什么是芯片？一顆芯片是怎么誕生的？

最近，因?yàn)橐幌盗惺虑?，大家?duì)國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度日益增加。

那么，什么是芯片？如何制造芯片？涉及到多少高科技？我國的芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何？又會(huì)有哪些挑戰(zhàn)？

芯片的本質(zhì)是半導(dǎo)體加集成電路，它是一種把電路小型化并制造在一塊半導(dǎo)體晶圓上，一種具有特殊功能的微型電路。為什么這個(gè)東西叫芯片呢？片是因?yàn)樾螤睿镜囊馑际请娮釉O(shè)備的心臟、大腦、中樞，所以管它叫芯片。正是這個(gè)名字，很多人對(duì)芯片有誤解，認(rèn)為只有像電腦里CPU那種才是芯片。電腦中的CPU屬于邏輯芯片，可以邏輯控制，有運(yùn)算能力。但是芯片還有很多類型，比如5G、Wi-Fi、藍(lán)牙這種通信芯片，還有像內(nèi)存、優(yōu)盤里的存儲(chǔ)芯片，還包括手機(jī)里陀螺儀那種傳感芯片等等。

為什么芯片一定要是半導(dǎo)體？在半導(dǎo)體之前，人類只能用機(jī)械控制電，但是有了半導(dǎo)體之后，人類才可以直接用電來控制電，控制能力得到質(zhì)的飛躍。20世紀(jì)初，量子力學(xué)的發(fā)展讓人類發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體這種關(guān)鍵材料。只靠施加電壓變化，就能實(shí)現(xiàn)它在半導(dǎo)體和絕緣體之間的切換，這才把人類從電氣時(shí)代帶進(jìn)了電子時(shí)代。

通過半導(dǎo)體，人類終于可以實(shí)現(xiàn)用電這個(gè)高級(jí)物理形式來控制電這個(gè)高級(jí)能量形式，處理信息的能力大大提升了。所以，芯片必須是半導(dǎo)體材料，這個(gè)本質(zhì)也是芯片開啟信息時(shí)代的根本原因。

芯片還有一個(gè)本質(zhì)就是集成電路。以前人類組裝單獨(dú)的器件是焊接起來，現(xiàn)在的技術(shù)就像是微雕，在一個(gè)非常小的東西上，直接刻畫出這些線路。這個(gè)非常小的東西就是半導(dǎo)體襯底，刻刀就是光刻機(jī)，只不過這把刀不是金屬，而是激光，非常非常細(xì)。

現(xiàn)在已經(jīng)能刻出納米尺寸，可以在一塊一厘米見方的芯片里，集成100多億個(gè)晶體管，它的復(fù)雜程度真的遠(yuǎn)超你的想象。

在這里我們轉(zhuǎn)發(fā)一下央視新聞的一個(gè)科普：

別看芯片的體積小，但制造難度非常大，其制作過程不亞于在指甲蓋上建造一座城市。我們一般看到的芯片是這樣的↓

但是在顯微鏡下，如同街道星羅棋布，無數(shù)的細(xì)節(jié)令人驚嘆不已。

原來，指甲蓋大小的芯片，上面卻有數(shù)公里的導(dǎo)線和幾千萬甚至上億根晶體管。

為了讓這些納米級(jí)的元件“安家落戶”，芯片在投入使用前，要經(jīng)歷上百道工序的納米級(jí)改造……

一、復(fù)雜繁瑣的芯片設(shè)計(jì)流程

芯片制造的過程就如同用樂高蓋房子一樣，先有晶圓作為地基，再層層往上疊的芯片制造流程后，就可產(chǎn)出必要的 IC 芯片。然而，沒有設(shè)計(jì)圖，擁有再強(qiáng)的制造能力都沒有用，因此，接下來要針對(duì) IC 設(shè)計(jì)做介紹。

在 IC 生產(chǎn)流程中，IC 多由專業(yè) IC 設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是華為海思、聯(lián)發(fā)科、高通、AMD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)?IC 是由各企業(yè)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)影響著一家企業(yè)的價(jià)值。然而，IC設(shè)計(jì)工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)一顆 IC 芯片時(shí)，究竟有哪些步驟?

設(shè)計(jì)第一步，訂定目標(biāo)

在 IC 設(shè)計(jì)中，最重要的步驟就是規(guī)格制定。這個(gè)步驟就像是在設(shè)計(jì)建筑前，先決定要幾間房間、浴室，有什么建筑法規(guī)需要遵守，在確定好所有的功能之后再進(jìn)行設(shè)計(jì)， 這樣才不用再花額外的時(shí)間進(jìn)行后續(xù)修改。IC 設(shè)計(jì)也需要經(jīng)過類似的步驟，才能確保設(shè)計(jì)出來的芯片不會(huì)有任何差錯(cuò)。

規(guī)格制定的第一步便是確定 IC 的目的、效能為何，對(duì)大方向做設(shè)定。接著是察看有哪些協(xié)議要符合，像無線網(wǎng)卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等規(guī)范，不然，這做出來的芯片將無法和市面上的產(chǎn)品兼容，使它無法和其他設(shè)備連線。最后則是確立這顆 IC 的制作方法，將不同功能分配成不同的單元，并確立不同單元間連結(jié)的方法，如此便完成規(guī)格的制定。

設(shè)計(jì)完規(guī)格后，接著就是設(shè)計(jì)芯片的細(xì)節(jié)了。這個(gè)步驟就像初步記下建筑的規(guī)劃，將整體輪廓描繪出來，方便后續(xù)制圖。在 IC 芯片中，便是使用硬件描述語言(HDL)將電路描寫出來。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，用這些代碼就可輕易地將一顆 IC 的功能都表達(dá)出來。接著就是檢查這些代碼功能的正確性并持續(xù)修改，直到它滿足期望的功能為止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例

有了電腦，事情都變得容易

有了完整規(guī)畫后，接下來便是畫出平面的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。在 IC 設(shè)計(jì)中，邏輯合成這個(gè)步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入EDA工具里，讓電腦將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，再反復(fù)確定此邏輯閘設(shè)計(jì)圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

▲ 控制單元合成后的結(jié)果

最后，將合成完的代碼再放入另一套 EDA 工具里，進(jìn)行電路布局布線(Place And Route)。在經(jīng)過不斷的檢測后，便會(huì)形成如下的電路圖。圖中可以看到藍(lán)、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。制作芯片的時(shí)候，便根據(jù)這張圖，由底層開始，逐層制作。

▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成電路布局與布線的結(jié)果

至此，大家對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)應(yīng)該有初步的了解了，整體看來就很清楚 IC 設(shè)計(jì)是一門非常復(fù)雜的專業(yè)，也多虧了電腦輔助軟件的成熟，讓 IC 設(shè)計(jì)得以加速。

二、芯片如何生產(chǎn)制造?

晶圓(wafer)，是制造各式芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比喻成用樂高積木蓋房子，一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。

▲ 各種尺寸晶圓的比較

芯片，以儲(chǔ)量最豐富成本最廉價(jià)的二氧化硅為原料，成就了這個(gè)星球的科技之巔，頒一枚最佳逆襲獎(jiǎng)，實(shí)至名歸！

那么，目前中國“芯”處在什么階段？又面臨著哪些問題？

對(duì)此，你怎么看呢？歡迎來評(píng)論區(qū)留言。關(guān)注CHN九象科技，通過科普，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)世界有太多奇妙無比的事情。