內存。今天的筆記本電腦基本上都是4G以上的內存,和當時相比已經發生了翻天覆地的變化。

 

20年前,計算機也用到了很多磁盤,包括軟的磁盤和硬的磁盤。現在的計算機也慢慢較少用到磁盤,而大量使用了固態硬盤,即半導體存儲器組成的硬盤。

 

之前我們還用到的各種磁帶,包括收錄機上的磁帶、隨身聽上的磁帶和錄像帶,也慢慢地從生活中消失了。因為我們有了各種數碼產品。

 

圖片

NEC發布的最早的靜態隨機存儲器

 

為什么磁存儲會消失?原因是我們用芯片來替代磁存儲。

 

英特爾公司創立初期主要是生產半導體存儲器。早在1966年,日本的NEC公司就發布了靜態隨機存儲器,這個存儲器改變了世界。

 

我們今天用到的半導體存儲器既不值錢,又非常值錢。它的造價非常貴,但是我們可以花幾百塊錢就買幾個G,因此又很便宜。當存儲容量不夠時,我們買一個內存條插進去就可以解決問題,所以“殺死”磁存儲的又是芯片。

 

圖片

過去40年消失的東西

 

過去40年里,我們有太多的東西逐漸消失了。曾經人人都有科學計算器,今天已經沒有人在用了。我們曾經騙家長說學英文、其實是聽音樂的隨身聽,現在也已經消失了。我們曾經用便攜式攝像機給孩子錄像,記錄他們的成長過程,現在也逐漸淡出人們的視線。還有個人助理、MP3、卡片式照相機、磁帶錄像機、GPS導航儀以及電子詞典等等,這些東西都消失了。它們都進了手機,而手機的體積并沒有發生根本性的變化。因為芯片太強大了,而且越來越強大。每過18個月,它的容量就翻一番,功能也就越來越強大。

 

因此,我們總結了一句話:芯片能夠參與競爭的任何技術,最終都不可避免地成為失敗者。如果發現某項技術已經被芯片做了,我們千萬不要再去做,因為它最終會被芯片戰勝,它一定成為失敗者。

 


思想晚餐  


已完成:60% //////////



芯片的“極限”


芯片發展至今已經有60多年了,它有沒有極限呢?有一天它會不會退出歷史舞臺呢?我認為任何事物的發展都有極限,不過我們離這個極限還很遠很遠。

 

現行的科學技術還是有極限的,半導體現有技術遇到的第一個極限就是物理極限。

 

圖片

柵極氧化層示意圖(左)和掃描電鏡圖像(右)

 

目前半導體在不斷地在做小,尺寸已經縮小到了納米量級。尺寸達到納米量級之后,最大的問題是我們很難避免漏掉電子,就像篩子做的不夠密會導致很多東西掉下去。半導體的主要材料——柵極氧化層是尺寸最小的一層物質,只有1.5納米。當真正做到1.5納米時,電子會穿過它漏下來,產生漏電現象,無法進行控制。這個可能是現行技術能夠達到的最小尺寸,但不是最終尺寸,我們還有很多新技術可以解決這個問題。

 

半導體現有技術的第二個極限是功耗極限。如果不對功耗加以控制,手機電池耗電極快,幾分鐘就要充一次電。由于技術的不斷發展,現在的手機可以一天充一次電,其實我們最理想的狀態是一部手機一個星期充一次電就好。如果智能手機的電池功耗能夠達到這種狀態,我們的生活會方便很多。

 

圖片

20世紀90年代預測的芯片功率密度的增長趨勢(左)和功率密度的實際增長情況(右)

 

在提供大量功能的同時,半導體自身也需要耗電。我們用能量密度,或者功耗密度,來表征它的功耗情況。家里用的電熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦,它運行起來很燙,能將我們燙傷。早在上世紀的90年代,半導體的功耗密度就已經超過了每平方厘米10瓦,比電熨斗還燙。如果當時我們沒有發展任何新技術,到2005年可能功率密度就會達到每平方厘米100瓦。但是,經過20年的技術發展,半導體的功能在不斷提升,功耗并沒有明顯的上升,這是非常重要的進步。

 

圖片

工藝節點發展路徑

 

半導體現有技術的第三個極限是工藝、器件和材料。今天我們往往用多少納米來表征集成電路的先進性。世界上最先進的大概是7納米,目前在大批量量產,很快5納米也會量產,我們國家也實現了14納米的大批量生產。在生產過程中出現了很多不同的節點,每次縮小到原來的0.7倍,以此一直不停地前進。

 

圖片

不斷演進的晶體管結構

 

在發展過程中,最基礎的器件是晶體管,晶體管也在不斷演進。圖片最左邊是前一代晶體管,即平面型晶體管。平面型晶體管的硅上有條溝道,兩端是源和漏,上面通一個柵極來控制溝道的電流是否通過。隨著體積變小,源和漏逐漸靠近,電子跑的很快無法控制,怎么辦?

