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为什么芯片很难研发?

芯片的应用十分广泛,电脑,现在你日日夜夜不离手的手机,人工智能AI,一块十分微小的芯片几乎决定了一个国家的工业水平,而咱们的这些技术还是要依赖外国进口才能得以实现很多日常需要的工作,如华为被列入实体名单之后,等于是扼制了发展的路口,同时也陷入了一个瓶颈期。而芯片技术国外可是十分领先的,为什么芯片制造这么难?

芯片最难的地方在于它对精度的要求,在之前,由于国外的技术封锁,世界上最先进的光刻机公司ASML公司生产的光刻机是禁止运到咱们国家的,没有了先进的设备,也就没办法制作先进的芯片,所谓研发只是一口空谈,这些年半导体工艺上不去就完全是因为没有先进的光刻机造成的,拿着不那么先进的机器做出来的芯片再好也是有一个上限的。

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就像以前设计程式要一行一行打字, 后来有程式产生器, 设计画面他就能产生程式与资料库, 早在20年前就有IC自动设计程式, 然而, 以CPU而言, 下一代要更快更强,四核变八核 ,那简单, 八个CPU并在一起, 整合规划一下就出来了, 但是, 因为主机板还有很多其他东西, 实体CPU还是一样大, 于是8倍线路塞进去的结果就是线路变细, 这就是晶圆奈米制程要越来越细的原因, 同时还发展多层线路与正反面线路。另一个例子就是DDR RAM现在到DDR4, 整体规格大小一直没变, 加的是容量与速度, 变成晶片上的电路线越来越细, 制程造会比设计容易?

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IC 技术关键在制造厂上,而不是在设计公司上,设计有很多东西,例如像 ARM CPU,并不难做(对我的团队来说),难的是如何让别人愿意用你 CPU 来做产品,但是 IC 厂就不一样了,像 TSMC,不要说制程的先进啦,光他的良率就是好到你不敢找别家来做。补充一点,例如,像现在 IC 速度越来越快,主要原因,是因为制程进步的关係,和设计关联并不大,基本上,设计包括设计 Tools是跟著制程走。

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最上游的IC design house的产品工程师,到晶圆代工foundry厂和晶圆封装的制程工程师,

我们的芯片主要问题应该在于制作精密工艺,其中最难点在于光刻。 一位技术员在全球第二大代工场global foundries,一家仅次于台积电的美国公司,其实没有说哪个国家能独立完成这个工艺,荷兰的光刻机,日德的精工仪器和自动化技术等等。 现在最高工艺是14nm,下一代是7nm 基本是极限了,不知那些说10nm和12nm是真是假。但在制作技术上应该还差3,4代。 如果说将来量子芯片真能取缔几乎到达极限的二进制算法硅晶芯片,那就说不定真的能弯道超车,不过最多只是少量出品,真正运用生产方面工艺还是任重而道远。

如龙芯处理器(中国设计,制造和封装没确认,可能还是国外)。但客观的来看可能还任重道远,相比如intel arm apple这些。可观看待事实。咱们可能在目前还无法设计大规模高频率高性能的数字逻辑,而现代处理器的规模都是上亿的逻辑门了。数字芯片的原理似乎很简单,但是难就难在如何把数亿的门组织成可以高效完成任务的数字逻辑,并且主要功能不能有一个bug,否则轻则几千万流片资金打水漂,重则在客户使用中出问题,损失无法估计,这就是现代数字芯片设计的难点。制造不是很熟悉,简单说就是要在指甲盖大小的硅片上制作上亿个逻辑门,还要用几亿根铜线把他们连起来,器件密度之大使得铜线和门都只有几十个原子的宽度,还要求造出来不能有瑕疵。

光刻机(图片来自网络)

一位花了20年玩过约30种cpu和mcu的资深技术员如是说:在涂光刻胶之前, 需要长一层氧化层(二氧化硅)。 也就是说,涂光刻胶是涂在 二氧化硅的薄膜上的, 而不是直接涂到硅片上的。光刻之后, 腐蚀掉的是二氧化硅, 而不是硅片本身。硅片是相当难腐蚀的, 而二氧化硅确实容易得多。架构设计不难,我举个例子,6年前我花了3个月就设计了3颗32bits的cpu包含pipeline;dual core;boot from i2c or nand flash or 4bits spi interface,去年底我又设计了1颗16bits的花了1个月,再来花了2星期设计了一颗单核1个clock可处理2~4个指令的cpu,接著又是1个星期设计了1个8bits的cpu,全都是在FPGA内跑 有指令快取和资料快取,给我1个月64bits的也没问题.这些架构全都与市面现存的架构不一样.我为何这么肯定。而设计处理器只要能写写VHDL and C and Assemble 这3种语言就ok了.

简单制作流程:准备硅片

1.约2550°F(1400°C),以去除硅中的任何杂质。

2.用切片机切割晶圆。

3.用一层二氧化硅涂覆晶片以形成绝缘基底并防止硅的任何氧化,这将导致杂质。

4.电路和元件的复杂和互连设计是在类似于制造印刷电路板的过程中制备的。然而,对于IC来说,尺寸要小得多,并且有许多层叠加在彼此之上。在计算机辅助绘图机上制备每层的设计,并将图像制成掩模,该掩模将被光学还原并转移到晶片表面。面罩在某些区域是不透明的,在其他区域是透明的。它具有在晶片上形成的所有数百个集成电路的图像。

接下来的就不说了,总之还是很有挑战性的项目。但还是衷心希望能有跨越性的时代出现,归结各方面原因,还是那句话,任重道远,加油

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