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中国的芯片技术研究现状

提问时间:2020-09-08 05:33 | 来自:三九问答

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推荐答案解决时间:2020-09-08 06:35

芯片我们研发的时间太短,各方面都是基础部分差的太远。那么我们从造芯片的几个部分开始一一说起:一、硅将其氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,切成片就是硅片。硅的评判指标就是纯度,如果硅里有一堆杂质,那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。太阳能级高纯硅要求99.9999%,全世界超过一半是中国产的,早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%,几乎全赖进口,直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产,目前年产0.5万吨,而中国一年进口15万吨。难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该还不错。不过,30%的制造设备还得进口。高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock,中国任重而道远.二、晶圆把纯的单晶硅切好之后就变成晶圆,在晶圆上把成千上万的电路装起来的,就叫“晶圆厂”。晶圆加工的过程有点繁琐。首先在晶圆上涂一层感光材料,这材料见光就融化,那光从哪里来?光刻机,可以用非常精准的光线,在感光材料上刻出图案,让底下的晶圆裸露出来。然后,用等离子体这类东西冲刷,裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽,这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素,就得到了一堆N型半导体。完成之后,清洗干净,重新涂上感光材料,用光刻机刻图,用刻蚀机刻沟槽,再撒上硼,就有了P型半导体。实际过程更加繁琐,大致原理如此。有点像3D打印,把导线和其他器件一点点一层层装进去。这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆的电路,最底层都是简单的门电路。只是采用了更多的器件,组成了更庞大的电路,运算性能自然就提高了。为何不把芯片做的更大一点呢?这样不就可以安装更多电路了吗?性能不就赶上外国了嘛?答案出奇简单:钱!一块300mm直径的晶圆,16nm工艺可以做出100块芯片,10nm工艺可以做出210块芯片,于是价格就便宜了一半,在市场上就能死死摁住竞争对手,赚了钱又可以做更多研发,差距就这么拉开了。另外,越大的硅片遇到杂质的概率越大,所以芯片越大良品率越低。大芯片的成本远远高于小芯片。三、设计与制造用数以亿计的器件组成如此庞大的电路,想想就头皮发麻,所以芯片的设计异常重要,重要到了和材料技术相提并论的地步。一个路口红绿灯设置不合理,就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去,稍微有个PN结出问题,电子同样会堵车。这种精巧的线路设计,只有一种办法可以检验,那就是:用!大量的用!现在知道芯片成本的重要性了吧,因为你不会多花钱去买一台性能相同的电脑,而芯片企业没了市场份额,很容易陷入恶性循环。正因如此,芯片设计不光要烧钱,也需要时间沉淀,属于“烧钱烧时间”的核心技术。既然是核心技术,自然就会发展出独立的公司,所以芯片公司有三类:设计制造都做、只做设计、只做制造。半导体是台湾少有的仍领先内地的技术了,早期的设计制造都是一块儿做的,最有名的:美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体;中国内地的:华润微电子、士兰微;中国台湾的:旺宏电子等。外国、台湾、大陆三方,最落后的就是内地,产品多集中在家电遥控器之类的低端领域,手机、电脑这些高端芯片几乎空白!后来随着芯片越来越复杂,设计与制造就分开了,有些公司只设计,成了纯粹的芯片设计公司。如,美国高通、博通、AMD,中国台湾的联发科,大陆的华为海思、展讯等。高通,世界上一半手机装的是高通芯片;博通是苹果手机的芯片供应商,手机芯片排第二毫无悬念;AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。这些全是美国公司。台湾联发科走的中低端路线,手机芯片的市场份额排第三,很多国产手机都用,比如小米、OPPO、魅族。不过最近被高通干的有点惨,销量连连下跌。华为海思是最争气的,除了通信芯片,海思也做手机用的麒麟芯片,市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会,海思芯片的进步真的相当不错。展讯是清华大学的校办企业,比较早的内地芯片企业,走的是低端路线。前段时间传出了不少危机,后来又说是变革的开始,过的很不容易,和世界巨头相差甚多。