SFKP • 计算机百科丨芯片发展历经五次变革,下一个十年属于 AI

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2019 年 11 月,在中国香港市郊的一所大学校园里,一群工程师正在设计特别的电脑芯片,他们希望这些芯片可以被用于下一代中国制造的智能手机之中。

他们设计的是光通信芯片,利用光而不是电信号来传输信息,这是 5G 手机和其他联网设备所需要的。其中的一位工程师穿着斯坦福大学 T 恤衫靠在椅子上,他是负责该项目的首席工程师和教授 —— 香港科技大学的「芯片专家」俞捷。

「政治上,一切都可以作为讨价还价的力量,」俞捷说,「如果这些公司和国家开始对技术有所保留,那么每个人都会受到伤害,从技术角度看没有好处。」俞捷项目的部分资金由华为提供。这家中国通信和电信巨头在过去的一年中,不断的成为国际政治风暴的中心。

许多行业观察人士担心,这场政治风暴可能会导致全球技术供应链面临崩溃风险。特别是,中国的芯片(或半导体)普遍依赖海外公司,可能会面临技术断层的情况,这也加速倒逼国内芯片产业链的自研脚步。

芯片到底有哪些核心技术?目前又发展到了哪一步?我们国家目前的研发难点又是什么?

本期的「SFKP • 计算机百科」,我们就来盘一下「芯事」。

一、「芯」的诞生

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芯片在电子学中是一种把电路小型化的方式,也被称为集成电路或者微电路,时常制造在半导体晶圆表面上。

从 1949 年到 1957 年,维尔纳·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默(Jeffrey Dummer)、西德尼·达林顿(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)都分别开发了集成电路原型,但现代芯片的前身是由杰克·基尔比在 1958 年发明的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器,并因此荣获了 2000 年诺贝尔物理奖。

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芯片对比传统的离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。

成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件很小且彼此靠近,小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。

正因如此,仅仅在其开发后半个世纪,芯片就变得无处不在,电脑、手机和其他数字电器成为现代社会结构不可缺少的一部分,现代社会的计算、交流、制造和交通系统,包括互联网,全都依赖于芯片的存在。

甚至很多学者认为有集成电路或者说是芯片带来的数字革命是人类历史中最重要的事件,芯片工艺的成熟将会带来科技的大跃进,不论是在设计的技术上,或是半导体的工艺突破,两者都是息息相关。

二、芯片发展的五次变革

虽然集成电路的雏形早在 1949 年就出现了,但直到 1960 年代双极和 MOS 电路出现之后,随着硅平面技术的发展,电子管和晶体管制造电子产品的形式从量变产生了质变,让芯片真正成为了一个相对完整的产业。

在 60 多年的漫长的发展历程中,芯片行业已经发生了四次重大变革,这四次变革的重要原因都包含“为了解决系统设计或芯片电路设计上的问题”,也让芯片产业分工上产生了结构性的改变。


第一次变革:行业的第一次洗牌

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集成电路产业的第一次变革是从1970年代开始,随着微处理器与存储器的诞生,原来由系统公司独揽系统与 IC 设计的垂直整合时代,转变为系统公司与 IC 公司的分业体制。

1960 年至 1970 年,行业进行了第一次的洗牌。

在这十年中,基本上每一个芯片厂商都需要进行芯片相关的所有设计与制造。但随着芯片的发展,功能和涉及的工艺、材料越来越多,设计的过程耗时越来越长,很多生产力较低的厂商的芯片在还未正式推出前就已经成了「过期产品」。

1970 年,芯片的很多元器件开始逐渐标准化,这给了很多中小厂商专注进行芯片的整合与制造的机会,通过直接使用标准化的元器件,加快芯片的生产迭代速度。

这一阶段,垂直整合制造公司(IDM) 企业在芯片市场中充当主要角色,集成电路设计(IC)则是作为附属部门而存在。

但这也导致了一个问题,就是 IDM 类企业过于重视研发成本的控制,从而牺牲了在芯片制作过程中的创新能力。


第二次变革:产品标准化,行业明确分工

第二次变革是在 1980 年代。为了改善系统的速度和简化程序,专用集成电路(ASIC)技术应运而生,工程师可以不必了解晶体管线路设计的细节部分,直接利用逻辑门设计门阵列(CPLD)、可编程逻辑器件(FPGA)、标准单元、全定制电路等,这让芯片的设计与制作进一步的标准化。

