5月13日晚,中芯国际公布2021年第一季度财报。数据显示,中芯国际一季度营收11．036亿美元,净利润为1．589亿美元,相比去年显著增加。
超出市场预期的业绩,源于旺盛的芯片需求。
你可能已经被“华为、台积电、光刻机、芯片”这些关键词轰炸过,也多少听过些台积电的传奇故事。本篇文章,我们不讲故事,谈谈如何亲手制造出一枚芯片。
所谓芯片,就是将可以实现运算或存储等功能的电路,集成在一块很小的硅片上。
它诞生的过程,分为设计、制造、封装这三步。
我们熟悉的高通、华为海思和联发科,其实都只是做芯片设计的公司
首先要进行电路图设计,我们明确好芯片的规格和功能后,先给出一张布满“与门”、“非门”、“或门”等集成电路逻辑符号的逻辑设计图,大概长这样。
再根据逻辑图设计电路元器件的布局,给出“电路图”,大概长这样。
如果完全看不懂这两张图,不用怕,我们精心挑选了高等教育出版社出版的《数字电子技术基础》和《模拟电子技术基础》两本书,适合高中及以上学历的朋友从零学起。
除了理论知识,芯片设计还需要软件支持。就像作图、画图纸需要PS、CAD等软件一样,逻辑图和电路布局图也并非是在纸上徒手作画,而是需要使用EDA软件。
如果要设计22nm以下制程工艺的芯片,就必须从三家总部在美国的公司购买正版软件。
在EDA软件上,最终会得到类似这样的电路图,然后将其制成一张光罩。
光罩的原理和作用类似于传统照相机的底片,光线打过光罩后,我们就可以得到一层电路图形。
由于一枚芯片是由几十层电路层层堆叠而成三维结构,所以就需要用几十层光罩一一对应。比如一张7nm制程的处理器芯片,往往会需要80张以上的光罩。
拿到光罩后,我们开始自制芯片的第二步,制造。台积电的生意,就集中在这一步。
简化描述一下芯片的制造过程。
首先在硅片上覆盖一层薄膜,涂上光刻胶;然后用强光透过写有电路图的光罩,打在光刻胶上;强光会破坏光刻胶的结构,但光罩上被遮挡的部分,光刻胶不会被破坏,光罩也就copy到了光刻胶上。
最后再冲蚀、溶解掉没有被光刻胶覆盖的薄膜以及剩下的光刻胶,晶圆上就只留下与电路图图形一模一样的薄膜了。
利用设计好的多层光罩,不断重复上述过程,最后,最初的硅片就可以变成这样一张布满几十个芯片的IC晶圆。
在了解芯片制造复杂流程的同时,还有一个严峻的问题,就是如何获得所需的高品质原材料和制造设备。
比如,制造环节最重要的光刻机去哪儿买?
目前高端光刻机市场几乎被荷兰ASML公司垄断,他们2019年生产的26台EUV光刻机,约有一半被台积电买走,每台约1．2亿美元。
另外根据ASML的“客户联合投资专案”,他的客户往往都是投资自己的股东,比如台积电就在2012年以8．38亿欧元获得了ASML 5%的股权。
但各位青年实业家不用因此灰心,我们发现,在某鱼App上,有人出售二手闲置ASML光刻机,包邮价格为1亿人民币。
等待光刻机的同时,其它难以在国内采购的原材料和设备,只能亲自出国走一趟了。
清晨的第一缕阳光刚刚撒到首都机场,我们已经动身,精神饱满地赶往日本和美国。此行的目的,是去采购制造芯片必须的几样原材料和设备。
这里是日本,我们要寻找的,是国产良品率不够的硅片,以及技术还不够成熟的光刻胶等原材料。这些,是日本人50年积累的工业精华,也是人类科技宝贵而又神秘的馈赠。
而在美国,我们的目的地是加州的“应用材料公司”(Applied Materials, Inc),这家低调而又神秘的美国公司,能生产除光刻机外几乎所有的芯片制造设备。我们希望能在这里找到国产率为0的化学机械抛光设备,以及国产率极低的沉积设备。
辛劳的汗水,果敢的决心,和早出晚归的等待,我们终于买到了制造芯片的所有原材料。是时候启动我们从闲鱼上买来的光刻机,用机器散发的热量,来温暖一下自己久旷的心灵。
在制得的IC晶圆上有几十张芯片,但看上去,和拆开手机后我们看到的芯片还不太一样,因为还差最后一步:封装。
如果你拆过手机或电脑,可能会对主板上这样的小黑盒有印象,所谓封装,就是将IC晶圆上剪下来的芯片装进这个小黑盒的过程。
位于产业链末端的封装,相对来说门槛和附加值较低,劳动密集度比较高。国内有多家企业在深耕这一领域,占据了相当一部分市场份额。
至此,就讲完了自制芯片的全部流程。但在各位亲自动手发家致富之前,还要泼点冷水。
目力所及,我们见过自制芯片最成功的的,是一位UP主自制了一枚1cm工艺的芯片。作为对比,华为P40系列使用的麒麟990 5G,基于的则是7nm工艺。
可以说,最近30年的科技产业史,就是一部科技产业链分工合作不断精细化的历史。眼下,一个个人或是一家公司,想要包揽芯片全产业链,几乎是件不可能完成的任务。
风云际会,浪潮汹涌,当中国科技产业慷慨应战。我们不能也不应该,将所有希望全部寄托在某一家公司身上,不管它叫华为,还是叫中芯国际。
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