内地还有一批芯片设计企业,晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等,都是台湾子公司,产品应用于电视、便携式电子产品等领域,还挺滋润。在内地的芯片设计公司,台湾顶住了大半边天!还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂,这必须得先说台湾的台积电。正是台积电的出现,才把芯片的设计和制造分开了。2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%,规模和技术均列全球第一,市值甚至超过了英特尔,成为全球第一半导体企业。晶圆代工厂又是台湾的天下,除了台积电这个巨无霸,台湾还有联华电子、力晶半导体等等,连美国韩国都得靠边站。大陆最大的代工厂是中芯国际,还有上海华力微电子也还不错,但技术和规模都远不及台湾。不过受制于台湾诡谲的社会现状,台积电开始布局大陆,落户南京。这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂,这架势和当年合资汽车有的一拼。大陆的中芯国际具备28nm工艺,14nm的生产线也在路上,可惜还没盈利。大家还是愿意把这活交给台积电,台积电几乎拿下了全球70%的28nm以下代工业务。美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力,最近几个月台积电刚刚上线了7nm工艺,稳稳压过三星,首批客户就是华为的麒麟980芯片。这俩哥们儿早就是老搭档了,华为设计芯片,台积电加工芯片。四、核心设备芯片良品率取决于晶圆厂整体水平,但加工精度完全取决于核心设备,就是前面提到的“光刻机”。光刻机,荷兰阿斯麦公司横扫天下!不好意思,产量还不高,你们慢慢等着吧!无论是台积电、三星,还是英特尔,谁先买到阿斯麦的光刻机,谁就能率先具备7nm工艺。没办法,就是这么强大!日本的尼康和佳能也做光刻机,但技术远不如阿斯麦,这几年被阿斯麦打得找不到北,只能在低端市场抢份额。阿斯麦是唯一的高端光刻机生产商,每台售价至少1亿美金,2017年只生产了12台,2018年预计能产24台,这些都已经被台积电三星英特尔抢完了,2019年预测有40台,其中一台是给咱们的中芯国际。既然这么重要,咱不能多出点钱吗?第一:英特尔有阿斯麦15%的股份,台积电有5%,三星有3%,有些时候吧,钱不是万能的。第二,美帝整了个《瓦森纳协定》,敏感技术不能卖,中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。有意思的是,2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功,2010年美国允许90nm以上设备销售给中国,后来中国开始攻关65nm光刻机,2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国,再后来美帝开始管不住小弟了,中芯国际才有机会去捡漏一台高端机。重要性仅次于光刻机的刻蚀机,中国的状况要好很多,16nm刻蚀机已经量产运行,7-10nm刻蚀机也在路上了,所以美国很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。在晶圆上注入硼磷等元素要用到“离子注入机”,2017年8月终于有了第一台国产商用机,水平先不提了。离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的。涂感光材料得用“涂胶显影机”,日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料,也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。2015年至2020年,国内半导体产业计划投资650亿美元,其中设备投资500亿美元,再其中480亿美元用于购买进口设备。算下来,这几年中国年均投入130亿,而英特尔一家公司的研发投入就超过130亿美元。五、封测芯片做好后,得从晶圆上切下来,接上导线,装上外壳,顺便还得测试,这就叫封测。封测又是台湾的天下,排名世界第一,后面还跟着一堆实力不俗的小弟:矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。内地的三大封测巨头,长电科技、华天科技、通富微电,混的都还不错,毕竟只是芯片产业的末端,技术含量不高。硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测,以及相关的半导体设备,绝大部分领域中国还是处于“任重而道远”的状态,那这种状态还得持续多久呢?根据“烧钱烧时间”理论,掐指算算,大约是2030年吧!国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出,2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,产业实现跨越式发展。当前,中国芯片的总体水平处在刚刚实现零突破的阶段,虽然市场份额微乎其微,但每个领域都参了一脚,前景还是可期待的。

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