 

于是我們發明了鰭式晶體管,也稱為FinFET。FinFET中間有一個像魚鰭一樣提起來的東西,用柵把它包起來,三面環柵,就有了比較強大的電場,可以控制電子能否通過。

 

但是到了5納米時,鰭式晶體管也行不通了。我們需要做一個全包圍柵的晶體管,用一個全包圍柵把溝道全圍起來,叫做Gate-All-Around(GAAFET)。

 

平面型晶體管在22納米時出現了換代,鰭式晶體管在5納米時也會出現換代,5納米之后將出現全包圍柵晶體管。所以晶體管結構在不斷地變化發展。這種變化背后有很多的科學技術,其中最重要的是半導體材料的創新。

 

圖片

半導體使用的元素周期表中的元素

 

上世紀80年代,半導體材料只用到了門捷列夫元素周期表中藍色標記的少量元素。新世紀之后,半導體材料的應用擴展了很多,大量的元素都被半導體用到。半導體的發展并不是簡單的只用一種材料,而是會用到多種材料。所以,探索新型的半導體材料,成為今天晶體管發展的非常重要的技術路徑。

 

圖片

5/45/32/22/14/10nm CMOS工藝步驟數

 

把東西無限縮小的工藝復雜度是非常高的。到65納米時,我們大概需要走900步;到了10納米時,我們大概需要走3300步。每步走一小時,也需要3300個小時才能完成。

 

這些工藝步驟數決定了生產周期的長短,今天的集成電路不可能在幾天之內就完成生產,而是需要幾個月甚至更長的時間才能完成生產。這幾個月中不能出現任何差錯,否則整批報廢,就要重新開始。所以它是一個生產管理高度復雜、高度精密的技術。

 

半導體現有技術的第四個極限是經濟的可行性。任何好的技術如果沒有經濟的可行性,那就達到了它壽命的終結點。

 

圖片

新建半導體制造廠成本

 

在上世紀,我們估計到2010年時建一個集成電路廠大概要花500億美元,相當于當年銷售市場的10%,這是代價非常昂貴的事情。幸好科技的發展沒有讓我們失望,我們的實際開銷大概是100億美元左右,節省了400億美元。

 

即便如此,我們的花費仍然是一個天文數字。例如,在65納米時,達到的盈虧平衡要投25-30億美元。在14納米時,我們花費的100多億美元就達到了美國一個核動力航母打擊群的建造費用。到7納米時,我們要花費140-160億美元。到5納米時,大概要花將近200億美元。

 

大家可能會疑惑,如此高昂的造價,我們是建一個核動力航母打擊群,還是建一個集成電路制造廠?這是我們經常被問到的一個問題。

 

如果建一個集成電路制造廠,后面還要繼續投入,所以集成電路廠的建造非常昂貴。正是因為建造成本的高昂,使得芯片也在慢慢變貴起來了。

 

圖片

芯片不再便宜

 

在28納米之前,半導體的價格一直在走下行的通道,所以前幾年會感覺手機價格很便宜,我們經常隔半年就換一部手機。但是,這兩年一部手機高達幾千塊錢,可能很少有人頻繁地換手機了,這部分是因為芯片價格的上漲導致手機越來越貴。

 

我們按照百萬邏輯門,即400萬個晶體管,作為一個基本單位計算芯片價格。在28納米時,它是1.4美元;到16-14納米時,它是1.62美元,價格已經開始上升;現在到5納米時,它的價格上升很快。所以今后半導體不會很便宜,電子產品也不會很便宜,這是生產規律所決定的。

 

圖片

越來越少的制造資源

 

由于需要數額巨大的投資,所以集成電路的制造資源越來越少。現在全世界進入7納米的生產線只有三星、中國臺北的臺積電、美國的格羅方德和英特爾四家公司。事實上英特爾應該是10納米,它指的密度相當于7納米。

 

今后如果全球只有兩家公司在做半導體最先進的工藝時,我們想要擁有這個產能就非常難。這就是為什么我們中國也要大力發展半導體的根本原因。

 


思想晚餐  


已完成:70% //////////



如何制造一塊芯片?


