NO.1196 为什么芯片会被“卡脖子”?


你好,这里是罗胖精选。

最近,我们上线了一门重要的前沿科技课程,李铁夫老师的《芯片》专题。

李铁夫老师是清华大学微电子学研究所的专家,在芯片领域深耕了二十多年。所以,我们请他开设这门芯片课程,就是想给普通的中国人一个入口,让我们搞清楚,这个领域到底在发生着什么?它有哪些游戏规则?我们对它又存在着哪些误解?

今天推荐给你的这一讲,讲的就是一个我们中国人都很关心的问题,那就是芯片这项技术到底难在哪儿?我们为什么会被人卡脖子呢?接下来,就让我们一起听听李铁夫老师是怎么说的。

你好,欢迎来到芯片技术前沿课,我是李铁夫。

前面四讲,我们从芯片技术的本质出发,说明了在信息时代,芯片的核心地位,它是所有信息技术的基石,是必不可少的组成部分。

但我猜大多数人关注到芯片,还是因为现在它出问题了。美国颁布禁令,不让台积电再给华为生产芯片。为什么芯片产业会有“卡脖子”的问题呢?人家封杀我,我自己做不行吗?还真不行,至少现在还不行。

这一讲,我来给你讲讲芯片产业的挑战,为什么做一颗芯片这么难?

1.只有最高端的芯片才会被卡脖子

请注意,我先要说明,其实不是所有芯片都被卡脖子了。

比如说,那些事关国防应用的核心级别芯片,我们完全能够自主生产,满足所有的国防需要。

这些芯片对运算速度要求没那么高,但是要确保在极端条件、恶劣条件下的稳定性和可靠性,而且具有定制化、小批量,对价格不敏感的特点,所以你大可以放心,不管谁要卡我们的脖子,都危害不了国防安全。

再比如说,那些中低端的芯片,我们大部分都具备一定的生产能力。水壶里要放一颗芯片来监控水温,玩具里要放一颗芯片来播放音乐,这些技术没人卡你。

我们国家最大的芯片代工厂中芯国际,已经可以量产14纳米的芯片了,这些芯片可以应用在5G通信、高性能计算这些领域,也卡不住脖子。

既然这样,什么芯片面临了卡脖子的问题呢?就是那些最先进的芯片。

比如手机处理器芯片就是最高端的芯片,苹果手机的A系列芯片,华为手机的麒麟处理器,这些芯片既要求运算速度快,又得功耗低、功能全。还得大规模量产,就要求良率高,性能参数稳定等等,全得是世界第一流的水平,想要做出这些芯片可太难了,我们现在做不了了,这才有了卡脖子的问题。

2.芯片的科学原理和生产工艺都很难

为什么做芯片这么难呢?你可以从两个层面来理解这个问题。

首先得说,芯片技术本身,从科学原理上就非常难。打个比方,人类研究芯片技术,就像让高中生参加数学奥赛,这本身就是在挑战他知识的极限。

像我们微电子这门学科,研究的就是芯片技术中的科学问题,比如半导体材料的哪些特性可以提高电子的传输速度,什么样的公式能够准确模拟纳米尺寸晶体管的电流特性,什么样的电路结构才能承担5G信号的高速处理等等。

这些科学问题都是人类知识的最前沿,任何一丁点进步都是很不容易的。

拿最简单的加法器举个例子,这是电路里的一个常用结构,用来做“加法”。同样这个功能,有的设计要用100个晶体管,有的只要80个就够了。

不过这两种设计各有优劣,80个的加法器面积小、功耗低,但可能速度慢。100个的设计有更好的性能,当然面积和功耗也就高一些。后来,有一位大神用50个晶体管就设计出速度又快,面积和功耗又小的加法器,这就是在原理层面突破带来的改变。

你可能还记得前几年大家抱怨iPhone信号不好的事,之前iPhone使用的是高通公司的基带芯片,后来换了另一家大公司的产品,结果信号差、网络不稳定的问题都来了,单看制造能力,两家公司可能差不多,但原理设计的差异就会带来这么大的影响。

那么在这个行业,面对这样的科学挑战,想用先进的技术,就得给钱用人家做好的专利。如果人家不给你用,就可能被卡脖子。要么不用人家的专利,那就得自己想出更好的办法,可另辟蹊径谈何容易。

另一方面,就算是芯片原理上取得了突破,想把一颗芯片生产出来,它的生产工艺难度依然非常非常高。

做一颗芯片,你可以简单地理解成“3+2”的过程,3是指芯片生产过程可以分成3个步骤,分别是设计、加工和封测,也就是封装和测试。+2是说,芯片加工需要2个非常重要的支撑,分别是芯片的制造设备和芯片加工需要的高纯度材料,这每一步都非常困难。

我简单给你说一下做芯片的流程,一颗芯片的设计、加工和封测三个步骤之间有非常明确的边界。

第一步设计,从产品指标开始一直到版图的输出,这颗芯片的版图就像建筑工程里的施工图,交给下一个步骤就可以按照图纸开始生产了。

第二步芯片的加工就是按照版图设计,通过一系列的工艺步骤,从一个啥都没有硅片开始把芯片做出来。但请你注意,这时候的芯片也被称为裸片,还不能直接使用。

最后一步,这个裸片就被送到最后的封测这一步,完成封装保护和性能测试。到此为止,一颗芯片就完成了。

虽然芯片制造的流程很清楚,但每一步想要实现都非常困难,都挑战人类加工能力的极限。

3.EDA软件和光刻机是先进工艺里的两大关键难点

今天最先进工艺节点里面,最大的困难就是EDA软件和光刻机,我重点给你说说为什么这两个关键点这么难。

首先是设计阶段,一定要用到的EDA软件。

早年设计芯片,比如Intel著名的4004CPU处理器,里面有2250个晶体管,版图都是工程师用彩色铅笔一根根线画出来的,用不着软件。

可今天的芯片设计早就不是手工能完成的了,今天要在一个手指甲盖那么大的芯片上,布局上百亿个晶体管,还有错综复杂的连接线路,每一个步骤都需要有专门的软件来处理,这个软件就是EDA软件(电子设计自动化软件)。

