科学汇｜小身躯大能量，集成电路：指甲盖上的“超级城市”

钱江晚报·小时新闻记者郑琳

据央视新闻报道，3月1日，国新办举行工业和信息化发展情况新闻发布会。会上介绍，2020年我国集成电路销售收入达8848亿元，平均增长率达20%，为同期全球集成电路产业增速的3倍。与此同时，集成电路在我国高校中也早已正式成为一级学科。

同学们肯定都见过各种各样的集成电路板，是不是也惊叹于它小小的“身体”上竟蕴藏着如此强大功能？那么，集成电路为何如此强大？这个行业的发展趋势如何？

本期我们邀请到了杭州电子科技大学骆建军教授以及IT工程师黄河源为大家聊聊，集成电路这座“城市”到底是怎么建的。

设计制造集成电路

就像兴建一座城市

集成电路，其实就是我们通常说的“芯片”，又叫“维电路”。

“芯片看起来很不起眼，因为它太小了，比指甲盖还小。”骆建军说。

然而，就是指甲盖那么大的封装起来的黑色小硅片，却是一切电子设备的核心，包括高铁、飞机、电视机、手机的核心，甚至是发动机的发动机……

为了让普通人理解芯片的复杂度，骆建军打了一个形象的比喻：“如果把一块芯片拿到一般的显微镜下看，就像是一张上海市地图；拿到更高级的电子显微镜下看，就能看到每家每户的窗户、阳台，一扇扇门，一条条马路；大家平常说的28纳米、15纳米，就是这个城市建筑的最小尺寸。”

这个尺寸有多小？1纳米大约相当于六万分之一的头发丝。如此细微的结构，只有在显微镜下才能显现其宏伟壮观。

骆建军说，集成电路设计，就好像在这个指甲盖大小的“地图”上，设计一座“新上海城”——

马路是7层甚至8、9层立交的；建筑物有几百万座；拥有几千万人口，几亿扇门窗不断开关；所有建筑物的门窗一秒钟要开关上亿次，而且不能够有一扇门窗的开关不准确。

“在这张超级地图上，每个房间都要供电、供水，一两个房间水压不够就可能造成电路计算不准确，你的飞机就可能掉下来，这就是失败的芯片。”

集成电路芯片在设计环节出现任何一个小缺陷，就必须重来。重新设计又需要至少1年时间，几千万元的投入。“所以集成电路设计需要从软件到硬件的高超的设计、指挥、风险控制能力。”

“如今，硅谷占领了芯片设计和软件这个产业金字塔的顶尖。”骆建军说。

上世纪八十年代的硅谷，拥有很多半导体生产线。硅谷也以此从一个葡萄园为主的干旱山谷转变为以“硅”工业为核心的高科技基地。到了上世纪九十年代，这些生产线逐渐移到了美国偏远地区、亚太地区，台湾、韩国、新加坡就是在这个时期建立

“今天的硅谷，已经基本上没有生产线。”骆建军说。“以设计公司和软件公司为主流。”例如，全球GPU领军企业（英伟达）、全球最大的可编程器件公司XILINX（赛灵思）、通信芯片公司Broadcom（博通），都是没有生产线、纯粹靠智慧设计在领导全球某个产业方向。

聚集着元器件的“土地”

还真是从沙土中提炼的

说到创建一座“城市”，我们会想到一座城市需要“土地”啊！所以，集成电路也有自己的“土地”。

黄河源介绍说，这片“土地”其实是一种圆形的叫“晶圆”的东西。晶圆是制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。说起来，这晶圆还真跟土地有关，因为简化了说，硅就是从沙子精炼出来的。

听上去好像挺简单的，但实际上，晶圆是一种极难生产制造的原材料，世界各国都在不断加大研究力度，其中就包括咱们国家，因为它关系着芯片的研发。

那制造晶圆的难度到底在哪儿？

说得比较多的难度之一，就是提纯。半导体产品对晶圆的纯度要求极高，纯度需要达到99.999999999%或以上。因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感，稍有杂质“超标”，就会导致集成电路出故障甚至报废。

此外，还有别的难度，比如将电路植入晶圆，这就像城市规划一样，每一片晶圆在被使用前都要经过光刻这个步骤——事先设计好架构，用极其精密的光学仪器在晶圆上进行“地块划分”、“街道建设”等。之后还有一系列例如离子注入、镀铜、测试、切割等一系列工序……

在进行了超过500道工序之后，才能让指甲盖大小的集成电路上集合巨量的特定功能晶体管。最后，再进行切割。大家可能都见过一些芯片照片，一般都是正方形或者长方形的，其实就是从晶圆上精确切割下来的。

芯片行业是科技竞争的一个重要高地。当前，我国集成电路产业高速增长，技术创新能力不断提高，我国2020年8月印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中专门强调，加强集成电路和软件专业建设，加快推进集成电路一级学科设置，支持产教融合发展。

关键设备：光刻机

价值连城的“刀”

中芯国际3月3日发布公告称，其与阿斯麦（上海）机电设备有限公司签订了批量采购协议，期限延长至2021年12月31日。同时中芯国际在报告中披露了此前的购买金额，购买“用于生产圆晶的阿斯麦产品”，总价为12亿美元！

什么是“用于生产圆晶的阿斯麦产品？其实，就是芯片制造中非常关键的设备——光刻机。

我们平时看到的方块形的芯片，其实是在一片比较大的圆晶上切割下来的。圆晶尺寸越大，一片圆片上可以生产的芯片就越多，可以降低生产成本。

那么，是什么设备可以在圆晶上面蚀刻电路呢？那就是光刻机。光刻机顾名思义，就是用光作为“雕刻刀”，把电路刻到圆晶上去。

这把刀的精度，取决于光的波长。波长越短，精度越高，能刻出的电路就越复杂。

目前最先进的EUV光刻，就是“极紫外光刻”，它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源。要想生产7纳米及更先进制程的芯片，就需要EUV光刻机。目前世界上只有阿斯麦等少数企业能生产EUV光刻机。

为了加快国产光刻机的攻关，2008年，国家层面专门成立了“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”，以建立自主的高端光刻技术和产业发展能力作为重大、核心的战略目标，并已逐渐取得可喜的成就。

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集成电路的诞生

为什么会产生集成电路？

1946年在美国诞生的世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦。

显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题。那么，能不能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上呢？

当时就有许多科学家和工程师研究过这个问题。

比如，英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。

这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能。

1947年，美国贝尔实验室造出来了第一个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想，也就很快发明出来了集成电路。

杰克·基尔比（JackKilby）和罗伯特·诺伊斯（RobertNoyce）在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路。

现在，集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用，是现代信息社会的基石。集成电路的含义，已经远远超过了其刚诞生时的定义范围。但其最核心的部分，仍然没有改变，那就是“集成”。

其所衍生出来的各种学科，大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。

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