但在整个芯片电路上仍有很多独立的 IC 电路设计,难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求。同时客户则要求不断增加 IC 的集成度、减小芯片面积、降本增效,从而增强产品的竞争力,得到更多的市场份额和更丰厚的利润。

设计观念上的改变使得专业设计的 Fabless 公司出现,并由专业晶圆代工厂 Foundry 填补 Fabless 公司需要的产能,也就是所谓的 Foundry+Fabless 运营模式。


第三次变革:市场步幅加快,行业能力升级

第三次变革在 1990 年中后期,随着 Fabless 公司的不断推进,芯片上集成的晶体管数量已经达到了千万量级,工艺制程也发展到了 180nm,这让芯片的能力和应用场景得到了极大的增强。

同时,单片系统(SoC)的出现,显著的提高了 ASIC 的设计能力。SoC 设计方法学应运而生,其包含三个内容:

1. 系统设计方法
2. IP 核的设计和使用
3. 深亚微米集成电路设计

随着 SoC 设计方法学的普遍采用,芯片设计公司购买第三方公司的 IP,组合成 SoC,整个过程就跟拼积木一样,芯片的规模呈指数级增长,从百万门级发展到今天的数十亿门级。

并且,高度复杂的系统功能和愈来愈快速的产品进入市场时间(Time to Market)要求,不允许芯片设计者公司一切从零开始,必须借鉴和使用已经成熟的设计为自己的产品开发服务,这也决定了 SoC 的设计必须采用与传统单片集成电路设计不同的方法。

集成电路产业发展至此阶段,专业分工已经初步形成,随着SIP设计、EDA工具、芯片设计、晶圆制造、封装、测试等环节逐步成熟,在各个专业环节涌现出一大批优秀的公司。


第四次变革:芯片行业的合纵与连横

随着芯片行业形态的成熟,现在已经进入了集群虚拟垂直整合(Clustered Virtual Vertical Integration,CVVI)模式发展阶段,集群、虚拟垂直、整合是该阶段的精髓。

具体来说,就是让专精于不同领域的公司,彼此以结盟或战略伙伴关系互补,以达到快速布局的战略目的,进而达到有效的垂直整合。

在芯片这个领域,为了缩短芯片设计周期,产业链各公司必须彼此沟通合作,透过厂商间的链接和 IP 整合,跟上客户的需求和市场的变动,让彼此的效益可以发挥到最大,实现最佳竞争优势。

而随着「异质集成」、「Chiplet」成为集成电路产业未来发展趋势时,新的商业模式必将出现。现在,单打独斗的模式已经势微,集群、虚拟垂直、整合已经是大势所趋。


第五次变革:下一个十年 - AI 芯片发展

2017 年 4 月,Google 公布了一篇即将在 ISCA2017 上发表的论文:“In-Datacenter Performance Analysis of a Tensor Processing Unit”,公开了其做 AI 芯片的细节;2017 年 5 月,GTC2017 大会,Nvidia CEO 黄仁勋也发布了 Volta 架构 GPU。

正因为这两个重要的发布,让 2017 年被定义为 AI 芯片的元年。

芯片技术的发展是人工智能发展的必要条件 ,芯片代表着算力。人工智能的发展有几大重要支柱,包括

- 数据:事实或观察的结果
- 算法:解决问题的方法,如深度学习算法
- 算力:运算能力

从数据方面,互联网时代下大数据高速积累,需要运行的数据量骤增,而现有算力难以匹配;从算法方面,即使存在逻辑上可用的算法,也需要有足够算力才能处理数据样本、训练机器。由于算力的不可或缺和通信应用(智能手机等)增长的放缓,人工智能的发展也将成为芯片技术进步的主要驱动力。

综合来看,如果以设计理念进行划分的话,AI芯片大致可分为两大类别。

第一类是“AI加速芯片”,它是确定性地加速某类特定的算法或任务,从而达到目标应用领域对速度、功耗、内存占用和部署成本等方面的要求。目前,AI加速芯片的研发有两种主要的方式:一种是利用已有的GPU、众核处理器、DSP、FPGA芯片来做软硬件优化;另一种是设计专用的芯片,也就是ASIC。

