科学汇 | 小身躯大能量,集成电路:指甲盖上的“超级城市”

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钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

据央视新闻报道,3月1日,国新办举行工业和信息化发展情况新闻发布会。会上介绍,2020年我国集成电路销售收入达8848亿元,平均增长率达20%,为同期全球集成电路产业增速的3倍。与此同时,集成电路在我国高校中也早已正式成为一级学科。

同学们肯定都见过各种各样的集成电路板,是不是也惊叹于它小小的“身体”上竟蕴藏着如此强大功能?那么,集成电路为何如此强大?这个行业的发展趋势如何?

本期我们邀请到了杭州电子科技大学骆建军教授以及IT工程师黄河源为大家聊聊,集成电路这座“城市”到底是怎么建的。

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设计制造集成电路

就像兴建一座城市

集成电路,其实就是我们通常说的“芯片”,又叫“维电路”。

“芯片看起来很不起眼,因为它太小了,比指甲盖还小。”骆建军说。

然而,就是指甲盖那么大的封装起来的黑色小硅片,却是一切电子设备的核心,包括高铁、飞机、电视机、手机的核心,甚至是发动机的发动机……

为了让普通人理解芯片的复杂度,骆建军打了一个形象的比喻:“如果把一块芯片拿到一般的显微镜下看,就像是一张上海市地图;拿到更高级的电子显微镜下看,就能看到每家每户的窗户、阳台,一扇扇门,一条条马路;大家平常说的28纳米、15纳米,就是这个城市建筑的最小尺寸。”

这个尺寸有多小?1纳米大约相当于六万分之一的头发丝。如此细微的结构,只有在显微镜下才能显现其宏伟壮观。

骆建军说,集成电路设计,就好像在这个指甲盖大小的“地图”上,设计一座“新上海城”——

马路是7层甚至8、9层立交的;建筑物有几百万座;拥有几千万人口,几亿扇门窗不断开关;所有建筑物的门窗一秒钟要开关上亿次,而且不能够有一扇门窗的开关不准确。

“在这张超级地图上,每个房间都要供电、供水,一两个房间水压不够就可能造成电路计算不准确,你的飞机就可能掉下来,这就是失败的芯片。”

集成电路芯片在设计环节出现任何一个小缺陷,就必须重来。重新设计又需要至少1年时间,几千万元的投入。“所以集成电路设计需要从软件到硬件的高超的设计、指挥、风险控制能力。”

“如今,硅谷占领了芯片设计和软件这个产业金字塔的顶尖。”骆建军说。

上世纪八十年代的硅谷,拥有很多半导体生产线。硅谷也以此从一个葡萄园为主的干旱山谷转变为以“硅”工业为核心的高科技基地。到了上世纪九十年代,这些生产线逐渐移到了美国偏远地区、亚太地区,台湾、韩国、新加坡就是在这个时期建立了很多生产线,集成电路开始发展起来。

“今天的硅谷,已经基本上没有生产线。”骆建军说。“以设计公司和软件公司为主流。”例如,全球GPU领军企业(英伟达)、全球最大的可编程器件公司XILINX(赛灵思)、通信芯片公司Broadcom(博通),都是没有生产线、纯粹靠智慧设计在领导全球某个产业方向。

聚集着元器件的“土地”

还真是从沙土中提炼的

说到创建一座“城市”,我们会想到一座城市需要“土地”啊!所以,集成电路也有自己的“土地”。

黄河源介绍说,这片“土地”其实是一种圆形的叫“晶圆”的东西。晶圆是制作硅半导体电路所用的硅晶片,其原始材料是硅。说起来,这晶圆还真跟土地有关,因为简化了说,硅就是从沙子精炼出来的。

听上去好像挺简单的,但实际上,晶圆是一种极难生产制造的原材料,世界各国都在不断加大研究力度,其中就包括咱们国家,因为它关系着芯片的研发。

那制造晶圆的难度到底在哪儿?

说得比较多的难度之一,就是提纯。半导体产品对晶圆的纯度要求极高,纯度需要达到99.999999999%或以上。因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感,稍有杂质“超标”,就会导致集成电路出故障甚至报废。

此外,还有别的难度,比如将电路植入晶圆,这就像城市规划一样,每一片晶圆在被使用前都要经过光刻这个步骤——事先设计好架构,用极其精密的光学仪器在晶圆上进行“地块划分”、“街道建设”等。之后还有一系列例如离子注入、镀铜、测试、切割等一系列工序……

在进行了超过500道工序之后,才能让指甲盖大小的集成电路上集合巨量的特定功能晶体管。最后,再进行切割。大家可能都见过一些芯片照片,一般都是正方形或者长方形的,其实就是从晶圆上精确切割下来的。

芯片行业是科技竞争的一个重要高地。当前,我国集成电路产业高速增长,技术创新能力不断提高,我国2020年8月印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中专门强调,加强集成电路和软件专业建设,加快推进集成电路一级学科设置,支持产教融合发展。

关键设备:光刻机

价值连城的“刀”

中芯国际3月3日发布公告称,其与阿斯麦(上海)机电设备有限公司签订了批量采购协议,期限延长至2021年12月31日。同时中芯国际在报告中披露了此前的购买金额,购买“用于生产圆晶的阿斯麦产品”,总价为12亿美元!

什么是“用于生产圆晶的阿斯麦产品?其实,就是芯片制造中非常关键的设备——光刻机。

我们平时看到的方块形的芯片,其实是在一片比较大的圆晶上切割下来的。圆晶尺寸越大,一片圆片上可以生产的芯片就越多,可以降低生产成本。

那么,是什么设备可以在圆晶上面蚀刻电路呢?那就是光刻机。光刻机顾名思义,就是用光作为“雕刻刀”,把电路刻到圆晶上去。

这把刀的精度,取决于光的波长。波长越短,精度越高,能刻出的电路就越复杂。

目前最先进的EUV光刻,就是“极紫外光刻”,它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源。要想生产7纳米及更先进制程的芯片,就需要EUV光刻机。目前世界上只有阿斯麦等少数企业能生产EUV光刻机。

为了加快国产光刻机的攻关,2008年,国家层面专门成立了“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”,以建立自主的高端光刻技术和产业发展能力作为重大、核心的战略目标,并已逐渐取得可喜的成就。

兴趣小组:

集成电路的诞生

为什么会产生集成电路?

1946年在美国诞生的世界上第一台电子计算机,它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物,里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线,耗电量150千瓦。

显然,占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题。那么,能不能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上呢?

当时就有许多科学家和工程师研究过这个问题。

比如,英国雷达研究所的科学家达默,他在1952年的一次会议上提出:可以把电子线路中的分立元器件,集中制作在一块半导体晶片上,一小块晶片就是一个完整电路,这样一来,电子线路的体积就可大大缩小,可靠性大幅提高。

这就是初期集成电路的构想,晶体管的发明使这种想法成为了可能。

1947年,美国贝尔实验室造出来了第一个晶体管,而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能,并且克服了电子管的上述缺点,因此在晶体管发明后,很快就出现了基于半导体的集成电路的构想,也就很快发明出来了集成电路。

杰克·基尔比(Jack Kilby)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路。

现在,集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用,是现代信息社会的基石。集成电路的含义,已经远远超过了其刚诞生时的定义范围。但其最核心的部分,仍然没有改变,那就是“集成”。

其所衍生出来的各种学科,大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。

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