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    • 美国阻止台积电为华为代工芯片,我们虽然落后,但极可能弯道超车

      美国想尽办法阻止台积电为华为代工高端的芯片,阻止我国高科技的发展。但是我国的高端芯片的真实实力是什么样呢?能不能加快步伐?或者另辟捷径弯道超车呢?请看下面分析。

      芯片制造主要分2大块,设计和制造。有些公司设计和制造都能做,这些公司就很了不起,比如说美国的英特尔,咱们的电脑CPU都是大部分都是英特尔的,还有就是韩国的三星。大部分的公司呢,是要么只有设计能力,要么是只有制造能力。像华为的海思就是这样,海思公司的设计能力已经达到国际的顶尖水平了,在ARM架构设计上,已经可以和高通比肩了,但是就是没有制造的能力。

      高端芯片第一步就是要设计,设计是一个非常复杂的工程啊。你像一座城市,如果说在干道上一个红绿灯的设计不合理,就很有可能引起堵车。更何况在一块芯片上,数亿的晶体管儿,多少的电路密密麻麻,如何去调度这些晶体管高效的运作,这需要很高的技术含量。在高端芯片的设计领域啊。华为的海思已经达到了国际顶级水平,也是咱们国内的最高水平了。制造就成了短板。

      芯片的设计要植根于架构。世界上有两个主要的架构。电脑的CPU主要是x86。手机上的芯片主要是arm。这两个架构都不是我们的。只是买别人的授权。架构就是指令集,另外。在基于特定的架构去设计芯片的时候,一定要高效地利用这些指令集。就是指令集在芯片设计中的基础性作用。我们在这方面是一个短板。

      其实我们也有自己的指令级,龙芯采用的指令集完全是我们自主开发的,但是暂时来看效率不太高。华为也在研发自己的指令集。特别是在未来的云计算和AI计算,叫做RISC-V的指令集,但这只是发展方向,目前主流的指令集还是使用国外的。

      另外在芯片设计上还有一个短板,就是我们使用设计的软件的,没有国产的,从事设计工作需要特定的软件。另外你这个芯片设计出来之后呢,你还要去测试啊,这个测试你不可能等芯片做出来然后再测试,需要进行仿真运行这个仿真软件是一个特定的工具,我们也没有。我们在软件方面确实短板是比较大的,别说高端的设计工业,就是民用商用的正常做一个图的ps软件,咱们也不占优势。在某些领域,咱们的设计能力已经达到世界的顶级水平了。但是设计的根本就是指令集。我们还没有一个成熟有效的指令集,设计需要的工具还要依赖国外。

      制造上世界第一的芯片代工厂是台积电,国内第一的芯片代工厂是中芯国际。中芯国际肯定是落后于台积电的,在量产这个层次上落后一代。现在咱们中芯国际14纳米已经投入量产了,台积电是7纳米,但是在研发上要落后2代甚至3代。台积电现在已经在研发5纳米甚至3纳米的制程了。我们这还没有开始。

      芯片的制作,首先就是原材料晶圆。从沙子里边儿提出高精度的单晶硅。做成硅锭,然后这个硅锭进行切割,切割成一片一片的晶圆。我国自己有晶圆厂,而且是世界的先进水平。晶元做出来之后呢,就要往上涂一层光刻胶。这是日本的信越和美国的陶氏化学垄断的。我国内生产的光刻胶只能是从事中低端的集成电路制作,在高端芯片上暂时空白。

      把光刻胶涂在硅片上,需要一个仪器叫做涂胶显影机,这个机器被日本垄断。把焦涂到硅片上之后,就要进行光刻了。这就需要光刻机了。但是什么是光刻机呢?光刻机是人类物理学、化学、电学、光学、包括机械最高科技水平的结晶。现在世界上没有任何一个国家能单独制造出高端的光刻机。

      就像光刻机上使用的光源。加工7纳米制程的光刻机的光波长要非常非常短,肯定要远远小于7纳米,只能采用极短的紫外线光,这个光源目前是美国垄断。光线要通过镜片。顶级光刻机的镜片目前采用德国的蔡司镜头,蔡司的光学镜片加工是世界第一,最好的镜头用在光刻机上。

