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一颗“芯”是如何炼成的:制造一颗芯片需5000道工序

时间:2018-04-23 14:46:31   作者:   来源:光明网   阅读:81   评论:0
    2017年中国集成电路进口量高达3770亿块,同比增长10.1%;进口额为2601亿美元(约合17561亿元),同比增长14.6%。2017年中国货物进口额为12.46万亿元,也就是说集成电路进口额占中国总进口额的14.1%,而同期中国的原油进口总额仅约为1500亿美元。中国在半导体芯片进口上的花费已经接近原油的两倍。
    近日,越来越多的人关注中国自主研发的芯片进展。若想炼成一颗中国“芯”,需要怎样的步骤?
现状
    半导体芯片进口花费,已接近原油两倍
    也许不是人人都了解集成电路,但许多人听说过摩尔定律。摩尔定律是指,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。在半个世纪前,由英特尔创始人之一的摩尔提出的这一推测,已经延续了50多年。
    摩尔定律揭示了集成电路领域的发展速度。在这样的高速创新发展中,集成电路的产品持续降低成本、提升性能、增加功能。也是在这样的高速发展中,各国集成电路技术的差距越拉越大。有业内人士表示,中国若想在主要集成电路领域追赶上顶级公司,需要的不止时间,而是整个系统性提升。
    海关总署公开信息显示,集成电路进口额从2015年起已连续三年超过原油,且二者进口差额每年都在950亿美元以上。其中,2017年中国集成电路进口量高达3770亿块,同比增长10.1%;进口额为2601亿美元(约合17561亿元),同比增长14.6%。2017年中国货物进口额为12.46万亿元,也就是说集成电路进口额占中国总进口额的14.1%,而同期中国的原油进口总额仅约为1500亿美元。中国在半导体芯片进口上的花费已经接近原油的两倍。
调查
    芯片有几十种大门类,上千种小门类
    芯片,是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片组,是一系列相互关联的芯片组合。它们相互依赖,组合在一起能发挥更多作用,比如,计算机里的中央处理器(CPU)及手机中的射频、基带和通信基站里的模数转换器(ADC)等,就是由多个芯片组合在一起的更大的集成电路。而集成电路是非常精密的仪器,其单位为纳米。一纳米为十万分之一毫米。这就对设计、制造工艺都有非常严格、高标准的要求。
    芯片的种类很多,芯谋研究首席分析师顾文军对北京青年报记者表示:“仅从产品种类来说,芯片的种类就有几十种大门类,上千种小门类;如果涉及设备流程的话就更多了。美国是整体式、全方位处于领先地位,而我们只是在某些领域里面有所突破,并且这些领域也并非核心、高端的领域,比如中国在存储器、CPU、FPG及高端的模拟芯片、功率芯片等领域,几乎是没有的。如果中国发力研发,在某些小的门类中可能会有所突破。”
追访
    一台通信基站内,有上百颗芯片
    以运营商业务为例,通信基站设备是其最主要的产品之一,而在一台通信基站中就有上百颗芯片负责实现不同功能。“简单来说,基站发射并回收信号,收回信号后首先要有芯片滤波,稳定信号;然后还有芯片将这种特别小的信号放大;再有芯片进行解析、处理;然后是芯片负责传输、分发。基站核心跟电脑类似,可以实现各种功能,但它可以支持多个手机,因而速度更快,芯片更复杂。”上述人士表示。
    其中,最典型的是ADC芯片,中国目前还无法生产出可替代产品。ADC芯片是模数转换芯片,负责将天线接收的连续的模拟信号转换为通话或上网的数字信号。目前ADC主要依赖亚德诺、德州仪器等公司供应。
    从软件方面来说,EDA仿真软件是另一个典型。利用该软件,电子设计师才可以在电脑上设计芯片系统,大量工作可以利用计算机完成,并可以实现多个产品的结合试验等。如果没有EDA仿真软件,则需要人工进行设计、试验,耗费的人力、时间等成本不计其数。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有十几种,基本都来自于美国。
关注
    制造一颗芯片,需要5000道工序
    一位芯片制造领域的专家向北青报记者介绍,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,再切成晶元,然后加工晶元。晶元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。
    有说法认为,集成电路是比航天还要高的高科技。该业内人士表示,这种说法也不无道理,“航天的可靠性估计也就4个9、5个9的样子(X个9表示在软件系统一年时间的使用过程中,系统可以正常使用时间与总时间之比)。现在硅晶圆材料的纯度就要6个9以上。”
焦点
    全球芯片、几乎被美日欧垄断
    根据前瞻研究院的报告显示,目前,全球芯片仍主要以美、日、欧企业产品为主,高端市场几乎被这三大主力地区垄断。在高端芯片领域,由于国内厂商尚未形成规模效应与集群效应,所以其生产仍以“代工”模式为主。
    截至2015年年底的数据显示,全球共有94家先进的晶元制造厂商,其中17家在美国,71家在亚洲(中国有9家),6家在欧洲。日本在上世纪80年代处于领先地位,但自90年代开始其全球半导体市场份额显著下降,至2015年仅有3家日本芯片制造商位列全球排名前二十——东芝、瑞萨电子和索尼。而与此同时,东亚其他国家已成为动态随机存取存储器市场的主要公司。韩国三星电子和海士力目前是世界第二和第三大半导体公司。
