汇春科技丨芯片设计制造是一场长征之路

芯片是一种集成电路,通过精细加工将半导体器件聚集在硅晶圆上。制造出来的芯片虽然只有指甲般大小,却具有信息采集、处理、存储、控制、导航、通信、显示等诸多功能,是一切电子设备最核心的元器件。

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在当今的信息社会,芯片的应用无处不在。从我们日常使用到的手机、电脑、冰箱、洗衣机到航天航空用的火箭卫星导航再到军事领域的先进武器,这一切都离不开芯片。可以说如果没有芯片,世界上所有与电有关的设计都无法正常工作。


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广泛的应用需求,推动着芯片市场的扩大,也推动着芯片技术的迅速发展。据美国半导体产业协会统计,2017年1月至2月,中国和美国的芯片市场规模份额分别为33.10%和19.73%。中国虽然是全球最大、增长最快的芯片市场,但许多高端芯片要进口。因此,中国芯片的自主设计制造显得尤为重要。


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然而芯片的设计制造是一个集高精尖于一体的复杂系统工程,难度之高不言而喻。


01
设计之艰


设计一款芯片,首先要设计架构,确定芯片的指令集、功能、输入输出管脚、性能与功耗等关键信息,然后进行构架评估。评估通过前端设计工程师就开始对电路的数字部分和模拟部分进行分块设计。同时,验证工程师也开始搭建验证环境,准备整个芯片的验证工作。数字电路和模拟电路通过电路设计评估之后,后端工程师开始设计物理版图,将电路按照连接关系翻印到硅片上,同时验证工程师进行端口仿真。如此一来,芯片设计才算完成。


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这一系列的设计不允许有任何差错,不然一切都要重新再来。如果重新设计加工,一般至少需要一年时间,再投入成百万甚至上千万元的经费。


02
制造之难


芯片设计好了后就开始制造,一条芯片制造生产线大约涉及50多个行业,一般要经过2000至5000道工艺流程,制造过程相当复杂。


沙子是制造芯片的基本材料,经过脱氧处理后,逐渐熔炼成“单晶硅锭”,横向切割成圆形的单个硅片,就是我们常说的晶圆。


获得晶圆后,将感光材料均匀涂抹在晶圆上,利用光刻机将复杂的电路结构转印到感光材料上,被曝光的部分会溶解并被水冲掉,从而在晶圆表面暴露出复杂的电路结构,再使用刻蚀机将暴露出来的硅片的部分刻蚀掉。

晶圆片抛光后

利用光刻机将设计好的电路转印到晶圆上


在晶圆上刻蚀出来复杂的结构

接着,经过离子注入等数百道复杂的工艺,这些复杂的结构便拥有了特定的半导体特性,并能在几平方厘米的范围内制造出数亿个有特定功能的晶体管。

镀铜后再切削掉表面多余的铜

再覆盖上铜作为导线,就能将数以亿计的晶体管连接起来。

经过测试、晶片切割和封装就得到芯片

一块晶圆经过数个月的加工,在指甲盖大小的空间中集成了数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件,经过测试,品质合格的晶片会被切割下来,剩下的部分会报废掉。千挑万选后,一块真正的芯片就这么诞生了。


芯片制造过程中还需要使用大量高精尖设备,其中高性能的光刻机又是一大技术瓶颈。如最先进的7纳米极紫外光刻机,目前只有荷兰一家公司能制造,价格上亿美元不说,一年仅能生产20台左右。


03
耗费之大


自20世纪50年代末发明集成电路以来,芯片的集成度一直遵循摩尔定律迅猛发展,即每隔18个月提高一倍。半个多世纪以来,芯片的性能和复杂度提高了5000万倍,特征尺寸则缩减到一根头发丝直径的万分之一。芯片领域竞争十分激烈,美、欧等发达国家处于技术领先地位,芯片研发相对落后的国家,短时间内追赶有难度。


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一款复杂芯片,从研发到量产,要投入大量人力、物力和财力,时间至少要3至5年,甚至更长。


04
中国芯奋起直追


目前,全球高端芯片市场几乎被美、欧等先进企业占领。但加速研发国产自主芯片一直是政府、企业、科研院所的重点发展方向。近年来,我国在集成电路领域已取得了长足进步,芯片自给率不断提升,高端芯片受制于人的局面正在逐步打破。


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随着国家的大力扶持和一系列关键核心技术的突破,“中国芯”正逐步缩短与发达国家的差距,“中国创造”终将占领信息系统技术制高点,真正把竞争和发展的主动权掌握在自己手中。


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时代在发展,社会在进步,面对竞争激烈的市场需求,汇春科技将不断研发出符合市场需求的优质产品,为中国芯的崛起而奉献出自己的一份力量。


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