那么,我們如何制造一塊芯片呢?制造芯片是人類歷史上最為復雜的制造工藝。集成電路一般分成五大版塊,包括設計、制造、封裝測試、材料和裝備。

 

圖片

集成電路產業的五大板塊

 

通常我們講集成電路主要是指設計、制造和封測。最近幾年情況發生變化,我們把材料和裝備也納入集成電路的范疇。

 

很多人可能不了解什么叫設計、制造和封測,我用一個簡單的例子來類比,雖然不是很準確,但是我們可以大概理解其中的內容。

 

圖片

設計、制造、封測三業相對獨立的產業生態

 

集成電路的設計相當于一個作家在寫作,它是一個創作的過程,是一個知識產權密集的過程,也是一個人才密集的過程。

 

作家寫作完成之后需要印刷。這個印刷廠需要進行非常精密的印刷,字印得很小又很清晰,還能成千上百地印刷,中間不走樣。這就相當于集成電路的制造。它是規模化制造導向、設備密集、投資密集和專利密集的產業。

 

書本印刷之后需要裝訂,避免書本散架,裝訂過程中需要用到的材料還要防止磨損。裝訂也是一個非常重要的工作,需要檢查裝訂是否正確、整齊,這就相當于集成電路的封測。因此,寫作、印刷、裝訂基本上對應了設計、制造、封測。

 

圖片

集成電路芯片結構示意圖

 

芯片的制造高度復雜。如果我們打開一個芯片,會發現芯片里有幾十層異常復雜的東西,包括介質層、存儲器、互聯、接觸孔和晶體管等等。

 

我們用什么方式來建造如此復雜的芯片呢?芯片是靠一層一層的掩模板曝光刻蝕技術來建造的,這是鮑勃·諾伊斯發明并且沿用至今的技術。

 

圖片

集成電路芯片制造工藝流程示意圖

 

真正去看集成電路的制造工藝,如果從單晶開始考慮的話,它經過的步驟非常長。從拉單晶、磨外圓、切片、倒角到最后引線鍵合、模塑、切筋成型、終測等等,這是一個非常長的產業鏈,它涉及到了材料、裝備、設計、制造和封測等幾乎每個環節。

 

圖片

光刻工藝示意圖

 

這中間最重要的是光刻,光刻怎么做呢?

 

我們舉個簡單的例子。我們有個晶圓片,在晶圓片的上面做一個氧化層。氧化層可以幫助我們阻擋一些不該進入到硅片的東西。蒸了一層氧化層后,就要在氧化層上涂一層光刻膠。在光刻膠上方放置掩膜版。光源從上面照下來,把掩膜版上的圖形映射到涂了光刻膠的硅片上。隨后去做顯影,去掉暴露在光線里的光刻膠,只留下陰影擋住的那一塊,即圖中的L形。然后做刻蝕,把下面的氧化層刻掉。最后去掉L形上面的膠,這時就有個L形停留在硅片上面,這就是光刻技術。

 

這里我只簡單展示了光刻技術中的七個步驟,如果加上清洗等環節,一層光刻過程可能包含十幾個步驟。

 

圖片集成電路的工藝節點和掩膜層數

 

我們今天的芯片制造可能會涉及到很多層,例如,在7納米時候曾經高達到85層。優化之后,到7nm+時我們只有75層。但是到5納米時,我們又回到80層。

 

每一層都含有幾十個簡單的步驟,相乘之后,我們的制造就會有極多的步驟。例如,在10納米時,我們就會有3000步。所以我們常用層數來表征制造的復雜度。如果制作1層需要1天的時間,那么我們制作5納米就需要80天,所以集成電路需要很長的時間去制造。

 


思想晚餐  


已完成:80% //////////



我們的“中國芯”


那我們國家的芯片發展得怎么樣呢?

