芯片研發(fā)究竟有多難？

國防科技大學計算機學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，應用廣泛，是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基石。

■它事關(guān)國計民生與信息安全，牽動著億萬國人的心。

小小的它這般神奇

簡單說來，芯片就是一種集成電路，它是通過微細加工技術(shù)，把半導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，在于它可將多達幾億個微小的晶體管連在一起，以類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)絲直徑長度能并排放下1000個，且相互之間能協(xié)同工作、完成指定的任務。

制造出來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、控制、導航、通信、顯示等諸多功能，是一切電子設備最核心的元器件。

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

芯片不僅事關(guān)國計民生，而且涉及信息安全。一些西方國家出于自身利益考慮，將其視為一種貿(mào)易或戰(zhàn)爭的“武器”，輕則通過禁運、限售等措施，制約相關(guān)國家信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，重則通過接入互聯(lián)網(wǎng)芯片的“后門”，進行情報收集或?qū)嵤┚W(wǎng)絡攻擊。如前幾年發(fā)生的“棱鏡門”事件、某大國通過互聯(lián)網(wǎng)攻擊伊朗的核電站等，都與芯片有著千絲萬縷的聯(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。

信息社會不可或缺

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

在軍事領(lǐng)域，先進武器裝備、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)單元連接起來進行體系對抗，存儲芯片則能保存各種戰(zhàn)場數(shù)據(jù)而進行作戰(zhàn)效能和毀傷評估，等等。芯片已成為影響戰(zhàn)爭勝負的重要因素。

廣泛的應用需求，推動著芯片技術(shù)的迅速發(fā)展。隨著更好工藝的采用以及片上系統(tǒng)、微機電集成系統(tǒng)等技術(shù)的進步，芯片開始進入“自組裝”的納米電路時代，競爭日趨激烈。

應用廣，市場就大。據(jù)美國半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2017年1月至2月，中國和美國的芯片市場規(guī)模份額分別為33.10%和19.73%。中國雖然是全球最大、增長最快的芯片市場，但許多高端芯片要進口。

設計制造難在何處

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

架構(gòu)設計難。設計一款芯片，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，將電路劃分成多個小模塊，清晰地描述出對每個模塊的要求。然后由“前端”設計人員根據(jù)每個模塊功能設計出“電路”，運用計算機語言建立模型并驗證其功能準確無誤。“后端”設計人員則要根據(jù)電路設計出“版圖”，將數(shù)以億計的電路按其連接關(guān)系，有規(guī)律地翻印到一個硅片上。至此，芯片設計才算完成。如此復雜的設計，不能有任何缺陷，否則無法修補，必須從頭再來。如果重新設計加工，一般至少需要一年時間，再投入成百萬甚至上千萬元的經(jīng)費。

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

投入大、研制周期長。一款復雜芯片，從研發(fā)到量產(chǎn)，要投入大量人力、物力和財力，時間至少要3至5年，甚至更長。處理器類芯片還需要配套復雜的軟件系統(tǒng)，同樣需要大量人力物力來研制。美國英特爾公司每年研發(fā)費用超過百億美元，有超過5萬名工程師。

發(fā)展迅速、追趕難度大。自20世紀50年代末發(fā)明集成電路以來，芯片的集成度一直遵循摩爾定律迅猛發(fā)展，即每隔18個月提高一倍。半個多世紀以來，芯片的性能和復雜度提高了5000萬倍，特征尺寸則縮減到一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一。芯片領(lǐng)域競爭十分激烈，美、歐等發(fā)達國家處于技術(shù)領(lǐng)先地位，芯片研發(fā)相對落后的國家，短時間內(nèi)追趕有難度。

“中國芯”正加速追趕

目前，全球高端芯片市場幾乎被美、歐等先進企業(yè)占領(lǐng)。但加速研發(fā)國產(chǎn)自主芯片一直是政府、企業(yè)、科研院所的重點發(fā)展方向。近年來，我國在集成電路領(lǐng)域已取得了長足進步，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。

我國自主研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)終端芯片，已實現(xiàn)規(guī)模化應用。在超級計算機領(lǐng)域，多次排名世界第一的“神威太湖之光”和“天河二號”，全部和部分采用了國產(chǎn)高性能處理器。國產(chǎn)手機、藍牙音箱、機頂盒等消費類電子產(chǎn)品，也開始大量使用國產(chǎn)芯片。

11月9日，“2018中國集成電路產(chǎn)業(yè)促進大會”在重慶舉辦，102家企業(yè)的154款產(chǎn)品參加本屆優(yōu)秀“中國芯”評選，“飛騰2000+高性能通用微處理器”等24款產(chǎn)品獲獎，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別傳感器、工業(yè)控制到消費類電子等各個領(lǐng)域。

這一系列進步的背后，是國家高度重視和大力投入。2006年，國務院頒布《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，2014年6月，國務院批準實施《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》，都對這一領(lǐng)域發(fā)展提出了部署要求。

隨著國家的大力扶持和一系列關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，“中國芯”正逐步縮短與發(fā)達國家的差距，“中國創(chuàng)造”終將占領(lǐng)信息系統(tǒng)技術(shù)制高點，真正把競爭和發(fā)展的主動權(quán)掌握在自己手中。