本刊综合

你家中一共有多少块芯片？这个问题恐怕很少有人能准确回答。

在万物互联时代，衣、食、住、行等多个领域正在被物联网、人工智能等高科技包围，而高科技的实现都离不开小小的芯片。

芯片又称集成电路，是绝大多数电子设备的核心组成部分，被誉为“工业粮食”。如果将海量的数据比作能源，芯片就是燃烧能源产生能量的发动机。芯片之于信息科技时代，是类似煤与石油之于工业时代的重要存在。

芯片制造是世界上最复杂的制造业，被称为“集人类超精细加工技术之大成”。我国是世界上工业门类最齐全的国家，扮演着“世界工厂”的角色。过去几十年间，我国在全球范围内树立了“中国速度”的响亮品牌，创造出众多的“超级应用”，但高端芯片、自主操作系统等“卡脖子”问题依然突出，在尖端领域与世界“领跑者”仍有较大差距。

本期让我们走进高端制造业，看芯片制造如何“点沙成金”，见识芯片中的“珠穆朗玛峰”，关注芯片制造能否靠“碳”超车。

——方郁芝   秦银银

“芯”的那些事

1959年，美国电子工程师杰克·基尔比成功制造出世界上第一块芯片，将人类科技水平推向一个新的高峰。如今，芯片不仅在智能手机、电视机、计算机、汽车等设备上被广泛应用，在军事、通信等方面也不可或缺。

然而，一块小小的芯片究竟是如何被制造出来的，你真的清楚吗？

打造地基——晶圆

沙子中含有的硅元素是地球地壳中第二大组成元素，约占地壳总质量的25%。硅的化学性质稳定，具有优异的半导体特性，是芯片制造的“灵魂”原料。

芯片制造的第一步，就是要将从二氧化硅中提炼出的高纯度硅晶体制成硅锭，再将硅锭切割成圆盘，并将其抛光后形成晶圆，晶圆相当于芯片的“地基”，芯片就是以晶圆为“地基”，再将所需的电路和器件“建”在上面。

知识小贴士

99.999 999 999%是芯片制造对硅材料的最低纯度要求，即每10亿个硅原子中不得超过1个杂质原子。

芯片内的距离以纳米为单位，芯片制造需要用到光刻工艺。

在晶圆上涂一层特殊的光刻胶，再将包含数十亿个电路元件的芯片“蓝图”制作成掩膜，利用光的投影将缩小版的掩膜投影到晶圆的光刻胶膜上。光刻胶膜发生光化学反应，被光照过的地方变得可溶于水，经过显影清洗后留下的图案与掩膜上的一致。再用特制的化学药水蚀刻暴露的晶圆，蚀刻完成后，清除所有光刻胶，便能得到纵横交错的电路沟槽。

知识小贴士

纳米是长度单位，1 nm相当于4倍原子大小。我们常见的芯片有14 nm芯片、7 nm芯片、5 nm芯片。

掺杂

通过离子注入赋予硅晶体管的特性。

为了改变某些区域的导电性，覆盖了光刻胶的晶圆经过离子束轰击后，未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质，杂质会改变某些区域内硅的导电性。

知识小贴士

在芯片制造过程中，约有70多道离子注入工序，对离子注入能量需要控制得很精准，并要求在工艺上精益求精。

薄膜沉积

通过化学或者物理气相金属沉积，再重复光刻和蚀刻工艺，进行金属连接。

一块运作正常的芯片需要连接数以百万计的传导线路，包含几十层结构，每层结构都离不开光刻和蚀刻。从平面看，芯片像密集交织的高速公路;从立体看，芯片就像是拥有许多房间、楼宇的“超级城市”。

封装与测试

封装是把裸片放在一块基板上，引出管脚后固定包装成为一个整体。测试是对已制造完成的芯片进行结构及电气功能的确认，以保证芯片符合系统的需求。

芯片中的“珠穆朗玛峰”

芯片是半導体元件产品的统称。在国际半导体的统计中，将半导体产业分成集成电路、分立器件、传感器、光电子四种类型统称为半导体元件。

芯片按照处理信号可分为：

模拟芯片利用晶体管的放大作用，模拟芯片用来产生、放大和处理各种模拟信号，种类细且繁多，包括模数转换芯片（ADC）、放大器芯片、电源管理芯片、PLL等等。模拟芯片设计的难点在于非理想效应过多，需要扎实的基础知识和丰富的经验，比如小信号分析、时域频域分析等等。

数字芯片利用晶体的开关作用，则是用来产生、放大和处理各种数字信号，数字芯片一般进行逻辑运算，CPU、内存芯片和DSP芯片都属于数字芯片。数字芯片的设计难点在于芯片规模大，工艺要求复杂，通常需要多团队协同开发。

芯片根据应用场景可分为商业级、工业级、车规级、军工级。

CPU被称作芯片中的“珠穆朗玛峰”，是所有时期各种电子元件构成的计算机中央处理器的统称。其结构主要包括控制单元、运算器、高速缓存器、动态随机存取存储器四个部分，分别对应控制、运算、高速数据交换存储、短暂存储四个用途。

CPU作为电子终端产品的核心部件，被大规模应用在电脑、大型服务器、商用无人机等设备上。

知识小贴士

芯片的大致分类

按不同的处理信号可分为模拟芯片、数字芯片。

按国际标准分类方式可分为集成电路、分立器件、传感器、光电子。

按电路可分为模拟集成电路、数字集成电路、混合信号集成电路。

按使用功能可分为GPU、CPU、FPGA、DSP、ASIC、SOC。

按不同应用场景可分为民用级（消费级）、工业级、汽车级、军工级、航天级。

近年来，国产芯片在制造和性能等领域取得较大提升。除国产台式机、企业云平台、发电厂、高铁、卫星导航系统部分使用了中国“芯”外，手机、笔记本电脑、智能穿戴设备等，也已部分使用国产芯片。

