不止光刻机,挡在国产芯片发展路上的“三座大山”是什么?

分享到:

伴随着近年来国产智能手机行业的崛起,网上有关于国产芯片的话题就一直没有断过。近期的行业缺芯潮,又一次将芯片问题推上了风口浪尖。这里,我们提出一个问题:国产芯片发展需要解决的问题究竟是什么?很多朋友可能会想到光刻机,没错,光刻机很重要,但挡在国产芯片发展道路上的难题远不止只有它那么简单。今天,我们就来探讨下挡在国产芯片发展道路上的“三座大山”。

 

 

制造材料 硅片产能

房子有地基,大树有根基,任何事物发展都依托于本源,芯片也不例外。我们都知道制造芯片的材料是硅。硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子最多可包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO?)的形式存在。

 

 

硅(SiO?)一直被称为半导体制造产业的基础,既然硅是从沙子中提取出来的。那么,沙子遍地都是,不可能缺少沙子,我们缺少的是从沙子里提取硅的技术。

 

 

硅锭

芯片从设计到制造的过程极为复杂,从沙子中提取出硅,制成硅锭,硅锭切成硅晶圆片,然后交给芯片代工厂生产制造芯片。在从沙子提取出硅的工艺环节中,技术难点就在于它的提纯度,不能低于99.99999%,也就是提取出硅的纯度,它的杂质含量不能超过千万分之一。

 

 

晶圆

这就相当于如果硅晶圆片是8英寸(直径200mm),空气中的灰尘直径是10万分之一毫米,那么按照硅的纯度要求,就必须要控制不能超过2粒灰尘落在8英寸的硅晶圆上,这也是芯片制造离不开无尘车间的重要原因。

硅材料生产制造出名的公司有日本的信越化学和SUMCO,韩国的LG化学以及中国台湾地区的环球晶圆等等。虽然大陆内部也有一定数量的公司在做硅材料的研发生产,但是所占比重还是太小。可以说,芯片制造过程中的硅片产能问题,是国产芯片发展道路上的一座大山。

芯片之母 EDA软件技术的欠缺

无论是电脑芯片,还是手机、汽车芯片等,都需要设计规划,而芯片的设计,不仅需要人才研发能力的创新,更离不开EDA工具软件的辅助。

 

 

这里我们首先举个例子,画家绘画除了需要自身的本领外,更离不开颜料、图纸和画板,好的绘画工具可以让绘画的效率事半功倍。可以说,EDA工具软件就如同画家的绘画工具。

具体来讲,EDA是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包,主要能辅助进行三方面的设计工作,即IC设计、电子电路设计和PCB设计。

 

 

要说集成电路发展初期,电路设计还并非太复杂,即使不借助EDA软件也能实现电路设计。但随着电路集成度越来越高,不依靠软件单纯靠人力就不可能完成设计。况且,芯片早已是纳米级别的电路设计,EDA软件更是不可或缺,正是如此,EDA软件也被称为“芯片设计之母”。

目前,全球最有名的三大EDA软件公司,分别是美国的Synopsys、Cadence 和西门子旗下的 Mentor Graphics ,三大EDA软件巨头几乎垄断了全球 90%以上的EDA市场份额。而且,中国还是三巨头最看重的业务增长市场。

某种意义上讲,三大EDA巨头都属于美企,Mentor所属的西门子工业软件总部也在美国。受限于EDA管制,从一开始的芯片设计,芯片落地前的第一步可能就要被卡脖子。

 

 

EDA软件

当然,国内也有EDA软件公司,其中最有实力的当属华大九天,华大九天继承国产最早的熊猫EDA系统,技术积累还是相当成熟的。但是,纵观国内整个EDA行业,大多数企业很难做到全流程,因此还有很远的路要走。

EDA工具的出现,极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了芯片工程师的负担,给电子系统设计带来了革命性的变化。没有EDA软件设计,高端芯片就没有办法设计,芯片设计要想实现完全自主化,EDA软件就是一个绕不开的问题。