      极紫外光通过镜头后的光斑很小,也就是一个指甲盖那么大。但是晶圆很大,一般常用的就是12英寸,光源是无法覆盖个晶片的。只有不停地移动硅片,一个地方曝光后移动到另一个地方。不停地移,不停的曝光,这需要非常高精度的移动,就像一个人在北京拿着篮球,直接投到上海的篮网里。这就是现在人类机械工业所能达到的精度的顶峰。我国这方面很落后,别说用在了光刻机上高精度机械了,就是高级点儿的轴承,都还需要进口啊。

      世界上的高端光刻机只有荷兰的ASML公司能够生产,不是说荷兰的阿斯麦公司的技术有多高,而是他提成了世界上所有的高科技于一身。80%以上的零部件,都是从世界各地进口来的,荷兰只是把他组装一下而已。光刻机这玩意不是靠政策支持,或者巨额投资就能制造出来的,我们需要客观的认清现实。低端一点的光刻机我们有制造实力的,65纳米以上的我们都能自己制造。只要不是太高端的光刻机,日本的佳能和尼康也是有能力制造的,顶级光刻机确实很难。

      经过光刻机曝光之后,一部分光刻胶可以被洗掉,另一部分光刻胶没有经过曝光,就继续保护的晶圆的表面。然后是蚀刻机把露出表面的晶圆刻成一条一条的凹槽,往里面注入一定别的元素。磷元素注入到凹槽里和硅元素形成N结,硼元素注入凹槽和硅元素形成P结。芯片上成千上万上亿的晶体管,其实就是一个又一个PN结。PN结构成一个又一个的门电路。

      这个步骤分两步,先刻槽注入磷形成N结,然后把晶圆冲洗干净,再涂一层光刻胶再进行曝光、再刻槽注入硼元素形成P结。这两个步骤需要两种不同的机器,第一个就是蚀刻机,中国制造处于世界的先进水平的,16纳米的蚀刻机已经投入量产,7到10纳米的蚀刻机,中国也居于世界先进水平。第二就是离子注入机,就是注入磷和硼元素的机器,目前日本现在处在垄断地位。

      PN结形成之后还要依靠离子注入机,注入一些金银和铜元素形成导线,把PN结连接起来形成电路。芯片制造成了之后需要切割,切割成一个一个单独的芯片,然后进行封装。这些处在芯片制造行业的末端了,没有太高的技术含量,咱们国内的技术水平完全能够实现。成一个又一个芯片要进行测试,测试的结果要和仿真软件的结果是一致才可以交工。整个芯片的制作过程当中,我国基本上只有在蚀刻机这个领域处在国际的领先水平。其他各个环节都有不足,最大的短板就是高端的光刻机。

      接下来就是国内的高端芯片,有没有可能迎头赶上?其实高端芯片的发展到今天,前面的路已经很窄了。台积电现在在研发7纳米和5纳米的工艺。甚至在研发3纳米的工艺。3纳米只有十几个原子的宽度。再研发下去就要面对一个非常重要的问题,叫做量子效应。

      经典的物理学到量子物理学里边就完全不起作用,简单地说就是在设计一个芯片的时候,涉及到PN结。按照理论上、设计上完全没有问题是应该导通的。但是如果说制程非常小,1纳米左右,就会发生各种各样的问题。理论上,他应该导通,但是实际上很可能不导通。因为量子世界是测不准的。设计和理论分析已经没有必然的联系了,设计得再好到了量子世界,完全可能会出现另外一个结果。随着制程的缩短,前面所能走的路是越来越窄,速度会越来越慢,已经到了尽头了。

      但是我们追赶的路还是很宽的,可以跑得快一点。另外,还有一条捷径可以走。经典物理学在芯片的设计上已经走到死胡同,前面的路越走越窄了。这是受理论的限制没有办法。我们完全可以开辟一条新路量子计算。在这个方面国内的研究水平啊,居于世界的领先地位,我们完全可以从量子上面弯道超车,赶上世界的先进设备。

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