华为麒麟绝版背后:芯片制造究竟有多难?

2020/8/13 9:19:59 来源:老和山下的小学僧 作者:- 责编:青豆

IT之家注:本文转载自微信公众号 老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),原文发布时间为2020年8月10日,IT之家经授权发布。

8月7日,华为悲情地宣布,由于美国的制裁,麒麟芯片可能成为绝唱。因为,一直以来,华为主攻的是芯片设计,而非芯片制造。正如余承东坦诚:“遗憾的是,我们在半导体制造方面,华为在重资产投入型的领域,这种资金密集型的产业,华为没有参与,我们只做到了芯片的设计,但没搞芯片的制造,是我们非常大的一个损失。”

那么,制造到底有多难?看完这篇文章你就懂了!

芯片,以储量最丰富、成本最廉价的二氧化硅(也是沙子的主要成份)为原料,成就了这个星球的科技之巅,颁一枚最佳逆袭奖,实至名归!

01 芯片原理和量子力学

很多文盲觉得量子力学只是物理学家的数学游戏,没有应用价值,呵呵,下面咱给计算机芯片寻个祖宗。

导体,咱能理解;绝缘体,咱也能理解,小盆友们第一次被物理整懵的,怕是半导体了,所以先替各位的物理老师把这债还上。

原子组成固体时,会有很多电子混到一起,但量子力学认为,2个相同电子没法待在一个轨道上,于是,为了让这些电子不在一个轨道上打架,很多轨道就分裂成了好几个轨道,这么多轨道挤在一起,不小心挨得近了,就变成了宽宽的大轨道。在量子力学里,这种细轨道叫能级,挤在一起变成的宽轨道就叫能带。

有些宽轨道挤满了电子,电子就没法移动;有些宽轨道空旷的很,电子就可自由移动。电子能移动,宏观上表现为导电,反过来,电子动不了就不能导电。

好了,我们把事情说得简单一点。有些满轨道和空轨道挨的太近,电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上,于是就能自由移动,这就是导体。不过一价金属的导电原理稍有不同,它的满轨道原本就不太满,所以电子不用跑到空轨道也能移动。

但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的,电子单靠自己是跨不过去的,表现为不导电。但如果空隙的宽度在5ev之内,给电子加个额外能量,也能跨到空轨道上,跨过去就能自由移动,表现为导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体,有时导电、有时不导电,所以叫半导体。

如果空隙超过5ev,那基本就得歇菜,正常情况下电子是跨不过去的,这就是绝缘体。当然,如果是能量足够大的话,别说5ev的空隙,50ev都照样跑过去,比如高压电击穿空气。

到这,由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了,能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别,即,取决于满轨道和空轨道之间的间隙。学术点说,取决于价带和导带之间的禁带宽度。这里有个问题,一旦细轨道变少了,能不能挤成宽轨道就不好说了,所以能带理论本质上是一个近似理论,不适用于少量原子组成的固体。

半导体离芯片原理还很遥远,别急。

很明显,像导体这种直男没啥可折腾的,所以导线到了今天仍然是铜线,绝缘体的命运也差不多。半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情,所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业,如芯片、雷达。

下面有点烧脑细胞。

经过计算筛选,科学家用硅作为半导体的基础材料。硅的外层有4个电子,假设某个固体由100个硅原子组成,那么它的满轨道就挤满了400个电子。这时,用10个硼原子取代其中10个硅原子,硼这类三价元素外层只有3个电子,所以这块固体的满轨道就有了10个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子,为电子的移动提供了条件。这叫P型半导体。

同理,如果用10个磷原子取代10个硅原子,磷这类五价元素外层有5个电子,因此满轨道上反而又多出了10个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了10个人,这些人非常容易脱离公交车,这叫N型半导体。

现在把PN这两种半导体面对面放一起会咋样?不用想也知道,N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了,一直到电场平衡为止,这就是大名鼎鼎的“PN结”。

(动图来自《科学网》张云的博文)

这时候再加个正向的电压,N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上,电子的移动就是电流,这时的PN结就是导电的。

如果加个反向的电压呢?从P型半导体那里再抽电子到N型半导体,而N型早已挂满了额外的电子,多出来的电子不断增强电场,直至抵消外加的电压,电子就不再继续移动,此时PN结就是不导电的。

当然,实际上还是会有微弱的电子移动,但和正向电流相比可忽略不计。

如果你已经被整晕了,没关系,用大白话总结一下:PN结具有单向导电性,即,电流只能从这一头流向另一头,无法从另一头流向这一头。

好了,我们现在已经有了单向导电的PN结,然后呢?把PN结两端接上导线,就是二极管。

有了二极管,随手搭个电路:

