第44章 芯片設備

製造芯片首先需要進行IC設計,IC設計需要工程師擁有很強的專業能力,需要無數的實驗。

有時候爲了驗證一個猜想就需要進行上百次的實驗,每一次實驗需要進行一次芯片的製造,所需要花費的資金無以計數,並不是一朝一夕可以實現的。

但是方浩擁有完整的芯片設計圖,這些圖紙在23世紀科技星球都是古董般的存在,但是在這個世界都是一等一的頂尖科技。

輝煌科技準備製造一款嵌入式處理器,代號輝煌一號,這種芯片採用ARM架構,仿製23世紀的型號彩虹處理器,是23世紀科技星球兩百年前有名的主控芯片,甚至超過了PC端的CPU,它的推出當時震撼了整個科技界。

裡面的一些硬件設計原理都是非常新的東西,比如阻抗匹配,放大參數設計等等,這款芯片比現在地球上的芯片設計技術先進十多年左右。

雖然有圖紙,但是將這些圖紙變成現實還需要這些工程師的努力研究,電路里面的參數還需要他們一一計算。

方浩並不打算直接把這些圖紙送給輝煌科技,而是通過暗中傳輸記憶傳授的方式啓發裡面有潛力的人,讓他們共同參與,完成IC版圖的設計。

國產芯片中比較有代表性的是龍芯,2001年由中科院計算機所成立課題組研製,花了16年時間,耗費了1.8萬億資金,在2017年發佈龍芯3號,但由於微結構上的差距,龍芯基本只能達到英特爾和AMD芯片性能的35%左右。

性能差距如此大,耗費時間如此長,但龍芯還不算完全自主研發的CPU。

龍芯是花錢買了MIPS公司的結構授權,在此基礎上實現自主研發創新。

世界上有能力設計生產電腦CPU的國家僅有美國、臺灣省,有能力設計生產手機SOC芯片的國家數量會在中國、美國的基礎上增加韓國。

國產CPU還沒有完全自主研發設計的,如果追根溯源,國產CPU的設計大致有以下幾種:

破解、打磨別人的CPU,典型的如漢芯,大家可自行網絡搜索;

獲得別人授權,在此基礎上加入自己的設計,典型如華爲海思,獲得ARM授權後,再自行設計,蘋果、三星、高通和聯發科也是如此,但蘋果、高通的二次”魔改“能力要高一些。

直接買全套方案,代表有超算太湖之光用的申威系列CPU,購買結構授權,再從上到下自主設計,比如龍芯CPU,雖然不是完全自主研發設計,但絕大部分是自己的東西。

還有一個問題,造出芯片之後需要佔據市場,更重要的是可以建立市場生態,而芯片是一種精密元件,一個芯片的性能可以直接影響一款產品,如果沒有100%的可靠性,市場是不會採購這種芯片的。

英特爾之所以成爲X86架構CPU霸主,關鍵是因爲它成功構建了X86架構的生態系統,競爭對手想另起爐竈搞其它架構的CPU,沒有人會買,產品賣不出去,賺不到錢,企業只能關門。

這也是國產芯片需要購買授權的原因,加入對方市場生態的原因,可是需要繳納高額的授權費。

可以這麼說,如果沒有專利權和授權費,歐美國家的高福利社會將會難以爲繼,因爲他們的福利大都是通過技術授權和專利掠奪窮國而來的

芯片只要加入市場生態,設計就不算難,全球芯片設計公司最多曾超過100家,經過優勝劣汰,現在也有五六十家。

而芯片製造的廠家,現在不超過十家,第一梯隊三家:英特爾、臺積電和三星,基本形成寡頭壟斷格局。

國產芯片的短板不在設計、封裝和測試,就在生產上。

和臺積電等巨頭相比,國產芯片生產製程工藝至少落後三代,在芯片代工生產市場,落後一代就意味着淘汰,落後三代就等於是廢物。

其次還有瓦森納協定,瓦森納協定卡住了全世界的脖子,中國雖然科技實力雄厚,人才不缺乏,可是沒有下面五家設備製造商的設備,是不可能製造出先進芯片的。

中國的廠商向五大設備製造商下單,購買到的也只是五年前的設備。

可以這麼說,雖然新中國成立了快八十年,但是仍舊沒有從國外的壓迫中脫離,而罪魁禍首就是百年前的滿清政府和國共戰爭。

滿清閉關鎖國,國共戰爭自相殘殺,使得國家落後了發達國家幾十年,產生的惡果由百姓來買單。

如今的百姓薪水僅僅只有歐美的五分之一,生活也十分困苦,並不是國家的問題,而是因爲財富被歐美掠奪。

僅僅進口芯片就是兩千億美元,而整個國家的財富才三十萬億美元,如果加上精密儀器,高端材料,耗費的將會是天文數字。

由於瓦森納協定限制,中國只能購買五年前的設備,如果拿到的是是技術落後五年的設備,想要製造先進芯片就是做夢。

全球瓦森納協定一共有五大半導體設備製造商:

