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我们天天议论芯片,你可知道芯片究竟是什么?

日期:2020/9/30 9:48:23
摘要:我们再进一步比喻,制造芯片就像在一颗米粒上雕刻出一个完整的地球,而且还要把地球上所有的道路和建筑都要雕刻出来。道路就是芯片上的导线,建筑就是芯片上的电子元件。通过这个比喻,读者便可想象,制造芯片该有多复杂,难度该有多大。

1. 芯片的发明改变了人类生活方式  

1947 年 12 月 23 日,美国贝尔实验室 3 位科学家约翰·巴登、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿发明了锗晶体三极管,电子世界进入半导体时代。晶体三极管的 3 位发明人获得 1956 年诺贝尔物理学奖。

20 世纪 50 年代是半导体的黄金时期,几乎所有的半导体材料和基本工艺都是在这一时期研发出来的。

1954 年 10 月 18 日,美国德州仪器公司发明了晶体管收音机,这个有 4 只晶体三极管的收音机小到可以装到口袋里。

1958 年 9 月 12 日,德州仪器公司电子工程师杰克·基尔比(1923 年 -2005 年)发明了集成电路,并在 1959 年成功制造出世界上第一块集成电路,即芯片。该集成电路就是在一块锗片上蚀刻出 PNP 型晶体管(三极管)、电阻和电容,用外部导线把它们连接成电路。这块简陋的集成电路拉开了芯片产业的序幕,也把人类科技水平推向一个新的高峰,并彻底改变了人类的生活方式。

芯片制造技术的不断进步让单个晶体管价格大降。1959 年,一块芯片上有 6 个晶体管,折合每个晶体管 10 美元;1971 年,一块芯片上有 2000 个晶体管,折合每个晶体管 0.3 美元;2004 年,一块芯片上有上百亿个晶体管,单个晶体管价格跌至十亿分之一美元。芯片性价比的提高,让芯片进入普通百姓家庭成为可能。

芯片可谓 20 世纪最伟大的发明,其他很多发明也建立在芯片的基础上。今天,我们生活在一个被芯片包围的世界里,没有芯片寸步难行。

百姓日常生活离不开芯片,手机、电脑、智能手表等智能设备有芯片,光猫、路由器、U 盘、储存卡、移动硬盘等网络设备和电脑外设有芯片,身份证、护照、银行卡、购物卡、消费卡等随身证件有芯片,电视、音响、投影仪、充电器、LED 灯、电子秤、空调、冰箱、微波炉、电磁炉、热水器等家用电器也有芯片,门禁、监控、太阳能电池等也需要芯片。如果谁发明一种代码让世界上所有的芯片失效,那人类生活将会停滞。

杰克·基尔比因发明芯片获得 2000 年诺贝尔物理学奖。他也是手持计算器和热感打印机的发明人。基尔比被人称作科学家时,他谦虚地说:“科学家是解释事物的人,要有伟大的思想;而我是解决问题的人,就是个工程师,职责就是发明新工艺,制造新产品,而且还要从发明创造中赚钱。”

2. 认识芯片必须首先了解“PN 结”

从上文可知,在半导体材料上制作出二极管、三极管、电阻、电容等电子元件,再用导线把它们连接起来,这就是集成电路,也叫芯片。要想认识芯片,必须首先了解“PN 结”,它是半导体技术的核心。

半导体材料掺入五价元素,电子浓度增大,形成 N 型半导体;半导体材料掺入三价元素,空穴浓度增大,形成 P 型半导体。“空穴”指的是共价键上的电子获得能量后摆脱共价键的束缚成为自由电子后,在共价键上留下的空位。

P 型半导体与 N 型半导体紧密接触后,带负电的电子和带正电的空穴便向对方扩散;电子和空穴在扩散中导致接触面形成内电场,内电场又阻止这种扩散,让电子和空穴向回漂移。当电子和空穴的扩散速度和漂移速度达到动态平衡时,P 型半导体与 N 型半导体的接触面便形成“PN 结”。

