关于芯片的8个关键疑问 我们和中科院微电子研究所王晓磊聊了聊丨专访

近日，清华大学团队基于存算一体计算范式，研制出首颗全系统集成的、支持高效片上学习的忆阻器存算一体芯片，再次引发公众对芯片的关注。与此同时，涉及芯片的许多专业名词也引发疑问。

芯片到底是什么？有哪些分类？是如何制造出来的？和生活有何关系？全球芯片产业现状如何？对此，封面新闻专访了中国科学院微电子研究所先导中心副主任王晓磊。

疑问一

芯片是什么？

据介绍，芯片是半导体元件产品的统称，也称集成电路或微处理器，是一种将大量电子元件集成于硅片上的微型电子器件。

“我们常说的芯片，可根据功能、用途等多个因素分类。”王晓磊表示，根据功能不同，芯片可分为用于通用计算的CPU，它是计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。

此外，专门处理图形渲染和并行计算的GPU，用来满足大型3D游戏和高清视频等需求，也就是常说的“显卡”。

相对CPU和GPU，更专业的还有专门应用的ASIC和FPGA。“ASIC一般运用于智慧安防、自动驾驶、智慧通信等。FPGA一般用于图像处理、5G通信、自动驾驶等。”王晓磊说。

疑问二

芯片有哪些类型？

王晓磊表示，根据不同用途，芯片可分为计算芯片、存储芯片、通信芯片、传感器芯片、电源管理芯片及音频和视频编解码芯片等。

据介绍，不同类型芯片被应用到不同场景。比如，数据中心级芯片主要应用于内存、固态硬盘等。消费类芯片用于电脑、手机等产品。还有一些芯片用于卫星通信、精准导航等领域。

“其实芯片的应用，日常生活中无处不在，每一个电子产品制造和使用都离不开芯片。”王晓磊举例，智能手机要正常工作需要十多种芯片，如负责电源管理、蓝牙、Wi-Fi、蜂窝网络连接、音频和图像处理等功能的芯片。

“再比如自动驾驶汽车，依赖传感器、处理器和通信芯片，才能实现智能驾驶和交通管理。”他介绍。

疑问三

芯片是怎么设计出来的？

据了解，芯片设计主要包括三大步骤：规格制定、前端设计、后端设计。

王晓磊介绍，规格制定，主要是确定芯片功能、能耗、成本等，“对大方向做设定，并确定芯片需要符合的协议。然后，根据不同功能将芯片划分成不同单元。”

前端设计部分，设计人员根据系统设计确定的方案，针对每个模块展开电路设计。一般采用专门软件和程序语言将功能电路构建出来，按一定标准对电路进行验证。后端设计部分，设计人员在软件中将描述电路变成实际电路结构设计图，进行电路元器件布局与连线。

疑问四

EDA工具为何重要？

王晓磊表示，EDA工具贯穿芯片设计始终，是半导体行业不可或缺的部分。

EDA全称电子设计自动化，是协助完成集成电路芯片设计、制造、封装测试等产业环节的计算机辅助设计软件。

王晓磊说，随着芯片复杂度不断提升，10纳米以下的集成电路中半导体器件数量可达百亿量级，必须通过EDA工具实现电路设计等。

疑问五

芯片是怎么做出来的？

据介绍，芯片制作流程包括三个阶段：硅片制备、晶圆制造、晶圆测试/分检。

芯片在半导体材料衬底上制造。王晓磊说，目前主要使用的半导体衬底是硅材料。硅片制备就是制备高纯度的硅材料衬底，通过硅晶锭的生长、滚圆、切片、抛光、检验及包装等工序实现。

资料显示，硅衬底材料一般制备成几百微米厚度的圆形薄片，通常也称硅晶圆。硅晶圆直径越大，同时可制造的芯片数量越多，是降低芯片制造成本的重要指标，即通常说的4英寸、8英寸、12英寸等。

“晶圆制造能实现的器件最小特征尺寸是决定芯片性能的重要指标。”王晓磊表示，晶圆制造，是指按一定流程对硅晶圆进行清洗、薄膜制备、光刻图形、刻蚀及掺杂等加工工艺，在硅晶圆上形成不同元器件和连线的过程。

疑问六

光刻机技术为什么重要？

据介绍，目前产业界已实现等效特征尺寸小至3纳米的器件，3纳米是头发丝直径1/10000，光刻机技术则是实现纳米级加工尺寸的重要工艺方法，目前是晶圆制造过程最复杂、最昂贵，也是最关键的工艺。

晶圆测试包括在芯片制造工艺过程中的各种在线检查、测量，在芯片制造完成后用探针卡对集成电路芯片部分功能、性能的分检测试。

“封装类似给裸芯片穿一件坚实外衣。”王晓磊介绍，封装是把集成电路装配为芯片最终产品的过程。封装可以让芯片抵挡外界沾污，以保护芯片性能。同时，还给芯片引出触角，使其能和外部世界的电信号交流。

“通俗讲，光刻是用光源透过一块带有图形的掩膜版照射到硅晶圆表面，让表面的光刻胶发生光化学反应，从而将掩膜图形转移到硅晶圆上的加工工艺。”王晓磊表示，光刻可在晶圆上同时形成大量的、纳米量级图形，既决定晶圆制造最小特征尺寸，也是大规模量产基础。因此，光刻技术是器件微缩和提升芯片集成度的重要工艺方法。

“一直以来，光刻机最小分辨率是技术节点微缩的重要驱动力。”王晓磊介绍，比如45纳米技术节点，采用193纳米紫外光源；14纳米技术节点，采用浸没式光刻技术；到了7纳米，为了实现更小光刻分辨率，使用极紫外光源，即EUV光刻技术。

“一般来说，用于成像的光源波长越短，光路空间的折射率越高，分辨率越好。”王晓磊介绍，EUV光刻采用13.5纳米波长的极紫外光源，相比193纳米波长的紫外光源，分辨率更高，可实现更小尺寸图形刻制。浸没式光刻技术，则是让曝光区域与光刻机透镜之间充满水，进而增大折射率，提升分辨率。

疑问七

低纳米芯片研发有何意义？

王晓磊表示，晶圆制造技术的特征尺寸越小，芯片计算速度越快、越省电、越便宜。“根据摩尔定律，每隔18个月，器件特征尺寸缩小0.707倍，集成度增大1倍；相应地，单位面积的芯片性能增加15%，功耗降低40%，成本降低35%。”

“目前，最先进的晶圆制造量产技术已达3纳米，我国台湾地区台积电和韩国三星均已在2022年实现相关技术。在1平方毫米大小的芯片上，晶体管数量超过1亿个。”王晓磊说。

疑问八

芯片为何成“必争之地”？

据介绍，集成电路产业是知识密集型、技术密集型、资本密集型和人才密集型的高科技产业。涉及上千种细分领域、约十四种工业大类，是多学科交叉结晶的产物。

王晓磊认为，集成电路产业发展不仅要求有很强的经济实力作为依托，还要求具备深厚的技术与人才基础。

他表示，集成电路具有战略性和市场性的双重特征。战略性在于，信息社会中的航天器、卫星和信息安全等领域需要使用的电子设备量越来越大，而所有电子设备都无法绕过集成电路而存在。“集成电路是国家工业的重要基础。”

世界半导体贸易统计组织数据显示，2022年，集成电路产业市场份额约4799亿美元，巨大的经济效益决定该产业在各国经济发展规划中举足轻重的地位。战略与经济价值决定了集成电路在信息社会发展中占据重要地位，成为“必争之地”。