芯科普，芯制造

李永樂

我國(guó)首臺(tái)采用國(guó)產(chǎn)高性能通用處理器芯片“龍芯3A”和其他國(guó)產(chǎn)器件、設(shè)備和技術(shù)的萬(wàn)億次高性能計(jì)算機(jī)“KD-60”由中國(guó)科學(xué)術(shù)大學(xué)和深圳大學(xué)聯(lián)合研制成功

芯片產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國(guó)家高端制造能力的綜合體現(xiàn)，是全球高科技國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略必爭(zhēng)制高點(diǎn)。在信息時(shí)代，芯片是各行業(yè)的核心基石，電腦、手機(jī)、家電、汽車、高鐵、電網(wǎng)、醫(yī)療儀器、機(jī)器人、工業(yè)控制等各種電子產(chǎn)品和系統(tǒng)都離不開芯片。

如果說(shuō)人體最重要的器官是大腦，那么芯片就是電子設(shè)備的“大腦”。

那么，芯片到底是什么？

芯片的英文是chip，實(shí)際上是一片載有集成電路的半導(dǎo)體元件。我們可以把芯片大致分為兩類，第一類叫做功能芯片，比如說(shuō)cpu，cpu可以實(shí)現(xiàn)一定的計(jì)算功能；第二種叫做存儲(chǔ)芯片，這種芯片可以存儲(chǔ)一定的信息，比如我們電腦里有一種叫做閃存（flash）的東西，這種閃存就是一種存儲(chǔ)芯片，它和硬盤不一樣，硬盤是靠磁介質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)的，但是閃存則是靠半導(dǎo)體芯片集成存儲(chǔ)的。

芯片內(nèi)部都是半導(dǎo)體材料，大部份都是硅材料，也就是砂子，里面的電容、電阻、二極管、三極管都是用半導(dǎo)體做出來(lái)的。半導(dǎo)體是介于像銅那樣易于電流通過(guò)的導(dǎo)體和像橡膠那樣的不導(dǎo)通電流的絕緣體之間的物質(zhì)。

如果想制作一個(gè)芯片，產(chǎn)業(yè)上大概要分這么幾個(gè)內(nèi)容：第一，我們首先要進(jìn)行芯片的設(shè)計(jì)。我們想達(dá)到一定的功能，如何去實(shí)現(xiàn)？我們需要高級(jí)的人才把電路設(shè)計(jì)出來(lái)。第二是制作。第三就是封裝，芯片制作出來(lái)后，如何把它裝在一個(gè)板子上，變成一個(gè)可以銷售的東西。這三個(gè)步驟中最難的是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

芯片設(shè)計(jì)多由專業(yè)IC設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel等知名大廠，都自行設(shè)計(jì)各自的IC芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。因?yàn)镮C是由各廠自行設(shè)計(jì)，所以IC設(shè)計(jì)十分仰賴工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著一個(gè)企業(yè)的價(jià)值。

我們中國(guó)大部分的芯片產(chǎn)業(yè)集中在中低端，也就是在制作和封裝環(huán)節(jié)，而芯片設(shè)計(jì)所涉及的產(chǎn)業(yè)很少。就算是我們自主研發(fā)的，也是比較低端的芯片，在高端芯片市場(chǎng)占有率非常低。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)主要依賴國(guó)外，個(gè)中原由也不完全是中國(guó)設(shè)計(jì)不了芯片，還是因?yàn)楫?dāng)下沒有芯片迭代的條件。一方面，市場(chǎng)已經(jīng)存在性能優(yōu)越的芯片，甚至成本也低。另一方面，人們沒有耐心去等國(guó)產(chǎn)的芯片去迭代，這直接限制了中國(guó)的芯片設(shè)計(jì)能力的提升。

關(guān)于芯片的制造，也是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來(lái)的房子就會(huì)歪來(lái)歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個(gè)平穩(wěn)的基板。對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō)，這個(gè)基板就叫晶圓。

樂高積木的表面都會(huì)有一個(gè)一個(gè)小小圓型的凸出物，藉由這個(gè)構(gòu)造，我們可將兩塊積木穩(wěn)固地疊在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類似這樣的方式，將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。在固體材料中，有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)——單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個(gè)接著一個(gè)緊密排列在一起的特性，可以形成一個(gè)平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。

一顆芯片的制造工藝非常復(fù)雜，一條生產(chǎn)線大約涉及50多個(gè)行業(yè)、2000～5000道工序。就拿代工廠來(lái)說(shuō)，需要先將“砂子”提純成硅，再切成晶圓，然后加工晶圓。晶圓加工廠包含前后兩道工藝，前道工藝分幾大模塊——光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入；后道工藝主要是封裝——互聯(lián)、打線、密封。其中，光刻是制造和設(shè)計(jì)的紐帶。