    根据美国半导体产业协会(SIA)的最新统计数据显示,2017年1月至2月,中国和美国的芯片市场规模份额扩大,分别为33.10%和19.73%;日本和欧洲的芯片市场份额有所下降,分别为9.29%和9.12%。中国芯片市场是全球最大、增长最快的市场,但是对外依存度过高。
热点
    英特尔一直是、世界上最大芯片制造商
    自1993年1月以来,英特尔一直是世界上最大的芯片制造商。个人计算机所用的CPU处理器中,英特尔就占据了八成份额。人们耳熟能详的奔腾、赛扬、酷睿等处理器都来自英特尔。目前,英特尔的年营收率仍然在继续增长——无论是从PC、数据中心服务器,还是物联网芯片。
    2016年英特尔仍是全球最大芯片供应商,全年芯片销售额达540.9亿美元,较2015年增长4.6%;市场份额达15.7%。
    而在手机芯片中,高通是另一大巨头。目前国内除了华为、三星等手机厂商外,其余安卓手机厂商采用的全部都是高通处理器。除了购买芯片的费用外,高通还向每台手机收取专利费用。此前,魅族就与高通对簿公堂,魅族副总裁李楠称,有100多家手机厂商都与高通签订了购买专利的协议。
亮点
    中国半导体前三,分别是华为、紫光、中兴
    而在国内,我国的半导体产业近年来也在加速发展。
    根据中国半导体行业协会统计,2017年中国集成电路产业销售额达到5411.3亿元,同比增长24.8%。其中,集成电路制造业增速最快,2017年同比增长28.5%,销售额达到1448.1亿元。设计业和封测业继续保持快速增长,增速分别为26.1%和20.8%,销售额分别为2073.5亿元和1889.7亿元。
    来自海关总署的数据显示,2017年中国出口集成电路2043.5亿块,同比增长13.1%;出口金额为668.8亿美元,同比增长9.8%。
    一份由半导体协会和工信部中国电子信息产业发展研究院公布的2017年国内十大集成电路设计/制造行业的最新排名报告显示,在国内前十大集成电路设计企业当中,华为海思半导体以361亿元销售额排名第一;清华紫光展锐以110亿元排名第二;中兴微电子以76亿元排名第三。随后的还有华大半导体、智芯微电子、汇顶科技、士兰微电子、敦泰科技(深圳)有限公司、格科微电子和中星微电子。
财经观察
    中国能否跳离,美国IP核另起炉灶?
    有专家表示,我国集成电路的起步并不算晚,只比美国晚几年。但由于其间欧美技术封锁、国内历史问题等多种因素,目前与欧美的差距比较大,想要在短时间内追赶有难度。
    一位从业者对北青报记者表示,从整个行业来看,美国卡的是“IP(知识产权)”,“围绕IP的战争更激烈,就算你用了人家的技术,人家也有产权,你无法绕开它去解决问题。”资料显示,IP核将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块,如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计成可修改参数的模块。上述人士表示,中国集成电路行业一直流行一个词语“弯道超车”,很多人在想,能否跳离美国的IP核而另起炉灶,另外开发一整套的生态系统?但这实在太复杂了。
    多位行业研究人士表示,目前中国的集成电路是系统性落后,整体提升需要从基础性研究和人才培养来做,需要比较久的时间,“我们需要先培养数学、物理等学科的基础人才。这些人提上来后,再由他们培养跟其他学科交叉的人才。他们需要掌握工业设计等技术。”
个案展示
    华为海思半导体有限公司成立于2004年,前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心。目前,海思总部位于深圳,在北京、上海及美国硅谷和瑞典设有设计分部。其产品覆盖无线网络、固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案,成功应用在全球100多个国家和地区;在数字媒体领域,已推出SoC网络监控芯片及解决方案、可视电话芯片及解决方案、DVB芯片及解决方案和IPTV芯片及解决方案。华为海思的产品在运营商业务、消费者业务等多个业务线都有应用,而普通消费者更多是因为华为手机搭载的麒麟处理器认识它,目前华为多款手机包括Mate系列、P系列及荣耀手机都有搭载。麒麟960还被外媒评为“2016最佳安卓机处理器”,表现超过高通处理器。海思总裁何庭波曾表示,“我们在开始做7纳米,也在跟着业界一起看5纳米这些更先进的工艺。”
华为海思
    麒麟960被评为“2016最佳安卓机处理器”
紫光展锐
    正致力研发
国产自主可控架构的CPU
    紫光展锐则是紫光集团响应国家的集成电路发展战略,而通过资本运作、企业布局等方式大力发展起来的。2013年12月,紫光集团收购在美国纳斯达克上市的国内排名第一、世界排名第三位的通信基带芯片设计企业展讯通信公司,进而在2014年7月完成对同为纳斯达克上市公司、国内排名第二的通信芯片设计企业锐迪科微电子公司的并购。2016年,紫光控股上海宏茂微电子公司,布局集成电路封装测试领域。同时,2016年紫光控股武汉长江存储有限公司,并在成都、南京陆续签约落地总投资额近1000亿美元的存储芯片与存储器制造工厂。
    据其官网消息,2015年,紫光展锐与英特尔达成合作,开发出了基于英特尔x86架构的系统芯片并上市。目前,紫光展锐拥有5000多名员工,其中90%以上是研发人员;在全球设有16个技术研发中心。紫光展锐正致力研发国产自主可控架构的CPU。

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