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发展芯片为什么这么难?

最近没发生什么大事,针对去年以来的贸易纠纷和中兴、华为事件,还有最近日本制裁韩国三大件事件,谈谈芯片。去年制裁中兴,让很多热血青年疾呼,当年一穷二白,原子弹导弹卫星都出来了,为什么今天小小芯片却要受制于人?但其实我想说的是,发展芯片,真的很难。

老套路,问答式。

一、什么是芯片?

芯片分为2大类

一大类是数字芯片,数字芯片又包含2小类。

1、  通用芯片,也叫X86芯片,也就是CPU和GPU。这类芯片是采用CISC指令集(复杂指令集)的芯片,我们大部分人个人电脑上用的就是,全世界商用通用芯片都被美国人垄断了。集中在三家公司,IntelAMD和NVIDIA。我国目前自产的 CISC芯片是龙芯,因为没有取得X86授权,只能在安装了基于LINUX的系统上使用,也就是说,没法使用WINDOWS系统。目前主要用于国防领域和太空探索领域。

2、  ARM苹果A系列芯片。ARM是一家英国公司,这家公司只提供设计授权,自身不生产,也不销售芯片,这两家的芯片设计采用的是RISC指令集(简单指令集)。主要用于手机、安防和人工智能等领域。全世界ARM系列芯片目前我国自身可以设计芯片的公司主要是华为海思,制造能力,暂时落后于世界先进水平,后面会详细说。

二大类是模拟芯片。也叫模拟集成电路。这类的应用非常广泛,我们平常使用的各种手机、家用电器里面,硬盘的工控芯片,内存的SPD,等等,都包含有模拟芯片。

二、芯片的工作原理是什么?

芯片是大规模半导体集成电路最核心的部件,所谓半导体,就是单向导电的物体。我们平常接触到的电线电缆,称之为导体。导体是可以双向通电的,也就是说,电子的迁移可以从这头到那头,也可以从那头到这头。 

而半导体则不同。 

以一个简单的电容为例。

在这个电容里,电流可以从A点导向B点,但是从B点通电,却无法导向A点,这就是半导体。

而芯片也是如此,是半导体。在计算机的语言中,只有0和1两种语言,其他所有的语言,C、C++、JAVA等等,都是基于0和1而来的,这叫二进制。以通电代表1,以不通电代表0,这就是芯片的基础工作原理。

三、芯片是这么制造出来的?

芯片的制造流程,从沙子开始。对,你没看错,就是沙子,为什么是沙子?沙子的化学名称叫硅(SI),硅是一种半导体,相对于其他的半导体,锗或者砷化镓而言,它简直是便宜到不要钱,其次,硅作为碳后面的一位元素,和碳一样,化学键都是四价结构,物理性质非常非常稳定。这里不展开多说,不然一万字都说不完。

首先,我们从沙子里提取出高纯硅,纯度为99.9999%的硅,然后分割,就可以得到这个。

接下来,要在一块块的硅片上,涂上光刻胶,又叫电子抗蚀剂,就是日本最近制裁韩国的三大件之一。全世界日本产的最好。

接下来将涂好光刻胶的硅片放入用ASML公司(荷兰的)生产的光刻机ASML的光刻机根据芯片公司(海思、高通三星等等)的芯片设计,在硅片上面用分辨率7-12纳米的紫外光,在硅片上刻出数以亿计的集成电路。然后把刻好的硅片浸入高纯度的氟化氢(全世界日本产的纯度最高)中,没有了光刻胶(抗蚀剂)的部分被腐蚀掉后形成电路。

这就是ASML公司产的光刻机,单价1.2亿美元,不讲价,不包邮。售后和调试另外给钱。

现在知道为什么,韩国被制裁会那么疼了吧,缺少光刻胶和高纯度的氟化氢,他家三星就要停产,现在研发?等你研发出来,三星电子早凉了。

还没完,形成了集成电路的芯片,还必须要做分割,分割成一块块的小芯片,然后封装,才是最终销售到各大手机、电脑厂商甚至DIY手头。

至此,芯片的生产过程全部介绍完毕。

四:那对于我们而言,难点在哪里?

难点一:设计。芯片设计有多难?全中国这么多家公司,能够真正自主设计ARM芯片的,只有华为海思,就可见一斑。而华为海思的芯片设计工具是EDA软件,这个软件,全世界只有美国人能够生产,分别是Cadence、Synopsys、Mentor Graphics三家公司, 牛吧。如果美国制裁中国,不允许更新最新的EDA设计工具,中国的公司要么自己生产EDA软件,要么EDA只能停止更新,这样就可能很容易落后时代。

难点二:光刻机。全世界只有荷兰ASML一家产最先进的光刻机。其他公司生产的光刻机,做做低精度的芯片之类还行,但是高精度,最高水平的芯片,只有他家的光刻机能做,而芯片,尤其是消费级的芯片,必须要做最先进的,不然就是生产出来就被淘汰的命。高精度光刻机这玩意,美国的公司都做不出。而ASML的光刻机,你有钱还不一定买得到,不是不卖给你,而是要排队,三星、Intel、台积电,都是ASML的股东,必须优先供给这三家公司。

难点三:缺少积累。除了华为海思,目前全国能够设计顶级芯片的公司,屈指可数,小米的澎湃S1,砸了那么多钱,出来了一个半残次品。不像美国,拎出来就是一串,Intel、AMD、NVIDIA、高通、苹果等等。

难点四:代工厂危机。现在大陆能够做14NM制程芯片的(还没量产流片),只有中芯国际一家,而中芯国际的芯片制程,落后于台积电7NM制程2年多,更有确切消息称,台积电2020年将上马5NM制程。一旦台海出现了大危机,作为一家FABLESS,海思一旦失去了台积电的制造能力,后果堪忧。

这里解释一下,一家公司如果自己能设计、生产芯片,这样的公司叫FAB公司,比如INTEL和三星,就是典型的FAB。如果一家公司只设计,而是将生产交给别的公司,比如台积电代工,这样的公司业内称之为FABLESS。

以上谈的是数字芯片的事,接下来说模拟芯片。

手机除了CPU/GPU(核心和游戏运算)和基带芯片(网络信号)外,还需要射频芯片、高端交换路由芯片、高速接口芯片,数模转换芯片、光通信芯片等。后面的这些芯片,统称为模拟芯片。这些芯片,目前国内可以自产,但是质量就呵呵呵了。全世界最强的模拟芯片公司,都集中在了欧美,其中美国的博通世界第一,ADI世界第二,第三是TI德州仪器,第四英飞凌(德国),第五意法半导体(意大利+法国),第六恩智浦(荷兰)。

模拟芯片最麻烦的就是,这玩意不是你设计出来你就能生产出来的,需要积累,需要不断试错,需要几年,甚至十几年才能凭工程师的经验设计生产出来。

结语:如果说航空发动机是机械王国皇冠上最璀璨的明珠,那么芯片毫无疑问则是半导体王国皇冠上的“山之光”。这个领域,容不得半点弄虚作假,当年的汉芯事件,冷了多少人的心?唯有匍匐前行,忍辱负重,不断加大基础教育投资,不断加大对于这个行业人、财、物各方面的投入,兴许在10-20年后,我们可以看到我国的芯片行业不再受制于人。春秋言:"九世犹可复仇乎?虽百世可也!"切不可操之过急。

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