“PN 结”的主要性能就是“单项导电性”。如果把 P 型半导体端作正极,N 型半导体端作负极,电流便可通过 PN 结;如果把 N 型半导体端作正极、P 型半导体端作负极,电流则不能通过 PN 结。计算机用二进位就是由“PN 结”的性能决定的,电流通过“PN 结”代表“1”,电流不能通过“PN 结”代表“0”。

“PN 结”就是二极管。如果让两块 P 型半导体中间夹着一块 N 型半导体,就构成三极管,也就是上文提到的 PNP 型三极管。当然,如果让两块 N 型半导体中间夹着一块 P 型半导体,这就成了 NPN 型三极管。

普通人是看不到芯片“真身”的,芯片小如人的头皮屑,大的也就像人的指甲盖,因为它太单薄,必须封装在密封的壳中才能连接到外部电路上。打开电脑、电视等电器,可以看到一块很大的电路板,电路板上有很多电子元件,那些有多个引脚的电子元件就是芯片,这些引脚连接着芯片的输入输出端,有的在芯片封装体的两侧,有的在四个面上,有的则是在底部成矩阵排列,密密麻麻,有 1000 多个引脚。

3. 造芯片好比在一粒米上雕刻地球及所有道路建筑  

这里需要提及一个概念,那就是“摩尔定律”。1965 年,世界著名芯片制造商美国英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔提出,单片芯片上的晶体管数量会每年翻一番。后来他更正为每两年翻一番。这一判断经过实践验证基本正确。2011 年,英特尔酷睿 i7 芯片上有 22.7 亿个晶体管。目前,一些高端芯片上的晶体管数量超过数百亿个。几年前,半导体厂商 Cerebras Systems 用台积电 16 纳米制程工艺生产的 AI 芯片 WSE,则集成了 1.2 万亿个晶体管!

“制程”指的是芯片上晶体管栅极宽度,我们可以把它通俗地理解成晶体管的大小。制程越小,在一块芯片上制作的晶体管就越多,集成电路的规模就越大。

芯片运算速度不断提高,得益于芯片的集成度越来越高。芯片的集成度越高,上面的电子元件就越小,各电子元件之间的导线也就越短,电流通过时用的时间随之缩短,能耗减少,处理速度加快。

让一块芯片承载更多的晶体管,有三种方法,一是增加芯片面积,二是缩小晶体管体积,三是让集成电路立体化。增大芯片面积一般不被考虑,因为这会增加能耗,降低芯片的效率。现在,人们主要采取后两种方法增加芯片上的晶体管数量。

芯片制造属于微观世界,上面的电子元件小到只有几个原子或几个分子大,要用更小的度量衡单位纳米和埃来衡量。一般尺子上的最小刻度是毫米,1 毫米等于 1000 微米,1 微米等于 1000 纳米,1 纳米等于 10 埃。人的头发直径是 7 万纳米,周长是 22 万纳米。用制程 5 纳米工艺制造芯片,就好比沿着一根头发修建 4.4 万条公路。

缩小电子元件体积是有极限的,人们便考虑在一块芯片上搭建多层集成电路来增加晶体管数量。这就好比是建居民住宅,平房容纳的居民数少,盖成几十层高的楼房容纳的居民数就多。集成电路的叠加要比盖楼房复杂得多。楼房各层布局是相同的,而芯片各层电路是不同的,层与层之间的连接异常复杂。

我们再进一步比喻,制造芯片就像在一颗米粒上雕刻出一个完整的地球,而且还要把地球上所有的道路和建筑都要雕刻出来。道路就是芯片上的导线,建筑就是芯片上的电子元件。通过这个比喻,读者便可想象,制造芯片该有多复杂,难度该有多大。