三角形代表二极管,箭头方向表示电流可通过的方向,AB是输入端,F是输出端。如果A不加电压,电流就会顺着A那条线流出,F端就没了电压;如果AB同时加电压,电流就会被堵在二极管的另一头,F端也就有了电压。假设把有电压看作1,没电压看作0,那么只有从AB端同时输入1,F端才会输出1,这就是“与门电路”。

同理,把电路改成这样,那么只要AB有一个输入1,F端就会输出1,这叫“或门电路”:

现在有了这些基本的逻辑门电路,离芯片就不远了。你可以设计出一种电路,它的功能是,把一串1和0,变成另一串1和0。一不小心,我们就得到了芯片运算的本质:把一串1,0,变成另一串1,0。

简单举个例子,在左边输入1010,在右边输出0101,这就算完成了一次运算。

我们来玩个稍微复杂一点的局:

左边有8个输入端,右边有7个输出端,每个输出端对应一个发光管,7个发光管组成一个数字显示器。从左边输入一串信号:00000101,经过中间一堆的电路,使得右边输出另一串信号:1011011。1代表有电压,有电压就可以点亮对应的发光管,于是,就得到了一个数字“5”,如上图所示。

终于,我们已经搞定了数字是如何显示的!如果你想进行1+1的加法运算,其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了,即便本僧亲自出手,设计的电路运算能力也抵不过一副算盘。

直到有一天,有人用18000只电子管,6000个开关,7000只电阻,10000只电容,50万条线组成了一个超级复杂的电路,诞生了人类第一台计算机,重达30吨,运算能力5000次/秒,还不及现在手持计算器的十分之一。不知道当时的工程师为了安装这堆电路,脑子抽筋了多少回。

接下来的思路就简单了,如何把这30吨东西,集成到指甲那么大的地方上呢?这就是芯片。

02 芯片制造与中国技术

为了把30吨的运算电路缩小,工程师们把能扔的东西全扔了,直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发,说说芯片的逆袭之路。

第一,硅。

把这玩意儿氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,不过这种硅原子排列混乱,会影响电子运动,就叫多晶硅吧。

把多晶硅熔化了,按特定方法旋转提拉,就可以拉制成原子排列整齐的单晶硅。

所以成品就长这样:

硅的主要评判指标是纯度,你想想,如果硅原子之间有一堆杂质,那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。

无论啥东西,纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%,这玩意儿全世界超过一半是中国产的,早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了,11个9),几乎全赖进口,直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产,只是目前产量少的可怜,还不及进口的一个零头。难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该不错。不过,30%的制造设备还得进口……

电子级高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资),中国任重而道远。

第二,晶圆。

把单晶硅圆柱切片,就得到了圆形的硅片,因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了?

切好之后,就要在晶圆上把成千上万的电路装起来,干这活的就叫“晶圆厂”。各位拍脑袋想想,以目前人类的技术,怎样才能完成这种操作?用原子操纵术?想多了,朋友!等你练成御剑飞行的时候,人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件。

晶圆加工的过程相当繁琐,咱说个大概轮廓,谢绝专业人士挑刺。首先在晶圆上涂一层感光材料,这材料见光就融化,那光从哪里来?光刻机,可以用非常精细的光线,在感光材料上刻出图案,让底下的晶圆裸露出来。然后,用等离子体这类东西冲刷,裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽,这套设备就叫刻蚀机。再用离子注入机在沟槽里掺入磷元素,加热退火处理,就得到了一堆N型半导体。

完成之后,清洗干净,重新涂上感光材料,用光刻机刻图,用刻蚀机刻沟槽,用离子注入机撒上硼,就有了P型半导体。

整个过程有点像3D打印,把器件一点点一层层装进去。

这块晶圆上的小方块就是芯片,一块晶圆可以做多个芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路,这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明,最底层都是简单的门电路。只是采用了更多的器件,组成了更庞大的电路,运算性能自然就提高了。

提个问题:为啥不把芯片做的更大一点呢?这样不就可以安装更多电路了吗?性能不就赶上外国了嘛?这个问题很有意思。一块300mm直径的晶圆,16nm工艺可以做出100块芯片,10nm工艺可以做出210块芯片,于是价格就便宜了一半,在市场上就能死死摁住竞争对手,赚了钱又可以做更多研发,差距就这么拉开了。

说个题外话,中国军用芯片基本实现了自给自足,而且性能杠杠的,因为军用不计较钱嘛!可以把芯片做的大大的。另外,越大的硅片遇到杂质的概率越大,所以芯片越大良品率越低。总的来说,大芯片的成本远远高于小芯片,不过对军方来说,这都不叫事儿。