其中許多工藝都在獨(dú)立的工廠進(jìn)行，而使用的設(shè)備也需要專門的設(shè)備廠制造；使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材，都需要專門的化工工業(yè)。另外，集成電路的生產(chǎn)都是在超凈間進(jìn)行的，因此還需要排風(fēng)和空氣凈化等系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的流程，從設(shè)計(jì)到制造，終于獲得一顆Ic芯片了。然而一顆芯片相當(dāng)小且薄，如果不在外施加保護(hù)，會(huì)被輕易地刮傷損壞。此外，因?yàn)樾酒某叽缥⑿。绻挥靡粋€(gè)較大尺寸的外殼，將不易以人工安置在電路板上。

左圖：生活中的電腦、手機(jī)、家電、汽車、機(jī)器人等各種產(chǎn)品都離不開芯片的大量應(yīng)用。

右圖：中國(guó)公司在國(guó)外的研發(fā)中心正在做集成電路的人工抽檢。（智芯國(guó)際控股有限公司供圖）

目前常見的封裝有兩種，一種是電動(dòng)玩具內(nèi)常見的，黑色長(zhǎng)得像蜈蚣的DIP封裝，另一為購(gòu)買盒裝CPU時(shí)常見的BGA封裝。至于其他的封裝法，還有早期CPU使用的PGA（Pin Grid Array；Pin Grid Array）或是DIP的改良版QFP（塑料方形扁平封裝）等。

完成封裝后，便要進(jìn)入測(cè)試的階段，在這個(gè)階段便要確認(rèn)封裝完的IC是否有正常的運(yùn)作，正確無(wú)誤之后便可出貨給組裝廠，做成我們所見的電子產(chǎn)品。

中國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)也有過(guò)黃金年代。比如20年前，我國(guó)就提出口號(hào)，要發(fā)展自己的半導(dǎo)體。早期，高端通用芯片作為“核高基”專項(xiàng)之一，以及國(guó)家863計(jì)劃等重大政策的加持，大量的政府資金涌入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。龍芯、飛騰等國(guó)產(chǎn)公司紛紛立項(xiàng)。

這些公司或多或少曾在自主研發(fā)上進(jìn)行嘗試，但研發(fā)進(jìn)展緩慢。在863、973、自然科學(xué)基金、知識(shí)創(chuàng)新工程以及核高基重大專項(xiàng)等資金扶持下，中科院計(jì)算所2001年開始研制龍芯CPU。直到2010年，轉(zhuǎn)型成立公司，該計(jì)算所研制的CPU的樣品才完成產(chǎn)品化。目前龍芯的商用化進(jìn)展并不大。

在我國(guó)自主研發(fā)芯片的過(guò)程中，也出現(xiàn)一些發(fā)人深省的事件。比如“漢芯一號(hào)”造假風(fēng)波。

2003年，上海交大微電子學(xué)院院長(zhǎng)陳進(jìn)聲稱研發(fā)出了一個(gè)芯片叫“漢芯一號(hào)”，當(dāng)時(shí)國(guó)家科委和上海市組織了一個(gè)發(fā)布會(huì)，對(duì)“漢芯一號(hào)”進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)論就是“這一成果接近國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，在某些方面的性能甚至超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品?！?/p>

“漢芯”的誕生，在當(dāng)時(shí)被定義為“中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的里程碑”。陳進(jìn)因此也是榮譽(yù)加身，攀上了人生頂峰。

但后來(lái)在2006年時(shí)，陳進(jìn)的一個(gè)研究生“叛變”了，他在水木BBS上發(fā)了一篇帖子，直指他的導(dǎo)師陳進(jìn)教授“漢芯一號(hào)”作假。那么究竟是怎么做的假呢？實(shí)際上陳進(jìn)是在美國(guó)買了一個(gè)摩托羅拉的芯片，他找了一個(gè)民工，把摩托羅拉芯片上的原標(biāo)記磨掉。然后又打上了自己“漢芯一號(hào)”的LOGO，這樣就變成了中國(guó)自主研發(fā)的芯片?！皾h芯”誕生后，陳進(jìn)借此榮耀申請(qǐng)了數(shù)十個(gè)科研項(xiàng)目，騙取高達(dá)上億元的科研基金。

后來(lái)這個(gè)事件被調(diào)查證實(shí)屬實(shí)后，陳進(jìn)被撤銷了一切職務(wù)。從那以后，中國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)低谷，沒有人再敢去搞芯片了，很多的新興項(xiàng)目，上馬的時(shí)候都非常謹(jǐn)慎，這也導(dǎo)致這十多年中國(guó)的芯片企業(yè)基本上發(fā)展緩慢。

組圖：縱觀過(guò)去二十幾年，電子信息通信產(chǎn)業(yè)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大亮點(diǎn)，手機(jī)、電腦、平板等產(chǎn)量都高居世界第一，但缺芯少魂的問題一直沒能得到很好解決。

右圖為，2003年2月26日“漢芯一號(hào)”DSP芯片在成果鑒定會(huì)上。自主研發(fā)高性能芯片是我國(guó)科技界的一大夢(mèng)想。但原本該給國(guó)人帶來(lái)自豪感的“漢芯一號(hào)”，后來(lái)卻變成了一起讓人瞠目結(jié)舌的重大科研造假事件。