第二类是“智能芯片”,它让芯片像人一样能使用不同的AI算法进行学习和推导,处理包含感知、理解、分析、决策和行动的一系列任务,并且具有适应场景变化的能力。

目前,面向综合、自适应能力的智能芯片研究有两类设计方法,一种是基于类脑计算的“神经拟态芯片”;另一种是基于可重构计算的“软件定义芯片”。

围绕这两大方向,全球各大芯片公司都积极在人工智能领域进行布局。可以说,通过芯片技术来大幅增强人工智能研发的时机已经非常成熟了。

但从芯片发展的大趋势来看,目前尚处于 AI 芯片发展的初级阶段,无论是科研还是产业应用都有巨大的创新空间。

从确定算法、领域的 AI 加速芯片向具备更高灵活性、适应性的智能芯片发展是科研发展的必然方向。业界专家也发出判定,未来十年将是 AI 芯片发展的重要时期,有望在架构和设计理念上再次取得巨大的突破。

三、芯片的制作流程以及材料

近两年国际局势的不稳定,让许多人对我国的芯片生产忧心忡忡。

因为缺乏关键技术和设备,我国的很多产品,包括手机、交换机、网络通信基站以及核心芯片等都无法完全自主生产,这也是美国赖以“耀武扬威”的原因之一。

那么,制作一个芯片到底涉及到哪些核心技术?又需要用到哪些原料?


芯片是如何制作出来的?

芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节,其中晶片制作过程尤为的复杂。

1. 制造硅晶圆

在沙子中加入碳,在高温作用下,转化成纯度约99.9%的硅。经过熔化,从中拉出铅笔状的硅晶柱。通过钻石刀将硅晶柱切成圆皮,抛光后便形成了硅晶圆。硅晶圆的直径常见的有 8 英寸和 12 英寸,直径越大、晶圆越薄,单个芯片的成本越低,但加工难度和对工艺的要求也就越高。

2. 光刻

光刻工艺的基本流程首先是在晶圆(或衬底)表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。

在硅片上涂抹光刻胶,让紫外线透过一个掩膜照射光刻胶,掩膜上印着预先设计好的电路图案。光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶通过光化学反应被溶解掉,有的芯片制作过程需要对曝光后的晶圆进行第二次烘烤,即所谓的曝光后烘烤,后烘烤是的光化学反应更充分。

最后,把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上,对曝光图形显影。显影后,掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的,曝光是在光刻机中完成的。

整个曝光显影系统是封闭的,晶圆不直接暴露在周围环境中,以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。

3. 掺杂

通过离子注入,赋予硅晶体管的特性。具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。

一般是将硼或磷注入到硅结构中,接着填充铜,以便和其他晶体管互连。然后可以在上面再涂一层胶,再做一层结构。简单的芯片可以只用一层,但复杂的芯片通常有很多层,现在的芯片大部分包含几十层,形成一个立体的结构。

4. 封装测试

在芯片做好后,用精细的切割器将芯片从晶圆上切下来,焊接到基片上,将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。经过测试后就可以包装销售了。


芯片有哪些核心材料?

1. 光罩

我们知道芯片的制作过程中有一步是「光刻」,其中提到了一个「掩膜」的概念,也就是光罩。

根据事先设计好的电路图做成光罩,光刻机的光源通过光罩之后,就把电路图印在晶圆上,而光罩就类似底片。

2018年,全球半导体制造材料市场规模为322亿美元,其中光罩的市场规模大约45亿美元,占制造材料的14%,规模仅次于硅片。

2. 光刻胶

除了掩膜外,我们上文中还提到了光刻胶。要想完成光刻,必须事先在硅片上涂上光刻胶。

光刻胶又称光致抗蚀剂,是指通过紫外光、电子束、离子束等照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料。从性质上来讲,光刻胶分为正光刻胶和负光刻胶,被光照到使溶解度增加的是正光刻胶, 溶解度减小的是负型光刻胶。

不管是正是负,总之就是要让被照到的和不被照到的地方形成溶解度不同的区域,然后把不想要的那部分区域溶解去掉即可。

不同种类的芯片,不同制程的芯片,使用的光刻胶不一样,制作的难度也不一样。

到 2018 年,全球光刻胶市场规模 16 亿美元,规模并不大,但却至关重要。

另外,光刻胶市场同样是一个高度垄断的市场,全球前 5 大公司市场份额超过 85%。而前 4 大光刻胶企业都是日本公司,分别是合成橡胶、信越化学、东京应化和住友化学。