 

圖片

全球半導體市場分布情況

 

首先,中國是全球最大的單一半導體市場。2020年,我們中國使用的芯片價值1515億美元,占比是35%。全球生產的芯片每三塊中就有一塊是被中國消費的。

 

圖片

中國集成電路產業鏈各環節發展情況

 

中國自己生產的集成電路并不是太多,在行業中最主要的是設計。我們去年的芯片設計產值一共是3778億人民幣,相當于約540億美元。我們的增長速度非常快,在過去的十幾年中,我們的設計提升了將近45倍,制造提升了將近14倍,封測提升了9倍。而同期全球的增長速度遠遠低于我們。所以,在新世紀以后,半導體芯片在中國的發展是非常快的。

 

圖片

中國芯片設計產業發展情況

 

從2004年到2020年,我國的芯片設計產業快速發展,年均復合增長是27.1%。這意味著我國芯片設計產業連續16年增長27%,增長速度非常快,每隔三五年就能翻一番。2014年以后,我國的芯片設計產業已經達到了相當大的規模,年均復合增長率仍然在保持在兩位數,大概在25.2%。

 

圖片

中國芯片制造產業發展情況

 

前些年我們的芯片制造業發展速度不夠快,過去16年的年均復合增長率是18%,但是最近的五六年在加速發展,已經達到24%。

 

圖片

中國芯片封測產業發展情況

 

我們的芯片封測業曾經是這個行業中規模最大的產業,雖然發展速度不是最快的,但是它長期主導著這個行業。它的年均復合增長率在15%左右,近些年發展速度有點放慢,基本在12.2%。

 

圖片

中國半導體裝備產業發展情況

 

我們的芯片裝備制造業也在迅速增長,現在年均復合增長率達到25%。

 

圖片

中國半導體材料產業情況

 

我們的芯片材料業起步非常晚,過去十年我們才慢慢起步,增長速度還不夠快。

 

但是可以看到,我國擁有比較完整的產業鏈,有半導體產業鏈里的所有內容,盡管發展水平還不夠高。

 

圖片

芯片產品全球市場占有率穩步提升

 

2004年,我們的芯片產品在全球市場的占有量只有0.58%;2020年,我們的全球市場的占有量達到了12.7%。之前提到,中國是最大的單一半導體市場,占世界市場的35%。按價值計算,我們只能滿足12.7%,還有20%多就要完全靠進口,因此中國芯片進口量非常大。

 

圖片

中國企業進入全球前十

 

中國的企業進步也很快,我們在芯片設計、制造和封測都有企業進入了相關領域的前十位。設計企業有兩家,代工企業有兩家,封測企業有三家。

 

圖片

中國芯片的進出口情況

 

由于我國的芯片生產無法滿足國內市場,因此我們芯片的進口量很大。從2013年開始,我們的進口芯片價值超過2000億,2018年超過了3000億,之后一直維持在3000億以上。2020年我們的進口芯片價值達到了3500億。

 

大家可能會疑惑,全球一共產了4000多億的芯片,中國進口了3500億,使用了1500多億,剩下的2000億進口去哪兒了?

 

這2000億裝到整機中又出口了。中國是世界工廠,一方面自己消費很多芯片,同時我們也給世界生產的很多整機也用到了很多芯片。如果今天中國不再生產整機,全世界的芯片廠家就無法賣出芯片,便會產生災難性的結果。

 

圖片

高端芯片產品對外依存度很高

 

但也要承認我國是一個起步比較晚的國家,在芯片上仍然有很多短板,在高端芯片上還有很多是依賴國外的。但我們確實在不斷地進步,上面這張表格中的數字這些年在不斷提升,但是還有一些部分的市場占有率數字小于0.5。這并不意味著我們沒有,只是我們還不能夠在市場上占有重要的地位,這也是我們努力的方向。總而言之,高端芯片還沒有擺脫對進口的依賴,這也是近兩年我們為什么如此關注芯片的緣故。特別是在國際形勢發生變化的時候,芯片帶來的一些痛處,讓我們非常難受,我們要加速努力。

 

今天我的分享到此結束,謝謝大家!


聯系我們

公 司:深圳市浦洛電子科技有限公司

聯系人:田副總經理

電話:0755-27889099-860

手機:15013898675

E-mail:sales@www.ohlandscape.com

地 址:深圳市寶安區福永新田大道71-1福寧工業園A棟6F

蜂鸟电竞|Welcome