芯片研發究竟有多難 ？

國防科技大學計算機學院博士扈嘯為您多維度講述—芯片研發究竟有多難 ？

■它體積微小 ，貌不驚人，卻集高精尖技術於一體 。

■它作用非凡 ，應用廣泛 ，是信息產業的核心和基石。

■它事關國計民生與信息安全 ，牽動著億萬國人的心 。

小小的它這般神奇

簡單說來 ，芯片就是一種集成電路 ，它是通過微細加工技術 ，把半導體器件聚集在矽晶圓表麵上而獲得的一種電子產品 。

芯片的奧秘之處 ，在於它可將多達幾億個微小的晶體管連在一起 ，以類似用底片洗照片的方式翻印到矽片上 ，從而製造出體積微小 、功能強大的“集成電路” 。

芯片上的晶體管有多小呢 ？一根頭發絲直徑長度能並排放下1000個 ，且相互之間能協同工作 、完成指定的任務 。

製造出來的芯片雖然隻有指甲般大小 ，能耐卻大得驚人 。它具有信息采集、處理 、存儲 、控製 、導航 、通信 、顯示等諸多功能 ，是一切電子設備最核心的元器件 。

在當今信息社會 ，芯片無處不在 ，生活中凡是帶“電”的產品 ，幾乎都嵌有芯片 。美獅會每天都離不開的手機 ，裏麵的芯片就多達30個 。如果沒有芯片 ，世界上所有與電相關的設備幾乎無法工作 。

芯片不僅事關國計民生 ，而且涉及信息安全 。一些西方國家出於自身利益考慮 ，將其視為一種貿易或戰爭的“武器” ，輕則通過禁運 、限售等措施 ，製約相關國家信息產業發展 ，重則通過接入互聯網芯片的“後門” ，進行情報收集或實施網絡攻擊 。如前幾年發生的“棱鏡門”事件 、某大國通過互聯網攻擊伊朗的核電站等，都與芯片有著千絲萬縷的聯係 。因此 ，芯片不僅是信息產業的核心 ，更是信息處理與安全的基石 。

信息社會不可或缺

隨著信息技術的迅猛發展 ，芯片應用已延伸到社會的每個角落 ，融入生活的方方麵麵 。從人們日常生活使用的手機 、電腦 、洗衣機 ，到工業領域的機床 、發動機 ，再到航空航天領域的導航及星載設備等 ，哪樣都少不了芯片 。

在軍事領域 ，先進武器裝備 、指揮信息係統 ，芯片更是不可或缺 。如采集芯片可以使武器裝備擁有“千裏眼”“順風耳” ，信息處理芯片能給武器裝備裝上“智能大腦” ，通信芯片能將各種裝備與作戰單元連接起來進行體係對抗 ，存儲芯片則能保存各種戰場數據而進行作戰效能和毀傷評估 ，等等 。芯片已成為影響戰爭勝負的重要因素 。

廣泛的應用需求 ，推動著芯片技術的迅速發展 。隨著更好工藝的采用以及片上係統 、微機電集成係統等技術的進步 ，芯片開始進入“自組裝”的納米電路時代 ，競爭日趨激烈 。

應用廣 ，市場就大 。據美國半導體產業協會統計 ，2017年1月至2月 ，中國和美國的芯片市場規模份額分別為33.10%和19.73% 。中國雖然是全球最大 、增長最快的芯片市場 ，但許多高端芯片要進口 。

設計製造難在何處

芯片的設計製造是一個集高精尖於一體的複雜係統工程 ，難度之高不言而喻 。那麽 ，究竟難在何處 ？

架構設計難 。設計一款芯片 ，科研人員先要明確需求 ，確定芯片“規範” ，定義諸如指令集 、功能 、輸入輸出管腳 、性能與功耗等關鍵信息 ，將電路劃分成多個小模塊 ，清晰地描述出對每個模塊的要求 。然後由“前端”設計人員根據每個模塊功能設計出“電路” ，運用計算機語言建立模型並驗證其功能準確無誤 。“後端”設計人員則要根據電路設計出“版圖” ，將數以億計的電路按其連接關係，有規律地翻印到一個矽片上 。至此 ，芯片設計才算完成 。如此複雜的設計 ，不能有任何缺陷，否則無法修補 ，必須從頭再來 。如果重新設計加工 ，一般至少需要一年時間 ，再投入成百萬甚至上千萬元的經費 。

