芯片研发技术难点解析

国防科技大学计算机学院博士扈啸为您多维度讲述—芯片研发究竟有多难？

它体积微小，貌不惊人，却集高精尖技术于一体。

它作用非凡，应用广泛，是信息产业的核心和基石。

它事关国计民生与信息安全，牵动着亿万国人的心。

小小的它这般神奇

简单说来，芯片就是一种集成电路，它是通过微细加工技术，把半导体器件聚集在硅晶圆表面上而获得的一种电子产品。

芯片的奥秘之处，在于它可将多达几亿个微小的晶体管连在一起，以类似用底片洗照片的方式翻印到硅片上，从而制造出体积微小、功能强大的“集成电路”。

芯片上的晶体管有多小呢？一根头发丝直径长度能并排放下1000个，且相互之间能协同工作、完成指定的任务。

制造出来的芯片虽然只有指甲般大小，能耐却大得惊人。它具有信息采集、处理、存储、控制、导航、通信、显示等诸多功能，是一切电子设备最核心的元器件。

在当今信息社会，芯片无处不在，生活中凡是带“电”的产品，几乎都嵌有芯片。我们每天都离不开的手机，里面的芯片就多达30个。如果没有芯片，世界上所有与电相关的设备几乎无法工作。

芯片不仅事关国计民生，而且涉及信息安全。一些西方国家出于自身利益考虑，将其视为一种贸易或战争的“武器”，轻则通过禁运、限售等措施，制约相关国家信息产业发展，重则通过接入互联网芯片的“后门”，进行情报收集或实施网络攻击。如前几年发生的“棱镜门”事件、某大国通过互联网攻击伊朗的核电站等，都与芯片有着千丝万缕的联系。因此，芯片不仅是信息产业的核心，更是信息处理与安全的基石。

信息社会不可或缺

随着信息技术的迅猛发展，芯片应用已延伸到社会的每个角落，融入生活的方方面面。从人们日常生活使用的手机、电脑、洗衣机，到工业领域的机床、发动机，再到航空航天领域的导航及星载设备等，哪样都少不了芯片。

在军事领域，先进武器装备、指挥信息系统，芯片更是不可或缺。如采集芯片可以使武器装备拥有“千里眼”“顺风耳”，信息处理芯片能给武器装备装上“智能大脑”，通信芯片能将各种装备与作战单元连接起来进行体系对抗，存储芯片则能保存各种战场数据而进行作战效能和毁伤评估，等等。芯片已成为影响战争胜负的重要因素。

广泛的应用需求，推动着芯片技术的迅速发展。随着更好工艺的采用以及片上系统、微机电集成系统等技术的进步，芯片开始进入“自组装”的纳米电路时代，竞争日趋激烈。

应用广，市场就大。据美国半导体产业协会统计，2017年1月至2月，中国和美国的芯片市场规模份额分别为33.10%和19.73%。中国虽然是全球最大、增长最快的芯片市场，但许多高端芯片要进口。

设计制造难在何处

芯片的设计制造是一个集高精尖于一体的复杂系统工程，难度之高不言而喻。那么，究竟难在何处？

架构设计难。设计一款芯片，科研人员先要明确需求，确定芯片“规范”，定义诸如指令集、功能、输入输出管脚、性能与功耗等关键信息，将电路划分成多个小模块，清晰地描述出对每个模块的要求。然后由“前端”设计人员根据每个模块功能设计出“电路”，运用计算机语言建立模型并验证其功能准确无误。“后端”设计人员则要根据电路设计出“版图”，将数以亿计的电路按其连接关系，有规律地翻印到一个硅片上。至此，芯片设计才算完成。如此复杂的设计，不能有任何缺陷，否则无法修补，必须从头再来。如果重新设计加工，一般至少需要一年时间，再投入成百万甚至上千万元的经费。

制造工艺复杂。一条芯片制造生产线大约涉及50多个行业，一般要经过2000至5000道工艺流程，制造过程相当复杂。制造芯片的基础材料就是普通沙子，它如何变成制造芯片的材料呢？沙子经脱氧处理后，通过多步净化熔炼成“单晶硅锭”，再横向切割成圆形的单个硅片，即“晶圆”。这一过程相当复杂，而在晶圆上制造出芯片则更难。首先要将设计出来的集成电路“版图”，通过光刻、注入等复杂工序，重复转移到晶圆的一个个管芯上，再将管芯切割后，经过封装、测试、筛选等工序，最终完成芯片的制造。值得一提的是，制造过程中还需要使用大量高精尖设备，其中高性能的光刻机又是一大技术瓶颈。如最先进的7纳米极紫外光刻机，目前只有荷兰一家公司能制造，价格上亿美元不说，一年仅能生产20台左右。

投入大、研制周期长。一款复杂芯片，从研发到量产，要投入大量人力、物力和财力，时间至少要3至5年，甚至更长。处理器类芯片还需要配套复杂的软件系统，同样需要大量人力物力来研制。美国英特尔公司每年研发费用超过百亿美元，有超过5万名工程师。

发展迅速、追赶难度大。自20世纪50年代末发明集成电路以来，芯片的集成度一直遵循摩尔定律迅猛发展，即每隔18个月提高一倍。半个多世纪以来，芯片的性能和复杂度提高了5000万倍，特征尺寸则缩减到一根头发丝直径的万分之一。芯片领域竞争十分激烈，美、欧等发达国家处于技术领先地位，芯片研发相对落后的国家，短时间内追赶有难度。

 “中国芯”正加速追赶

目前，全球高端芯片市场几乎被美、欧等先进企业占领。但加速研发国产自主芯片一直是政府、企业、科研院所的重点发展方向。近年来，我国在集成电路领域已取得了长足进步，芯片自给率不断提升，高端芯片受制于人的局面正在逐步打破。

我国自主研发的北斗导航系统终端芯片，已实现规模化应用。在超级计算机领域，多次排名世界第一的“神威太湖之光”和“天河二号”，全部和部分采用了国产高性能处理器。国产手机、蓝牙音箱、机顶盒等消费类电子产品，也开始大量使用国产芯片。

11月9日，“2018中国集成电路产业促进大会”在重庆举办，102家企业的154款产品参加本届优秀“中国芯”评选，“飞腾2000+高性能通用微处理器”等24款产品获奖，涵盖从数字交换芯片到模拟射频电路、人工智能芯片到指纹识别传感器、工业控制到消费类电子等各个领域。

这一系列进步的背后，是国家高度重视和大力投入。2006年，国务院颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，2014年6月，国务院批准实施《国家集成电路产业发展推进纲要》，都对这一领域发展提出了部署要求。

随着国家的大力扶持和一系列关键核心技术的突破，“中国芯”正逐步缩短与发达国家的差距，“中国创造”终将占领信息系统技术制高点，真正把竞争和发展的主动权掌握在自己手中。