3. 电子气体

电路刻到了硅片上,要想让芯片运作起来,需要有一个前提,那就是刻在硅片上的晶体管要有开关特性。电路要想有开关特性,就需要离子注入,而离子注入就需要电子气体,又叫电子特气。

用在芯片上的电子气体首先的特点是高纯,大部分电子气体的纯度达 99.99% 以上。而且大部分电子气体具有高压、易燃、高腐蚀和剧毒的特点。

电子气体也是一个高度垄断的市场,主要公司包括美国空气化工、普莱克斯、德国林德集团、法国液化空气和日本大阳日酸株式会社,这几家公司占了 90% 以上的市场份额。

4. 高纯溅射靶材

当把电路图刻到了晶圆上,做了各种清洗,注入了离子,但是还要把芯片上的电子元件连接起来才行,就像你把所有的元件都摆放好了,然后你要用导线把他们相互连接起来,这就需要用到溅射。溅射主要是制备薄膜材料,是物理气相沉积(PVD)技术的一种。

溅射的大概意思是说用离子轰击靶材,然后靶材上的原子被轰出来,最后掉在单晶硅的基板上,然后形成特定功能的金属层,从而形成导电层或者阻挡层等,这就是金属化。当在芯片表面形成金属层后,再用光刻或者刻蚀,将不要的部分去掉,于是芯片表面就留下了金属细线,这就能让芯片上各种元器件连接起来了。

高纯溅射靶材包括铝靶、钛靶、钽靶和钨钛靶等。其中,8 寸晶圆生产中主要用到铝靶和钛靶,12 寸晶圆主要用到钽靶和铜靶。

溅射靶材同样属于寡头垄断市场,主要企业包括日本日矿金属、美国霍尼韦尔、日本东曹、美国普莱克斯和日本住友化学等。
总体来看,芯片的制作工艺壁垒非常高,相关的材料又大都处于行业垄断的情况,因此行业整体的壁垒很高。随着政治局势的影响,确实容易成为各个国家之间掣肘的资源。

后记:芯事难“料”

国产化替代已经成为了我国改革开放四十余年中,引领核心技术产业发展的一面旗帜,也是一场革命。在这场革命蓝图一隅,半导体产业国产化的这场马拉松已经冲刺多年,从上游材料设备到中游设计制造,再到下游封测,我国半导体产业链各个环节的国产化发展和竞争也异常激烈。

「毫无疑问,中国有制造芯片的工程师。问题是他们能否制造出具有竞争力的产品。」硅谷历史学家、人工智能学者皮耶罗·斯卡鲁菲(Piero Scaruffi)问道。

但像斯卡鲁菲这样的行业分析师对中国真正的创新能力仍抱有疑问。他认为,中国目前取得的技术成功在于技术应用,而不是技术创造。

「如果你的衡量标准是有多少人使用智能手机购物,那么中国赢了。但如果你的衡量标准是诺贝尔奖得主,那么中国输得很惨,」他说,「当然,中国在通过应用技术,极大地改变社会方面非常成功。」

此次美国的管制,一方面确实对我国的芯片行业带来了很大的影响,另一方面也给了我国企业发力证明自身实力的一个机会。

例如,在芯片设计环节包括华为海思、紫光集团都已经突破了技术局限,尤其是华为海思更是掌握了 7nm 芯片设计技术。而芯片制造环节,中芯国际 14nm 制程工艺已经正式投产。在光刻机领域有上海微电子一马当先,在刻蚀机领域则有中微半导体和北方华创双双出击,中微半导体自主研发的 5nm 蚀刻机也运用到了台积电首条 5nm 芯片生产线上。

此外,我国芯片封装测试产业更是「一家独大」。目前全球最大的封测公司是我国台湾的日月光集团,世界排名第三的封测公司是我国的长电科技(600584),市场份额和第一也相差无几。

但正如斯卡鲁菲分析所说,相比于芯片制造,封装测试的技术壁垒较低,所以进入相对容易一点。另外一方面,封装测试是芯片细分领域里的劳动密集型产业,而在劳动力方面,我国一直有优势。

所以,世界上两个最大的经济体再次走向碰撞,我们不能盲目乐观,也不用妄自菲薄。

随着世界政治格局的洗牌,谁知道芯片行业会不会迎来一次新的洗牌呢。

部分参考资料:

央视新闻:《芯片是怎么制造的?》
芯思想:《芯片发展的六个时代》
君临研究中心:《芯片制造材料的国产替代到底有多重要?》
南方周末:《芯片上的人》

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