芯片制造光刻机技术的现状

生产芯片原材料、设计芯片,到真正生产制造芯片就需要用到光刻机了。众所周知,无论是苹果还是联发科、高通等手机芯片,都需要台积电或三星代工生产,而目前用于制造这类高端芯片就需要用到极紫外(EUV)光刻机,而当下也仅有荷兰ASML一家可提供可供量产用的EUV光刻机。

 

 

荷兰的ASML在光刻机市场上占据了80%的份额

据悉,一台ASML光刻机重量可达180吨,内部零件多达10万个,其中主要零部件来自于欧美几十个发达国家。荷兰的光刻机德国提供蔡司镜头设备,日本提供特殊复合材料,瑞典提供工业精密机床,美国提供控制软件等等。

 

 

一台ASML光刻机内部零件多达10万个

荷兰ASML也不可能仅靠自己就能造出高端光刻机,因为它涉及了全球的供应链体系,汇集了全世界各国的顶尖技术,缺少任何一个组件和环节都不行。

那么,中国可以自主生产光刻机吗?其实早在去年,中国最强的光刻机生产商上海微电子已经攻破了28nm光刻机,虽然国内光刻机企业对比荷兰ASML有着不小的差距,但作为独立自主研究的成果,意义非凡。总之,国内发展光刻机技术,需要政策支持、资金投入和人才培养,同时更需要时间。

写在最后

2020年中国芯片的进口额攀升至近3800亿美元(折合人民币超2.4万亿元),约占国内进口总额的18%。根据彭博社对官方贸易数据的分析,中国内地2020年从日本、韩国、中国台湾等地购买了近320亿美元的设备,用于芯片生产,比2019年增长了20%。有分析师认为:“短期来看,中国将依靠进口来提升芯片制造水平。”

芯片从设计、生产到量产落地,是一套极其复杂的工程,芯片行业发展这么多年,从简单到复杂,从低端到高端,并不是一蹴而就的。国产芯片面临的问题还有很多,但我们都处在解决这些问题的过程中,“赶鸭子上架”的做法不可取,唯有一步一个脚印,才能让国产芯片的根基更牢固。找到问题,解决问题,三座大山也阻挡不了国产芯片前进的步伐。

继续阅读
工信部:加强高端芯片等领域关键核心技术攻关

工信部部长肖亚庆在今日国新办召开的发布会上表示,下一步,一是要加强关键核心技术攻关。

AI 芯片:为何它们如此重要?

环顾四周,你可能就会意识到人工智能已经变得非常重要。无论是面部识别摄像头还是语音助手,人工智能已经实现了这一切。这为人们对 AI 芯片究竟是什么以及它与其他芯片的不同之处的充满了好奇。此外,人工智能芯片市场被高度重视的事实更成为人们为什么应该了解人工智能芯片的一个重要因素。

2021年全球芯片短缺:这对物联网意味着什么?

全球新冠肺炎大流行创造了一场制造业供应问题的完美风暴,同时对物联网解决方案的需求不断增加,以确保企业平稳安全地运行。每当需求超过供应时,短缺的条件就可能成熟,这正是目前全球芯片供应的现状,在我们日益互联的世界中,这些芯片被用来为计算机、电子产品和物联网设备提供支持。

国产5G小基站芯片步入量产阶段 运营商建网成本能否得到缓解?

在4G向5G演变的过程当中,基站是其中的一个关键。随着5G网络的持续建设,5G业务场景逐渐从室外转向室内,而小基站作为宏基站信号的有效补充,有望迎来市场机会。有消息人士对记者表示,运营商已将小基站纳入到集中采购的序列,国内外设备制造商也在积极准备测试,今年下半年有望启动5G小基站规模集采。

RISC-V抗量子加密芯片有望提供面向未来的安全性

为了抵御未来使用量子计算机可完成的强大攻击,许多研究人员都在潜心开发新型加密技术。通常情况下,这些应对措施需要耗费巨大的处理能力。不过德国的科学家们,已经开发出了一种能够非常高效地实施此类技术的微芯片,有助于推动“后量子密码学”时代走向现实。