錢江晚報(bào)·小時(shí)新聞 記者 鄭琳
據(jù)央視新聞報(bào)道，3月1日，國(guó)新辦舉行工業(yè)和信息化發(fā)展情況新聞發(fā)布會(huì)。會(huì)上介紹，2020年我國(guó)集成電路銷售收入達(dá)8848億元，平均增長(zhǎng)率達(dá)20%，為同期全球集成電路產(chǎn)業(yè)增速的3倍。與此同時(shí)，集成電路在我國(guó)高校中也早已正式成為一級(jí)學(xué)科。
同學(xué)們肯定都見(jiàn)過(guò)各種各樣的集成電路板，是不是也驚嘆于它小小的“身體”上竟蘊(yùn)藏著如此強(qiáng)大功能？那么，集成電路為何如此強(qiáng)大？這個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)如何？
本期我們邀請(qǐng)到了杭州電子科技大學(xué)駱建軍教授以及IT工程師黃河源為大家聊聊，集成電路這座“城市”到底是怎么建的。
設(shè)計(jì)制造集成電路
就像興建一座城市
集成電路，其實(shí)就是我們通常說(shuō)的“芯片”，又叫“維電路”。
“芯片看起來(lái)很不起眼，因?yàn)樗×?，比指甲蓋還小?！瘪樈ㄜ娬f(shuō)。
然而，就是指甲蓋那么大的封裝起來(lái)的黑色小硅片，卻是一切電子設(shè)備的核心，包括高鐵、飛機(jī)、電視機(jī)、手機(jī)的核心，甚至是發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)……
為了讓普通人理解芯片的復(fù)雜度，駱建軍打了一個(gè)形象的比喻：“如果把一塊芯片拿到一般的顯微鏡下看，就像是一張上海市地圖；拿到更高級(jí)的電子顯微鏡下看，就能看到每家每戶的窗戶、陽(yáng)臺(tái)，一扇扇門，一條條馬路；大家平常說(shuō)的28納米、15納米，就是這個(gè)城市建筑的最小尺寸?！?/p>
這個(gè)尺寸有多?。?納米大約相當(dāng)于六萬(wàn)分之一的頭發(fā)絲。如此細(xì)微的結(jié)構(gòu)，只有在顯微鏡下才能顯現(xiàn)其宏偉壯觀。
駱建軍說(shuō)，集成電路設(shè)計(jì)，就好像在這個(gè)指甲蓋大小的“地圖”上，設(shè)計(jì)一座“新上海城”——
馬路是7層甚至8、9層立交的；建筑物有幾百萬(wàn)座；擁有幾千萬(wàn)人口，幾億扇門窗不斷開(kāi)關(guān)；所有建筑物的門窗一秒鐘要開(kāi)關(guān)上億次，而且不能夠有一扇門窗的開(kāi)關(guān)不準(zhǔn)確。
“在這張超級(jí)地圖上，每個(gè)房間都要供電、供水，一兩個(gè)房間水壓不夠就可能造成電路計(jì)算不準(zhǔn)確，你的飛機(jī)就可能掉下來(lái)，這就是失敗的芯片?！?/p>
集成電路芯片在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)任何一個(gè)小缺陷，就必須重來(lái)。重新設(shè)計(jì)又需要至少1年時(shí)間，幾千萬(wàn)元的投入?！八?strong>集成電路設(shè)計(jì)需要從軟件到硬件的高超的設(shè)計(jì)、指揮、風(fēng)險(xiǎn)控制能力?！?/p>
“如今，硅谷占領(lǐng)了芯片設(shè)計(jì)和軟件這個(gè)產(chǎn)業(yè)金字塔的頂尖。”駱建軍說(shuō)。
上世紀(jì)八十年代的硅谷，擁有很多半導(dǎo)體生產(chǎn)線。硅谷也以此從一個(gè)葡萄園為主的干旱山谷轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴肮琛惫I(yè)為核心的高科技基地。到了上世紀(jì)九十年代，這些生產(chǎn)線逐漸移到了美國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)、亞太地區(qū)，臺(tái)灣、韓國(guó)、新加坡就是在這個(gè)時(shí)期建立了很多生產(chǎn)線，集成電路開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。
“今天的硅谷，已經(jīng)基本上沒(méi)有生產(chǎn)線?！瘪樈ㄜ娬f(shuō)?！耙栽O(shè)計(jì)公司和軟件公司為主流?！崩纾騁PU領(lǐng)軍企業(yè)（英偉達(dá)）、全球最大的可編程器件公司XILINX（賽靈思）、通信芯片公司Broadcom（博通），都是沒(méi)有生產(chǎn)線、純粹靠智慧設(shè)計(jì)在領(lǐng)導(dǎo)全球某個(gè)產(chǎn)業(yè)方向。
聚集著元器件的“土地”
還真是從沙土中提煉的
說(shuō)到創(chuàng)建一座“城市”，我們會(huì)想到一座城市需要“土地”?。∷?，集成電路也有自己的“土地”。
黃河源介紹說(shuō)，這片“土地”其實(shí)是一種圓形的叫“晶圓”的東西。晶圓是制作硅半導(dǎo)體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。說(shuō)起來(lái)，這晶圓還真跟土地有關(guān)，因?yàn)楹?jiǎn)化了說(shuō)，硅就是從沙子精煉出來(lái)的。
聽(tīng)上去好像挺簡(jiǎn)單的，但實(shí)際上，晶圓是一種極難生產(chǎn)制造的原材料，世界各國(guó)都在不斷加大研究力度，其中就包括咱們國(guó)家，因?yàn)樗P(guān)系著芯片的研發(fā)。
那制造晶圓的難度到底在哪兒？
說(shuō)得比較多的難度之一，就是提純。半導(dǎo)體產(chǎn)品對(duì)晶圓的純度要求極高集成電路，純度需要達(dá)到99.999999999%或以上。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電學(xué)特性對(duì)雜質(zhì)的濃度非常敏感，稍有雜質(zhì)“超標(biāo)”，就會(huì)導(dǎo)致集成電路出故障甚至報(bào)廢。
此外，還有別的難度，比如將電路植入晶圓，這就像城市規(guī)劃一樣，每一片晶圓在被使用前都要經(jīng)過(guò)光刻這個(gè)步驟——事先設(shè)計(jì)好架構(gòu)，用極其精密的光學(xué)儀器在晶圓上進(jìn)行“地塊劃分”、“街道建設(shè)”等。之后還有一系列例如離子注入、鍍銅、測(cè)試、切割等一系列工序……
