文/李永乐
责编/刘霞

芯片产业是一个国家高端制造能力的综合体现,是全球高科技国力竞争的战略必争制高点。在信息时代,芯片是各行业的核心基石,电脑、手机、家电、汽车、高铁、电网、医疗仪器、机器人、工业控制等各种电子产品和系统都离不开芯片。

我国首台采用国产高性能通用处理器芯片“龙芯3A”和其他国产器件、设备和技术的万亿次高性能计算机“KD-60”由中国科学技术大学和深圳大学联合研制成功。

如果说人体最重要的器官是大脑,那么芯片就是电子设备的“大脑”。

那么,芯片到底是什么?

芯片的英文是chip,实际上是一片载有集成电路的半导体元件。我们可以把芯片大致分为两类,第一类叫做功能芯片,比如说cpu,cpu可以实现一定的计算功能;第二种叫做存储芯片,这种芯片可以存储一定的信息,比如我们电脑里有一种叫做闪存(flash)的东西,这种闪存就是一种存储芯片,它和硬盘不一样,硬盘是靠磁介质进行存储的,但是闪存则是靠半导体芯片集成存储的。

芯片内部都是半导体材料,大部份都是硅材料,也就是砂子,里面的电容、电阻、二极管、三极管都是用半导体做出来的。半导体是介于像铜那样易于电流通过的导体和像橡胶那样的不导通电流的绝缘体之间的物质。

中国公司在国外的研发中心正在做集成电路的人工抽检。(智芯国际控股有限公司供图)

如果想制作一个芯片,产业上大概要分这么几个内容:第一,我们首先要进行芯片的设计。我们想达到一定的功能,如何去实现?我们需要高级的人才把电路设计出来。第二是制作。第三就是封装,芯片制作出来后,如何把它装在一个板子上,变成一个可以销售的东西。这三个步骤中最难的是设计环节。

芯片设计多由专业IC设计公司进行规划、设计,像是联发科、高通、Intel等知名大厂,都自行设计各自的IC芯片,提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为IC是由各厂自行设计,所以IC设计十分仰赖工程师的技术,工程师的素质影响着一个企业的价值。

我们中国大部分的芯片产业集中在中低端,也就是在制作和封装环节,而芯片设计所涉及的产业很少。就算是我们自主研发的,也是比较低端的芯片,在高端芯片市场占有率非常低。

现在国内芯片设计主要依赖国外,个中原由也不完全是中国设计不了芯片,还是因为当下没有芯片迭代的条件。一方面,市场已经存在性能优越的芯片,甚至成本也低。另一方面,人们没有耐心去等国产的芯片去迭代,这直接限制了中国的芯片设计能力的提升。

关于芯片的制造,也是一个非常复杂的过程。我们可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子,藉由一层又一层的堆叠,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。然而,如果没有良好的地基,盖出来的房子就会歪来歪去,不合自己所意,为了做出完美的房子,便需要一个平稳的基板。对芯片制造来说,这个基板就叫晶圆。

纵观过去二十几年,电子信息通信产业是中国经济发展的一大亮点,手机、电脑、平板等产量都高居世界第一,但缺芯少魂的问题一直没能得到很好解决。

乐高积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物,藉由这个构造,我们可将两块积木稳固地叠在一起,且不需使用胶水。芯片制造,也是以类似这样的方式,将后续添加的原子和基板固定在一起。在固体材料中,有一种特殊的晶体结构——单晶(Monocrystalline)。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性,可以形成一个平整的原子表层。因此,采用单晶做成晶圆,便可以满足以上的需求。

一颗芯片的制造工艺非常复杂,一条生产线大约涉及50多个行业、2000~5000道工序。就拿代工厂来说,需要先将“砂子”提纯成硅,再切成晶圆,然后加工晶圆。晶圆加工厂包含前后两道工艺,前道工艺分几大模块——光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入;后道工艺主要是封装——互联、打线、密封。其中,光刻是制造和设计的纽带。

其中许多工艺都在独立的工厂进行,而使用的设备也需要专门的设备厂制造;使用的材料包括几百种特种气体、液体、靶材,都需要专门的化工工业。另外,集成电路的生产都是在超净间进行的,因此还需要排风和空气净化等系统。

生活中的电脑、手机、家电、汽车、机器人等各种产品都离不开芯片的大量应用。

经过漫长的流程,从设计到制造,终于获得一颗IC芯片了。然而一颗芯片相当小且薄,如果不在外施加保护,会被轻易地刮伤损坏。此外,因为芯片的尺寸微小,如果不用一个较大尺寸的外壳,将不易以人工安置在电路板上。

目前常见的封装有两种,一种是电动玩具内常见的,黑色长得像蜈蚣的DIP封装,另一为购买盒装CPU时常见的BGA封装。至于其他的封装法,还有早期CPU使用的PGA(Pin Grid Array;Pin Grid Array)或是DIP的改良版QFP(塑料方形扁平封装)等。

完成封装后,便要进入测试的阶段,在这个阶段便要确认封装完的IC是否有正常的运作,正确无误之后便可出货给组装厂,做成我们所见的电子产品。

中国的芯片产业也有过黄金年代。比如20年前,我国就提出口号,要发展自己的半导体。早期,高端通用芯片作为“核高基”专项之一,以及国家863计划等重大政策的加持,大量的政府资金涌入半导体产业。龙芯、飞腾等国产公司纷纷立项。

这些公司或多或少曾在自主研发上进行尝试,但研发进展缓慢。在863、973、自然科学基金、知识创新工程以及核高基重大专项等资金扶持下,中科院计算所2001年开始研制龙芯CPU。直到2010年,转型成立公司,该计算所研制的CPU的样品才完成产品化。目前龙芯的商用化进展并不大。

在我国自主研发芯片的过程中,也出现一些发人深省的事件。比如“汉芯一号”造假风波。

2003年,上海交大微电子学院院长陈进声称研发出了一个芯片叫“汉芯一号”,当时国家科委和上海市组织了一个发布会,对“汉芯一号”进行了测试,结论就是“这一成果接近国际先进技术,在某些方面的性能甚至超过了国外同类产品。”

2003年2月26日“汉芯一号”DSP芯片在成果鉴定会上。自主研发高性能芯片是我国科技界的一大梦想。但原本该给国人带来自豪感的“汉芯一号”,后来却变成了一起让人瞠目结舌的重大科研造假事件。

“汉芯”的诞生,在当时被定义为“中国芯片产业的里程碑”。陈进因此也是荣誉加身,攀上了人生顶峰。

但后来在2006年时,陈进的一个研究生“叛变”了,他在水木BBS上发了一篇帖子,直指他的导师陈进教授“汉芯一号”作假。那么究竟是怎么做的假呢?实际上陈进是在美国买了一个摩托罗拉的芯片,他找了一个民工,把摩托罗拉芯片上的原标记磨掉。然后又打上了自己“汉芯一号”的LOGO,这样就变成了中国自主研发的芯片。“汉芯”诞生后,陈进借此荣耀申请了数十个科研项目,骗取高达上亿元的科研基金。

后来这个事件被调查证实属实后,陈进被撤销了一切职务。从那以后,中国的芯片产业进入了一个低谷,没有人再敢去搞芯片了,很多的新兴项目,上马的时候都非常谨慎,这也导致这十多年中国的芯片企业基本上发展缓慢。

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