除了成本之外,大芯片的布线比小芯片更长,所以延时也更明显,驱动电流也大很多,由此导致整体设计更臃肿,性能上还是会吃亏。反正,小芯片就是比大芯片好用。

第三,架构。

用70亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路,想想就头皮发麻!一个路口红绿灯设置不合理,就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去,稍微有个PN结出问题,电子同样会堵车。所以芯片的设计异常重要,重要到了和材料技术相提并论的地步。

这么复杂的设计,必须得先有个章法。七十年代,英特尔率先想出了一个好办法:X86架构。详细内容不提了,简单来说,这架构虽然能耗高点、体积大点,但性能那是嗖嗖的,几乎垄断了电脑芯片市场,成就了如日中天的英特尔。

这相当于,英特尔提出造汽车用4个轮子,以后其他人想造4个轮子的汽车,就得先付授权费。这尼玛怎么忍,随后英国ARM公司提出了2个轮子的汽车方案:ARM架构。

毫无疑问,2个轮子肯定跑不过4个轮子,ARM架构虽然省电小巧,但性能实在有点寒碜,于是一直被英特尔摁着打。ARM熬到了九十年代,终于熬不住了,决定不再生产芯片,而是将ARM架构授权给其他公司生产,赚点授权费,这才保住了一条命。人算不如天算,进入21世纪,智能手机横空出世,芯片的能耗和体积一下成了关注点,于是ARM架构一飞中天,几乎垄断了手机芯片。

小结一下:

1)X86架构,能耗高、体积大、性能强。

2)ARM架构,能耗低、体积小、性能弱。

于是,一个占了电脑,一个占了手机,直到今天,仍是主流设计方案。至于其他3个轮子或5个轮子的汽车,多多少少还是有些劣势,没有形成主流。

决定汽车用几个轮子,距离造出汽车还差得很远。有了基本架构,后面的设计依然是漫漫长征路,所以还得要有好工具:EDA软件。Synopsys,Cadence,Mentor,三巨头几乎垄断了全球EDA市场,一水儿的美帝公司。直到最近,熬了三十年的华大九天终于露头了,这家中国电子信息产业集团的二级公司,连续多年以50%的年增长率狂追,算是站稳了脚跟。

虽然借助EDA软件的仿真功能可以判断电路设计是否靠谱,但要真正验证这种精巧线路的靠谱程度,只有一种办法,那就是:用。广泛的用!长久的用!正因为如此,芯片设计不光要烧钱,也需要烧时间,属于试错周期较长的核心技术。

既然是核心技术,自然就会发展出独立的公司,所以芯片公司有三类:既设计又制造、只设计不制造、只制造不设计。

第四,设计制造。

但凡要处理信息,基本都有芯片,包括通信芯片、服务器芯片、手机芯片、电脑芯片等等。早期的芯片复杂程度不算夸张,所以设计制造可以在同一家公司完成,最有名的是美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体;中国大陆的华润微电子、士兰微;中国台湾的旺宏电子等。外国、台湾、大陆三方,大陆的起点最低,早期的产品多集中在家电遥控器之类的低端领域,手机、电脑这些高端芯片几乎空白!

后来随着芯片越来越复杂,设计与制造就分开了,有些公司只设计,成了纯粹的芯片设计公司。如,美国的高通、博通、AMD,中国台湾的联发科,大陆的华为海思、展讯等。大名鼎鼎的高通就不多说了,世界上一半手机装的是高通芯片,AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。电脑和手机是芯片市场的两块大蛋糕,全是美国公司,世界霸主真不是吹的。

台湾联发科走的中低端路线,手机芯片的市场份额一度排第三,很多国产手机都用,比如小米、OPPO、魅族。不过后来被高通干的有点惨,销量连连下跌。

华为海思是最争气的,手机处理器芯片麒麟,市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会,海思芯片的进步真的相当不错。最近华为又推出了服务器芯片鲲鹏920,5G基站芯片天罡,5G基带芯片巴龙5000,性能都是世界顶级的,隐隐看到了在芯片设计领域崛起的势头。

展讯是清华大学的校办企业,比较早的大陆芯片企业。前段时间传出了不少危机,后来又说是变革的开始,过的很不容易,和世界巨头相差甚多。

大陆还有一批芯片设计企业,晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等,都是台湾老大哥的子公司,产品应用于电视、便携式电子产品等领域,还挺滋润。在大陆的芯片设计公司,台湾顶住了小半边天,另大半边天原本是塌着的,现在华为算是撑住了。

还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂,这必须得先说台湾最大的企业:台积电。正是台积电的出现,才把芯片的设计和制造分开了。2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%,规模和技术均列全球第一,市值甚至超过了英特尔,成为全球第一半导体企业。

没错,晶圆代工厂又是台湾老大哥的天下,除了台积电这个巨无霸,台湾还有联华电子、力晶半导体等等,连美国韩国都得靠边站。

大陆最大的代工厂是中芯国际,还有上海华力微电子也还不错,但技术和规模都远不及台湾。最近台积电开始布局大陆,落户南京,这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂,这架势和当年合资汽车有的一拼。

大陆中芯国际的14nm生产线刚刚上路,还在尚需努力的阶段。美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力;台积电已上线了7nm工艺,稳稳压过三星,首批客户就是华为的麒麟980芯片。

悄悄说一句,三星和台积电的大股东都是美帝财阀,不然人家怎么能叫美帝呢?