中国“芯”对芯片垄断产品的替代，将在未来很长一段时间成为网络信息领域的新常态。23B389F1-92DF-477A-8A40-9AA141062BD3

AI“芯”

人工智能（AI）芯片是人工智能产业生态建设的核心基础。

国内以人工智能芯片为核心的创业企业，大多聚焦在视觉智能、语言智能处理技术等领域。近年来，我国已涌现一批AI芯片新产品和新成果，比如寒武纪推出的首颗训练芯片已规模化生产，地平线也已量产我国首款车规级人工智能芯片等。

数据、算法和算力是人工智能的三大驱动力，但最终都需落实到算力，而芯片算力则直接来自于集成电路的发展。AI智能化水平的提高依赖于算力的快速增长，人工智能算法的算力需求远超摩尔定律的增长速度。从金融、安防、医疗、教育到智慧城市，算力日益成为业界竞争的焦点。

国内首款采用显存的通用AI芯片——昆仑芯2是百度第二代自研AI芯片，芯片采用7 nm制程，搭载自研的第二代XPU架构，适用云、端、边等多场景，可应用于互联网核心算法、智慧城市、智慧工业等领域。此外，昆仑芯2还将赋能高性能计算机集群、生物计算、智能交通、无人驾驶等领域。

天机芯片是全球首款异构融合类脑芯片，同时支持基于神经科学的脉冲神经网络和基于计算机科学的人工神经网络，被评为2019年中国十大科技进展之一。

知识小贴士

摩尔定律：由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出。指当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

汽车“芯”

汽车芯片是关乎汽车产业核心竞争力的重要器件，是汽车强国建设的关键基础。

车规级芯片分为控制芯片、微处理器芯片、存储芯片、模拟芯片及功率器件。微控制单元（MCU芯片）是我国汽车制造中最紧缺的芯片，也是影响汽车制造的主要原因。汽车搭载的发动机、防抱死系统、高级驾驶辅助系统等均需使用这类芯片。在传统的分布式ECU架构中，制造一辆汽车需70～300块MCU芯片，在未来智能汽车中央计算架构下，制造一辆汽车仅需10～20块高性能MCU芯片。推进汽车电子电气架构由分散式向集中式演进，或是解决汽车制造行业“缺芯”状况的终极方案之一。

手机“芯”

手机芯片主要包括射频芯片、基带芯片和核心应用处理器。射频芯片负责无线通信，应用处理器就是传统意义的CPU和GPU（图形处理器），基带芯片负责对无线通信的收发信号实施数字信号处理，在整个系统中的位置介于前两者之间。

芯片的“脖子”卡在哪

“芯片设计之母”—— EDA

EDA（电子设计自动化）是电子设计的基石产业，在精密制造领域，更是精密器件生产、加工和测试的基础。可以说，掌握了最优的EDA，就有了高端工业领域的主导权。

EDA被称为“芯片设计之母”，是利用计算机辅助设计软件完成芯片的功能设计、综合、验证等流程的设计方式。EDA是芯片产业的技术源头，也是中国芯片产业结构中最薄弱的环节。

EDA布局布线设计是其中重要一环，就像房屋装修前，要让各种家具家电、电线网络布局在最合适的地方，做到既美观又节省空间，还能完美互联互通。这就需要一个最优的“施工图”。芯片等精密器件只有指甲盖大小，却要加载百亿个单元，相互联结的线路更复杂，只能通过算法去设计最优“施工图”实现。

在2021年计算机辅助设计国际会议上，华中科技大学计算机学院吕志鹏教授团队摘得电子设计自动化布局布线算法竞赛全球冠军。

必须翻越的高峰——光刻机

光刻机是制造芯片最重要的设备之一，是迄今为止人类所能制造的最精密的装备，被誉为集成电路产业链“皇冠上的明珠”。

光刻也被称作“微影制程”，是将光罩上具有各种电子特性的区域图即电路图形，微缩并曝光成像在晶圆上，为流程中的后续步骤打好基础。光刻机的投影物镜被誉为成像光学的最高境界，其波像差需要控制到亚纳米量级，甚至接近零像差，这对投影物镜的生产、检测与控制都提出了极为严苛的要求。

光刻机在工作时，需要工件台和掩模台在高速运动过程中始终保持几纳米的同步精度。

能否靠“碳”超车

碳基芯片是基于纳米碳材料晶体管制造的芯片，被认为是最有可能代替硅基芯片的次时代技术。

石墨烯和纳米碳管特殊的几何结构，使得电子在材料中的传输速度大大超出了目前的硅基材料。同时，纳米碳结构中没有金属中那种可以导致原子運动的低能缺陷或位错，使得其能承受的电流强度远远高出目前集成电路中铜互连能承受的电流上限，这些性质使得纳米碳成为最理想的纳米尺度的导电材料。

我国科研团队在10.16厘米的基底上制备出密度高达每微米120根、半导体纯度超过99.999 9%的碳纳米管平行阵列，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS的晶体管和电路，成功突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈。

相比传统硅基技术，碳基半导体具有成本低、功耗小、效率高的优势，因此也被视为性能更好的半导体材料。与国外硅基技术制造的芯片相比，我国碳基技术制造的芯片在处理大数据时不仅速度更快，而且至少能节约30%左右的功耗。这或将使我国芯片制造行业在新赛道上突破“卡脖子”技术成为可能。

（栏目编辑  方郁芝）23B389F1-92DF-477A-8A40-9AA141062BD3