製造工藝複雜 。一條芯片製造生產線大約涉及50多個行業 ，一般要經過2000至5000道工藝流程 ，製造過程相當複雜 。製造芯片的基礎材料就是普通沙子 ，它如何變成製造芯片的材料呢 ？沙子經脫氧處理後 ，通過多步淨化熔煉成“單晶矽錠” ，再橫向切割成圓形的單個矽片 ，即“晶圓” 。這一過程相當複雜 ，而在晶圓上製造出芯片則更難 。首先要將設計出來的集成電路“版圖” ，通過光刻 、注入等複雜工序 ，重複轉移到晶圓的一個個管芯上 ，再將管芯切割後 ，經過封裝 、測試 、篩選等工序 ，最終完成芯片的製造 。值得一提的是 ，製造過程中還需要使用大量高精尖設備 ，其中高性能的光刻機又是一大技術瓶頸 。如最先進的7納米極紫外光刻機 ，目前隻有荷蘭一家公司能製造 ，價格上億美元不說 ，一年僅能生產20台左右 。

投入大 、研製周期長 。一款複雜芯片 ，從研發到量產 ，要投入大量人力 、物力和財力 ，時間至少要3至5年 ，甚至更長 。處理器類芯片還需要配套複雜的軟件係統 ，同樣需要大量人力物力來研製 。美國英特爾公司每年研發費用超過百億美元 ，有超過5萬名工程師 。

發展迅速 、追趕難度大 。自20世紀50年代末發明集成電路以來 ，芯片的集成度一直遵循摩爾定律迅猛發展 ，即每隔18個月提高一倍 。半個多世紀以來 ，芯片的性能和複雜度提高了5000萬倍 ，特征尺寸則縮減到一根頭發絲直徑的萬分之一 。芯片領域競爭十分激烈 ，美 、歐等發達國家處於技術領先地位 ，芯片研發相對落後的國家 ，短時間內追趕有難度 。

“中國芯”正加速追趕

目前 ，全球高端芯片市場幾乎被美 、歐等先進企業占領。但加速研發國產自主芯片一直是政府 、企業 、科研院所的重點發展方向 。近年來 ，我國在集成電路領域已取得了長足進步 ，芯片自給率不斷提升 ，高端芯片受製於人的局麵正在逐步打破 。

我國自主研發的北鬥導航係統終端芯片 ，已實現規模化應用 。在超級計算機領域 ，多次排名世界第一的“神威太湖之光”和“天河二號” ，全部和部分采用了國產高性能處理器 。國產手機 、藍牙音箱 、機頂盒等消費類電子產品 ，也開始大量使用國產芯片 。

11月9日 ，“2018中國集成電路產業促進大會”在重慶舉辦 ，102家企業的154款產品參加本屆優秀“中國芯”評選 ，“飛騰2000+高性能通用微處理器”等24款產品獲獎 ，涵蓋從數字交換芯片到模擬射頻電路 、人工智能芯片到指紋識別傳感器 、工業控製到消費類電子等各個領域 。

這一係列進步的背後 ，是國家高度重視和大力投入 。2006年 ，國務院頒布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》 ，2014年6月 ，國務院批準實施《國家集成電路產業發展推進綱要》 ，都對這一領域發展提出了部署要求 。

隨著國家的大力扶持和一係列關鍵核心技術的突破 ，“中國芯”正逐步縮短與發達國家的差距 ，“中國創造”終將占領信息係統技術製高點 ，真正把競爭和發展的主動權掌握在自己手中 。