如果没有EDA软件,就像同样是写几百页的书,人家用Word,我们用笔手写,那怎么能追上人家的效率、准确率呢?

那我们能不能自己做EDA软件呢?非常难,有很多困难要解决。

比如说,单个器件能够准确模拟了,整颗芯片几十亿个器件规模的时候还准不准?能不能快速地算出结果?尤其是现在要设计7纳米、5纳米的高端芯片,必须要考虑量子效应了,EDA软件的算法就决定了芯片设计的优劣。如果没有一套高质量的EDA软件就不可能设计出高质量的芯片。

更重要的是,EDA是典型的工业软件,要紧密联系生产线的实际参数,软件计算的结果和真正加工出来的器件是不是一致?人家生产线愿不愿意给你这些参数?这些都是EDA的难点。

再来看光刻机。想要把设计的电路从版图转移到硅片上去,就要靠光刻。

这个过程,跟给货车喷车牌很像。往车身上喷涂号码,就是要用一个镂空的号码牌做掩膜,把涂料往这个掩膜上喷。透过挖空的数字部分,涂料就能喷到车身上了,没挖空的部分,涂料就被掩膜给挡住了,不会喷到车身上。这样,车牌号码就清晰地被印到车上了。

这个挖空的号码牌就对应了芯片的光刻版,喷涂料的过程就对应了离子注入、刻蚀、金属沉积等等其它芯片加工步骤。这几个步骤交替进行,才能完成了芯片的加工。

现在最先进的加工工艺,一共要用到80多块光刻掩膜版,将近4000个步骤才能完成,每一步都要求非常高的准确度和稳定性,才能保证最终的芯片质量和产量。

可问题是光刻太难了,要实现这些,就一定要用到光刻机,就是现在大家都在讨论的对中国严格禁运的EUV光刻机,是用极紫外光来进行光刻的设备。

光刻机我们能自主生产吗?也同样非常难。全世界现在只有荷兰的ASML能生产这种高端设备。

极紫外光刻机最大的困难就是需要波长非常短的光,ASML光刻机的光源是13.5纳米,这相当不容易。

这还不算完,还有一个更严酷的要求就是极紫外光的功率要足够大,这是大规模生产的必然要求。早期EUV光源功率只有80W,这个光源每小时只能生产60片硅晶圆片。ASML卖的产品里面的光源提高到250W,产量提高到每小时125片,增加了2倍还要多。

工业生产里面,生产效率就是生命线啊,整个芯片生产的瓶颈就是卡在光刻这一步。

ASML能提高EUV的功率,靠的是跟德国蔡司合作,制作出高反射率的镜子。其中一些关键尺寸的精度到了皮米,也就是比纳米还要小1000倍。

打个比方,如果这个镜子的面积是云南省大小的话,尺寸误差不能超过1厘米!这才确保了极紫外光打到硅片的时候能有足够高的功率。

EDA软件和光刻机还只是两个备受关注的难点,事实上生产芯片的每一步都非常难,而且想达到世界一流水平,那从设计、加工到封装测试,每个环节的要求都得是最高的才行。

4.本讲总结

总结这一讲,制作一颗芯片真的太难了,尤其是要生产最先进、最高端的芯片,世界上没有哪个国家能够独立完成。

所以有一个说法,芯片产业是全球化最彻底的产业。

像iPhone手机的处理器芯片,芯片设计是在美国加州完成的,之后送到中国台湾的台积电把芯片生产出来,再送到马来西亚完成封装测试,最后这颗芯片被送到中国大陆,在富士康这颗处理器芯片和其它的部件,像显示屏、电池被最终组装到了一起,最后从中国深圳发往世界各地。

如果再考虑到芯片的底层架构是日本ARM公司的知识产权,台积电的光刻机来自荷兰ASML,刻蚀机来自中国的中微半导体和美国的泛林,光刻胶和大量的化学试剂来自日本、韩国。这样看来,芯片产业确实是一个非常全球化的产业。

可是,既然芯片是一个如此全球化的产业,为什么美国却能卡华为的脖子呢?欢迎你在留言区,分享你的思考。

下一讲,我们就来回答这个问题,为什么美国在芯片产业里有这么强大的话语权,下一讲见。

内容听完了,我是罗胖。

李铁夫老师的芯片课程,总共10讲。两个小时,让你一次搞懂芯片这个热门的领域。

比如,芯片的本质到底是什么?

当下最火的AI芯片又是怎么一回事?

为什么美国在芯片产业更有话语权?

我们中国怎么样才能突破封锁?

还有,为什么说芯片产业还能再繁荣100年?

如果你对这些问题感兴趣,推荐你在得到App首页搜索“芯片”两个字,找到李铁夫老师的《前沿科技·芯片》这门课程,现在就加入学习。

罗辑思维,明天见。