1.韓國AM公司,前身是阿爾法精工株式會社,全球領先的半導體、平板顯示和太陽能光伏行業精密材料工程解決方案供應商,是韓國高精度機械設備的領導者,產品應用於工件的精磨、研磨、切割、和拋光,保持着低故障率和易維護性。

2.荷蘭ASML高端光刻機制造商,集合近乎完美的德國機械工藝以及世界頂級光學廠商德國蔡司鏡頭,再加上美國提供的光源,ASML迅速發展,高端光刻機市場基本被壟斷,爲半導體生產商提供光刻機及相關服務,在極紫外光(EUV)領域,目前處於壟斷地位,曾經一臺高端設備賣到了5億歐元,而且有錢都要排隊到十年後。

3.Lam Research,電漿蝕刻設備商,主要設計、製造、銷售、維修及服務使用於積體電路製造的半導體處理設備,包括客戶服務、備用零件的供應、產品升級、產品蝕刻、沉積、去除光阻及清潔等服務,並還製造、銷售一系列的研磨、疊置及精密拋光等設備。

4.KLA-Tencor,圖案光罩檢測的主要供應商,爲半導體制造商提供光罩檢測系統,用於工藝開發和批量生產過程中的缺陷檢測、原料檢測、設備監控和進程控制。

5.Dainippon Screen,後道檢測設備領先企業,致力於集成電路測試技術的開發,擁有種類完善的半導體後道測試臺和分選機,在主要的三種清洗設備市場中,迪恩士都是當之無愧的龍頭。在單晶圓清洗設備市場,迪恩士市場佔有率高達54.9%;自動清洗臺由於技術門檻相對較低,市場參與者較多,但是迪恩士市場佔有率仍達到了50%以上;而在洗刷機市場迪恩士也有着60%-70%的市場佔有率,可以說迪恩士是清洗設備市場中當之無愧的龍頭。

如果沒有主神空間,方浩技術再強也沒有信心製造世界一流的芯片,打造一個壟斷全世界的芯片產業,光是瓦森納協定就可以卡住輝煌科技的脖子。

光刻機這些設備在現代社會是有錢都買不到的高科技物品,可是在23世紀中並不算什麼,有很多設備可可以替代,比如1納米工藝的3D打印機,這種可以打印1納米大小的設備完全可以打印出7納米制程的CPU,只是效率無法比得上光刻機,不過做打印芯片做研究是可以了。

IC 芯片全名積體電路,它是將設計好的電路,以堆疊的方式組合起來,藉由這個方法,我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。

由此可見,芯片製造其實就是進行原子級別的製造,精度要求非常苛刻,這也是爲什麼國內無法生產CPU的原因。

芯片在結構上分爲三層。

第一,晶圓層。

從 IC 芯片的 3D 剖面圖來看,底部的部分就是晶圓,晶圓基板在芯片中扮演地基的角色。

第二,邏輯閘層。

在 IC 電路中,晶圓上面的部分叫做邏輯閘層,它是整顆 IC 中最重要的部分,藉由將多種邏輯閘組合在一起,完成功能齊全的 IC 芯片,結構非常複雜。

第三,連接層。

邏輯閘上面還有一層連接層,不會有太複雜的構造,這一層的目的是將邏輯閘需要連接的部分相連在一起,相當於導線。

芯片中通常需要很多層連接層,是因爲有太多線路要連結在一起,在單層無法容納所有的線路下,就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中,不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。

如果要以油漆噴罐做精細作圖時,我們需先割出圖形的遮蓋板,蓋在紙上,接着再將油漆均勻地噴在紙上,待油漆乾後,再將遮板拿開。

不斷的重複這個步驟後,便可完成整齊且複雜的圖形。製造 IC 就是以類似的方式,藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。

芯片在製造過程中分爲四種步驟,雖然實際製造時,製造的步驟會有差異,使用的材料也有所不同,但是大體上皆採用類似的原理。

這個流程和油漆作畫有些許不同,IC 製造是先塗料再加做遮蓋,油漆作畫則是先遮蓋再作畫。

第一步,金屬濺鍍:將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上,形成一薄膜。

第二步,塗布光阻:先將光阻材料放在晶圓片上,透過光罩,將光束打在不要的部分上,破壞光阻材料結構。接着,再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。

第三步,蝕刻技術:將沒有受光阻保護的硅晶圓,以離子束蝕刻。

第四步,光阻去除:使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉,如此便完成一次流程。

最後便會在一整片晶圓上完成很多 IC 芯片,接下來只要將完成的方形 IC 芯片剪下,便可送到封裝廠做封裝。

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