芯片制造流程圖。制圖：扈 嘯

設(shè)計(jì)制造難在何處

芯片的設(shè)計(jì)制造是一個(gè)集高精尖于一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程，難度之高不言而喻。那么，究竟難在何處？

架構(gòu)設(shè)計(jì)難。設(shè)計(jì)一款芯片，科研人員先要明確需求，確定芯片“規(guī)范”，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關(guān)鍵信息，將電路劃分成多個(gè)小模塊，清晰地描述出對(duì)每個(gè)模塊的要求。然后由“前端”設(shè)計(jì)人員根據(jù)每個(gè)模塊功能設(shè)計(jì)出“電路”，運(yùn)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立模型并驗(yàn)證其功能準(zhǔn)確無(wú)誤。“后端”設(shè)計(jì)人員則要根據(jù)電路設(shè)計(jì)出“版圖”，將數(shù)以億計(jì)的電路按其連接關(guān)系，有規(guī)律地翻印到一個(gè)硅片上。至此，芯片設(shè)計(jì)才算完成。如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)，不能有任何缺陷，否則無(wú)法修補(bǔ)，必須從頭再來(lái)。如果重新設(shè)計(jì)加工，一般至少需要一年時(shí)間，再投入成百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)元的經(jīng)費(fèi)。

制造工藝復(fù)雜。一條芯片制造生產(chǎn)線大約涉及50多個(gè)行業(yè)，一般要經(jīng)過(guò)2000至5000道工藝流程，制造過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。制造芯片的基礎(chǔ)材料就是普通沙子，它如何變成制造芯片的材料呢？沙子經(jīng)脫氧處理后，通過(guò)多步凈化熔煉成“單晶硅錠”，再橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，即“晶圓”。這一過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，而在晶圓上制造出芯片則更難。首先要將設(shè)計(jì)出來(lái)的集成電路“版圖”，通過(guò)光刻、注入等復(fù)雜工序，重復(fù)轉(zhuǎn)移到晶圓的一個(gè)個(gè)管芯上，再將管芯切割后，經(jīng)過(guò)封裝、測(cè)試、篩選等工序，最終完成芯片的制造。值得一提的是，制造過(guò)程中還需要使用大量高精尖設(shè)備，其中高性能的光刻機(jī)又是一大技術(shù)瓶頸。如最先進(jìn)的7納米極紫外光刻機(jī)，目前只有荷蘭一家公司能制造，價(jià)格上億美元不說(shuō)，一年僅能生產(chǎn)20臺(tái)左右。

投入大、研制周期長(zhǎng)。一款復(fù)雜芯片，從研發(fā)到量產(chǎn)，要投入大量人力、物力和財(cái)力，時(shí)間至少要3至5年，甚至更長(zhǎng)。處理器類芯片還需要配套復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，同樣需要大量人力物力來(lái)研制。美國(guó)英特爾公司每年研發(fā)費(fèi)用超過(guò)百億美元，有超過(guò)5萬(wàn)名工程師。

發(fā)展迅速、追趕難度大。自20世紀(jì)50年代末發(fā)明集成電路以來(lái)，芯片的集成度一直遵循摩爾定律迅猛發(fā)展，即每隔18個(gè)月提高一倍。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，芯片的性能和復(fù)雜度提高了5000萬(wàn)倍，特征尺寸則縮減到一根頭發(fā)絲直徑的萬(wàn)分之一。芯片領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家處于技術(shù)領(lǐng)先地位，芯片研發(fā)相對(duì)落后的國(guó)家，短時(shí)間內(nèi)追趕有難度。

“中國(guó)芯”正加速追趕

目前，全球高端芯片市場(chǎng)幾乎被美、歐等先進(jìn)企業(yè)占領(lǐng)。但加速研發(fā)國(guó)產(chǎn)自主芯片一直是政府、企業(yè)、科研院所的重點(diǎn)發(fā)展方向。近年來(lái)，我國(guó)在集成電路領(lǐng)域已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，芯片自給率不斷提升，高端芯片受制于人的局面正在逐步打破。

我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)終端芯片，已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，多次排名世界第一的“神威太湖之光”和“天河二號(hào)”，全部和部分采用了國(guó)產(chǎn)高性能處理器。國(guó)產(chǎn)手機(jī)、藍(lán)牙音箱、機(jī)頂盒等消費(fèi)類電子產(chǎn)品，也開始大量使用國(guó)產(chǎn)芯片。

11月9日，“2018中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)”在重慶舉辦，102家企業(yè)的154款產(chǎn)品參加本屆優(yōu)秀“中國(guó)芯”評(píng)選，“飛騰2000+高性能通用微處理器”等24款產(chǎn)品獲獎(jiǎng)，涵蓋從數(shù)字交換芯片到模擬射頻電路、人工智能芯片到指紋識(shí)別傳感器、工業(yè)控制到消費(fèi)類電子等各個(gè)領(lǐng)域。

這一系列進(jìn)步的背后，是國(guó)家高度重視和大力投入。2006年，國(guó)務(wù)院頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，2014年6月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，都對(duì)這一領(lǐng)域發(fā)展提出了部署要求。

隨著國(guó)家的大力扶持和一系列關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，“中國(guó)芯”正逐步縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，“中國(guó)創(chuàng)造”終將占領(lǐng)信息系統(tǒng)技術(shù)制高點(diǎn)，真正把競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展的主動(dòng)權(quán)掌握在自己手中。

【專家小傳】扈嘯，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副研究員，數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)與應(yīng)用專家。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，出版編著2部，發(fā)表論文30余篇。