中国缺芯之痛:为什么芯片那么难制造?

我们都知道,小到手机,大到航天飞机,现在生活中方方面面的电子设备都需要一种叫做芯片(chip)的小玩意。芯片到底是什么呢?为什么这么难做?

作者 / 李老师 出品 / 公众号“李永乐老师”(ID:xuexige2017)

芯片是什么

简单来说,芯片是一个小型化的集成电路,在很小的体积上制作了许多的半导体元件,并且利用这些半导体元件实现一定的功能。比如,电脑中的CPU就是芯片,可以进行运算处理。

电脑中的闪存FLASH也是芯片,可以实现信息的快速存储。

虽然芯片的作用巨大,但是研发芯片需要许多高级人才长时间、大投入,在之前由于我国还属于发展中国家,芯片产业并没有进行大量的投入,造成现在我国芯片国有化率特别低。2018年4月16日,美国政府宣布对中国某企业实行禁售,一下子卡住了我们的脖子。

汉芯一号

中国并没没有过大力发展芯片的时候。二十年前,中国就提出要大力发展芯片产业。在这个大环境下,2003年,上海交大软件与微电子学院院长陈进制作了一款芯片:汉芯一号,经过测试达到了世界一流水平,陈进也因此获得了无数荣誉。

2006年,陈进的一位研究生在清华大学水木BBS爆料:所谓的“汉芯一号”其实是陈进在美国购买摩托罗拉飞思卡尔56800的芯片后,雇佣民工将表面的字样用砂纸磨掉,再找浦东的一家公司打上“汉芯一号”字样,并加上Logo,以此骗取政府一亿一千万元人民币的科研经费。

经过调查属实,陈进被取消了一切荣誉,开除出上海交大。但是这件事却成为了中国芯片产业的分水岭,从那之后芯片项目的审查非常严格,十几年里中国的芯片产业并没有获得预期的进步。

PN结

为了带大家了解芯片的基本原理,我们先从一个比较简单的半导体元件:二极管说起。

二极管是一种基本的半导体元件,它的基本结构是PN结。

我们知道,硅是一种半导体材料。它的外围有四个电子。正常情况下,硅是不带电的。但是如果某一个电子飞出的原子的束缚成为自由电子,原来电子的位置就形成了一个“空穴”,空穴是带正电的。

与硅不同的是,硼元素周围有三个电子,相比于硅少一个电子。如果把硼元素掺杂到硅元素中,硅与硼之间就会形成一个电子空位,相当于一个正电荷。这种半导体就称为空穴导电型半导体,或称P型半导体。相反,磷这种元素,最外层有5个电子,如果把磷掺杂到硅中,那么磷与硅之间就会多出一个电子,这种半导体就称为电子导电型半导体,或称N型半导体。

那么,假如我们在一块半导体硅上一半掺入三价的硼,一半掺入五价的磷,这样就形成了一种基本的结构:PN结。

PN结中央会出现相互渗透的耗尽层,由于一些物理机制,造成PN结只允许电流从P端向N端流动,却不允许N端电流向P端移动。这就是二极管的单向导电机理。

逻辑运算

有了二极管,我们就可以实现一定的逻辑运算。基本的逻辑运有“与”“或”“非”三种。为了理解这三种关系,我们用一个简单电路做个比方。

比如:两个开关与灯泡串联,只有两个灯泡都闭合时,灯泡才会发光,这就是“与”逻辑。如果两个开关并联,再与灯泡串联,只需要闭合一个开关,灯泡就会亮,这种关系就是逻辑或。如果开关与灯泡并联,开关闭合时灯泡被短路,灯泡不发光,反而是开关断开时电流会流过灯泡,灯泡发光,就称为逻辑非。

在逻辑电路中,用高电压和低电压分别表示两种不同的状态,与二进制中中1和0对应。这样一来,逻辑与的关系就是:如果A和B两个输入端都是高电平,则输出Y是高电平;只要有一个输入端是低电平,输出就是低电平。它的真值表和符号如下:

我们把能够实现这种逻辑关系的电路称为“与门”,符号如下。

同样,我们还有或门和非门,符号如下:

同样的,逻辑或和逻辑非也有类似的关系。

那么,与门如何进行物理实现呢?这就要用到二极管了。我们用接近5V的电压表示1,用接近0V的电压表示0。通过两个二极管按照下面的方法进行连接。

我们会发现:如果A和B都输入5V(高电平),那么整个电路各部分电压都是5V,于是Y端也是5V(高电平)。但是如果A输入0V(低电平),这样二极管A就会导通,由于二极管正向导通电压很小,这样Y就接近0V(低电平)。同样,B端输入0V时,Y端也输出低电平。这样就实现了逻辑与运算。或门和非门也有类似的结构。

利用“与门”“或门”和“非门”,人们就可以实现各种各样的计算需要。比如,我们可以利用它们实现一位数的加法,它的门电路逻辑图如下:

计算机需要实现的功能比一位数加法要复杂的多,所以需要的门电路也复杂的多。第一代计算机使用更为原始的电子管组成,世界上第一台通用计算机“ENIAC”于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生,它是一个庞然大物,用了18000个电子管,占地170平方米,重达30吨,耗电功率约150千瓦,每秒钟可进行5000次运算。而且每几分钟都有电子管损坏需要更换,编程也非常复杂。

而现代的CPU把几十亿个晶体管放在一个指甲大小的晶片上,每秒可以实现几十亿次运算。显然,每一个晶体管都非常的小。这么小的结构是如何制作的呢?

芯片制作

芯片的制作可以分为四个阶段:

第一个阶段是设计,就是研究为了实现某些功能,芯片中的各种半导体元件应该如何进行排布和组合。这个阶段是最难的,因为设计芯片虽然本质上是个搭积木的游戏,但是需要在很小的空间里搭上亿个半导体元件mos管,每个管子的尺寸达到了纳米量级,这难度就相当大了。顶级芯片厂商英特尔在美国的研发部门有上万人,其中有八千多个博士,可见研发难度之大。目前,我们中国的芯片产业研发还集中在中低端领域,高端芯片研发基本为零。

第二个阶段是制作,制作需要使用“光刻”的方法。因为尺寸太小,使用普通机械方法无法加工,必须使用紫外线照射方法进行加工,就称为光刻。目前世界上只有少数几个厂商能够制作光刻机,价格非常昂贵,一台光刻机就要数亿美元,而且,由于货源稀少,就是这个价格依然供不应求。制作阶段有中国企业参与,例如台湾的“联发科”“台积电”。

具体来说,首先要将沙子融化还原。沙子就是二氧化硅,我们从中提取出单质硅,并且切成硅片。

然后在硅片上涂上一层光刻胶。

下一步就是利用设计好的模板,使用紫外线照射涂有光刻胶的硅片。相当于把电路图画在硅片上。

照射好之后再用化学溶液清洗。由于光刻胶的性质,被光照的部分和没有被光照射的部分其一会被洗掉。

之后,将杂质在硅片表面进行沉积。有一部分没有光刻胶覆盖的部分就有了杂质,而被光刻胶保护的部分就没有掺杂。随后洗去光刻胶,就形成了我们需要的一部分结构。

由于现代的芯片结构非常复杂,所以需要多次进行涂胶沉积操作,这样才能形成多层结构。

第三个阶段是封装与测试。芯片制作好了之后,需要切割、连接外部电路,同时对芯片的能力进行测试。这是芯片制作的收尾阶段,中国企业在这方面参与较多。

虽说芯片的原理大家都清楚,但是无论是设计还是制作,都需要巨额的资金、人才和时间的投入。因为芯片实在太小了,空气中有些灰尘,工厂中有些振动,都会造成芯片无法使用。有人问,为什么我们能搞出原子弹、氢弹,能把太空飞船送上天,却造不出小小的芯片呢?实际上,芯片的确是人类智慧最顶尖的成果,难度就是比航天飞机还要大。

罗马不是一天建成的,英特尔等芯片厂商的技术优势也不是一天积累的。在芯片产业上,中国还有很长的路要走。

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