第五,核心设备。

芯片良品率取决于晶圆厂整体水平,但加工精度完全取决于核心设备,就是前面提到的光刻机。光刻机,荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下!日本的尼康和佳能也做光刻机,但技术远不如阿斯麦,这几年被阿斯麦打得找不到北,只能在低端市场抢份额。

阿斯麦是全球唯一的高端光刻机生产商,每台售价至少1亿美金,2017年只生产了12台,2018年24台,这些都已经被台积电三星英特尔抢完了,2019年预测有40台,其中一台是给咱们的中芯国际,不过最近听说莫名其妙被烧了,得延期交货。

既然这么重要,咱不能多出点钱吗?第一,英特尔有阿斯麦15%的股份,台积电有5%,三星有3%,有些时候吧,钱不是万能的。第二,美帝整了个《瓦森纳协定》,敏感技术不能卖,中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。

有意思的是,2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功(核心部件进口),2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国,后来中国开始攻关65nm光刻机,2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国,再后来美帝开始管不住小弟了,中芯国际才有机会去捡漏一台高端机。

2018年底有则消息让人惊出一身冷汗,最早中科院只是淡淡说了句光刻项目通过验收,然后铺天盖地的“中国光刻机终于翻身农奴把歌唱”,闹到最后连人民日报都坐不住了,直接批“国产光刻机自嗨文”误导公众,损坏中国科研形象。引一句原文:“这台光刻机要想应用于芯片,还要攻克一系列技术难题,距离还相当遥远。”

相比于光刻机,中国的刻蚀机要好很多,16nm刻蚀机已经量产运行,7-10nm刻蚀机也在路上了,所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。

不过离子注入机又寒碜了,2017年8月终于有了第一台国产商用机,水平先不提了,离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的。涂感光材料得用“涂胶显影机”,日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料,也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。

第六,封测。

芯片做好后,得从晶圆上切下来,接上导线,装上外壳,顺便还得测试,这就叫封测。封测又是台湾老大哥的天下,排名世界第一的日月光,后面还跟着一堆实力不俗的小弟:矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。大陆的三大封测巨头,长电科技、华天科技、通富微电,混的都还不错。

七、小结

这全景图大概描述了从硅片到芯片的全过程及中国的设备制造商,绝对是业内专家所做,值得一看。

03 中国芯

说起中国芯片,不得不提“汉芯事件”。2003年上海交通大学微电子学院院长陈进教授从美国买回芯片,磨掉原有标记,作为自主研发成果,骗取无数资金和荣誉,消耗大量社会资源,影响之恶劣可谓空前!以致于很长一段时间,科研圈谈芯色变,严重干扰了芯片行业的正常发展。

硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测,以及相关的半导体设备,绝大部分领域中国还是处于“任重而道远”的状态,那这种懵逼状态还得持续多久呢?国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出,2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,产业实现跨越式发展。

从研发的过程来看,需求不缺,资金不缺,只要烧足了时间,没理由烧不出芯片。当前,中国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零突破的阶段,虽然市场份额不多,但每个领域都参了一脚,而且势头不错,前景还是可期待的。

04 极限

文末,习惯性抱怨一下人类科技的幼稚。芯片,作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准,作为其根基的能带理论竟然只是个近似理论,电子行为仍然没法精确计算。再往大了说,别看现在的技术纷繁复杂,其实就是玩玩电子而已,顶多再加个光子,至于其他几百种粒子,还完全不知道怎么玩!

芯片加工精度已经到了7nm,虽然三星吹牛说要烧到3nm,可那又如何?你还能继续烧吗?1nm差不多就是几个原子而已,量子效应非常显著,作为基石的能带理论就不好使了,半导体行业就得在这儿歇菜。

烧钱也好,烧时间也罢,烧到尽头就是理论物理。基础科学除了烧钱、烧时间,还得烧人,烧的异常惨烈,100个高智商,99个都是垫脚石!工程师可以半道出家,但物理学家必须科班出身。

不能光折腾电子了,为了把中微子也用起来,咱赶紧呼吁更多孩子学基础科学吧!


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关键词:华为芯片

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