4. 硅的提纯是芯片产业的基础

半导体材料很多,但在实际应用中,九成以上都选用硅,因为硅的熔点是 1415 摄氏度,可在芯片加工中允许高温工艺。

硅是从沙子冶炼来的,但要把沙子冶炼成能制造芯片的硅,需要极高的纯度。我们把纯度是 99.99%的金叫纯金(4 个 9),但制造芯片的硅的纯度至少要达到 11 个 9,即每 10 亿个硅原子里的杂质原子不得超过 1 个,这一纯度的硅 1955 年美国贝尔实验室就提炼出来了。目前一块芯片上有数以千亿计的电子元件,对硅的纯度要求更高,至少为 13 个 9,这是芯片制造的基础,不掌握硅的提纯技术,是不可能造出芯片来的!

读者会问,为什么制造芯片的硅要求纯度这么高? 芯片上的电子元件非常微小,如果用 5 纳米制程工艺制造芯片,上面有 1 纳米的杂质就会把整块芯片废掉。我们不妨打个比方。如果一条公路 40 米宽,公路中间有块 1 米宽的大石头,汽车可避开这块石头走,不会造成交通拥堵。但是,如果一条公路只有 5 米宽,公路中间有块 1 米宽的大石头,汽车就避不开这块石头了,这条公路就堵死了。

所以,制造芯片不但要求硅的纯度高,还要求制造工艺的各个环节是无尘的,其纯净度是医院外科手术室的 10 万倍,甚至有一半的工艺是在真空环境下进行的。正因为如此,新冠肺炎疫情下芯片制造厂无需停工抗疫,因为工作人员从头到脚全身防护,有的防护服甚至自带呼吸系统,以防人体新陈代谢的脱落物和呼出的气体污染芯片。

5. 光刻机其实是集成电路投影仪  

“光刻机”这个名字翻译不准确,很有误导性,很多人误认为光刻机通过物理接触在晶体硅表面上“刻”出集成电路来,就像电脑刻字一样。其实,芯片不是“刻”出来的,而是“照”出来的。所以,光刻机叫“集成电路投影仪”更贴切。

当制造芯片的晶圆进入光刻工艺阶段时,光刻机通过掩模版把集成电路图投影到晶圆表面的光刻胶上,光刻胶曝光后,通过化学药液把曝光区域蚀刻,然后清洗,这样,集成电路的图形就出来了。光刻过程和传统照相的照片冲印是一个道理,光线通过底片让相纸感光,然后把感光的相纸放在药液里显影、定影。

一块芯片要经过数十次甚至数百次光刻,光刻后的若干工艺还需要几个星期,然后才能进入封装阶段。

芯片制造技术日新月异,但芯片制造的大多数核心技术出自贝尔实验室,贝尔实验室为信息技术革命所做的贡献永垂青史。

7. 有光刻机就能造芯片吗?  

很多读者对光刻机很感兴趣,认为有了光刻机就能造出芯片来。其实不然,虽然光刻机在芯片制造中占重要地位,但它仅是芯片制造 1000 多道工艺中的一道而已,有了光刻机但如果没能掌握其他工艺,照样造不出芯片来。

1961 年,美国 GCA 公司制造出世界上第一台光刻机。目前,世界上有 4 个国家的 7 家公司可以制造光刻机,即荷兰的阿斯麦尔,美国的英特尔、超科技半导体、鲁道夫,日本的尼康、佳能,德国的速思微科。

上文已述,芯片产业的基础是材料,也就是硅的提纯,不掌握硅的提纯技术,生产不出芯片级纯度的晶体硅,造芯片就无从谈起。

再有,芯片上有数以千亿计的电子元件,这么庞大的电路靠人工是画不出来的,必须使用电子设计自动化软件 EDA。EDA 是诸多自然学科的综合运用,由美国凯登、新思科技和明导三家公司垄断。

EDA 在芯片制造过程中起着决定性作用,芯片的功能和集成度,完全取决于 EDA 的设计能力。有了高纯度硅和光刻机,却没有 EDA 或不会使用 EDA,照样造不出芯片来。

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