设计工艺达到5nm,为什么芯片那么难做,光刻机和光刻胶是关键

中国初创公司的汽车SOC芯片

引言:上个月受邀看了芯驰(SemiDrive)的9系列SoC线上发布会,年初其实就收到了线下发布会的邀请,但因为疫情一直无法确定时间。这次线上发布会看下来还是颇有亮点的,只可惜没有抽到奖品。芯驰这次发布了三款芯片(X9、V9、G9)三大汽车芯片产品,作为一个国

自美制为以来,芯片制作便一直被推上热潮,我国的芯片发展进入了“白热化”阶段。

为什么说芯片难以制造,就连工业如此发达的我们也似乎摆脱不掉老美的封锁。其实我国的芯片成就还是很不错的。

国产芯片处理器被广泛应用

其实并不是这样的,虽然我国在高端芯片的国产化上还有少许差距,但是普通的芯片生产能力还是不错的。

并不是所有的芯片都那么难,像目前我们国内运算能位于全球第四名“天河二号”超级计算机,里面就是采用了我们国产的飞腾CPU。我们家里面常用的蓝牙音箱、电视机顶盒、空调主机等家电,里面大部分的核心芯片都是我们自己生产的。

这些芯片不光应用在数码家电领域。像医疗、重型工业、甚至是军事上,也有我们自己研发芯片的身影。

芯片的设计难

目前我国在芯片设计的技术已经达到了世界领先的级别,使用ARM公版架构的华为手机处理器在设计中已经突破了5nm,预计下一代手机使用的麒麟1000处理器将由台积电量产。并且中科院近期宣布2nm芯片技术迎来了新的突破。

处理器的架构

在芯片的设计中我们会迈上一个新的台阶,那就是拥有自己的芯片架构。

大陆芯片行业从白纸发展到今天,上海为大陆芯片输血20年

我们都知道,半导体行业的发展状况能够很好地反映了一个国家的综合实力。作为半导体技术的发源地,世界强国美国很长时间都领导着全球半导体与集成电路的发展。根据调查数据显示,美国半导体销售额以平均5.02%的增速从1997年的709亿美金发展到2017年的1889亿美

在整个手机处理器架构中,我们把它划分为CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)、Memory(记忆存储器)、ISP(互联网服务)、Modem(调制解调器)、NPU(神经网络引擎)等模块组成。

CPU的架构

而相比整个处理器的架构来说,CPU也是有自己独立的架构,不同的架构和优化所达到的性能完全不一样。就像是高通骁龙八核芯片出来的时候,就出现过“一核运行八核围观”的场面,就是因为架构优化不到位,各个核心不能被合理调用,协同合作。

重新设计一个自己的架构,就需要重新颠覆式的画一份新的CPU图纸,里面上百亿个晶体管就像是城市的每一个建筑,每一条线路都像是一条条的街道。这种图纸相比一座这个城市的规划图还要复杂千万倍,其中的难度可想而知。

制作芯片的设备

相比芯片设计,制造芯片的设备不像芯片架构和系统一样,可以在公版和开源的环境下进行二次的开发,随着美国封锁荷兰的高端光刻机市场,我们无法购买到高端的光刻设备。自己靠摸索前进,目前我国最先进的光刻机已经能实现24nm工艺的生产,通过n+1工艺看可以实现14nm工艺的生产。

根据上海华虹集团前不久透露:通过FinFET工艺能生产出的14nm芯片,SRAM良率已达25%。虽然产品的不良率还是非常高,但是在生产水平上,已经达到了世界主流水平,毕竟Intel九代桌面CPU使用的还是14nm工艺的。

芯片制作的原料(光刻胶)

光刻胶是光刻过程的主要原料之一,目前先进的光刻胶都被日本和美国公司垄断,占据了全球约85%的份额。国产的光刻胶只能在低端的生产工艺上面使用,目前使用的ArF光刻胶都是进口的。而EUV光刻胶根本没有公司能生产,基本掌握在日本企业手中。在光刻胶的生产上,我们也需要努力攻克,才能实现真正的国产化。

总结一下

目前我国的芯片设计工艺已经比较成熟,只要有了高端的光刻机和光刻胶等设备,芯片实现国产化完全没有问题。并且在国家的大力扶持和科技人员不断的创新,有可能跨过硅基芯片,进入碳基芯片时代。

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