关于芯片的8个关键疑问 我们和中科院微电子研究所王晓磊聊了聊丨专访

近日，清华大学团队基于存算一体打算范式，研制出首颗全部系集成的、支持高效片长进修（机器学习能在硬件端直接完成）的忆阻器存算一体芯片，再次引发公众对芯片的关注。

芯片到底是什么？有哪些分类？是如何制造出来的？和生活有何关系？环球芯片家当现状如何？对此，封面新闻专访了中国科学院微电子研究所先导中央副主任王晓磊。

疑问一

芯片是什么？

制作完成的硅片。
图片来源 中国科学院微电子所

据先容，芯片是半导体元件产品的统称，也称集成电路或微处理器，是一种将大量电子元件（如晶体管、电阻、电容等）集成于硅片上的微型电子器件。

“我们常说的芯片，可根据功能、用场等多个成分分类。
”王晓磊表示，根据功能不同，芯片可分为用于通用打算的CPU（即中心处理单元），它是打算机系统的运算和掌握核心，是信息处理、程序运行的终极实行单元。

此外，专门处理图形渲染和并行打算的GPU（即图形处理单元），用来知足大型3D游戏和高清视频等需求，也便是常说的“显卡”。

相对CPU和GPU，更专业的还有专门运用的ASIC（专用集成电路）和FPGA（现场可编程门阵列）。
“ASIC一样平常利用于聪慧安防、自动驾驶、聪慧通信等。
FPGA一样平常用于图像处理、5G通信、自动驾驶等。
”王晓磊说。

疑问二

芯片有哪些类型？

王晓磊表示，根据不同用场，芯片可分为打算芯片、存储芯片、通信芯片、传感器芯片、电源管理芯片及音频和视频编解码芯片等。

据先容，不同类型芯片被运用到不同场景。
比如，数据中央级芯片紧张运用于内存、固态硬盘等。
消费类芯片用于电脑、手机等产品。
还有一些芯片用于卫星通信、精准导航等领域。

“实在芯片的运用，日常生活中无处不在，每一个电子产品制造和利用都离不开芯片。
”王晓磊举例，智好手机要正常事情须要十多种芯片，如卖力电源管理、蓝牙、Wi-Fi、蜂窝网络连接、音频和图像处理等功能的芯片。

“再比如自动驾驶汽车，依赖传感器、处理器和通信芯片，才能实现智能驾驶和交通管理。
”他先容。

疑问三

芯片是怎么设计出来的？

据理解，芯片设计紧张包括三大步骤：规格制订、前端设计、后端设计。

王晓磊先容，规格制订，紧张是确定芯片功能、能耗、本钱等，“对大方向做设定，并确定芯片须要符合的协议。
然后，根据不同功能将芯片划分身分歧单元。
”

前端设计部分，设计职员根据系统设计确定的方案，针对每个模块展开电路设计。
一样平常采取专门软件和程序措辞将功能电路构建出来，按一定标准对电路进行验证。
后端设计部分，设计职员在软件中将描述电路变成实际电路构造设计图，进行电路元器件布局与连线。

疑问四

EDA工具为何主要？

制作完的硅片在电学测试中。
图片来源 中国科学院微电子所

王晓磊表示，EDA工具贯穿芯片设计始终，是半导体行业不可或缺的部分。

EDA全称电子设计自动化，是帮忙完成集成电路芯片设计、制造、封装测试等家当环节的打算机赞助设计软件。

王晓磊说，随着芯片繁芜度不断提升，10纳米以下的集成电路中半导体器件数量可达百亿量级，必须通过EDA工具实现电路设计等。

疑问五

芯片是怎么做出来的？

据先容，芯片制作流程包括三个阶段：硅片制备、晶圆制造、晶圆测试/分检。

芯片在半导体材料衬底上制造。
王晓磊说，目前紧张利用的半导体衬底是硅材料。
硅片制备便是制备高纯度的硅材料衬底，通过硅晶锭的成长、滚圆、切片、抛光、考验及包装等工序实现。

资料显示，硅衬底材料一样平常制备成几百微米厚度的圆形薄片，常日也称硅晶圆。
硅晶圆直径越大，同时可制造的芯片数量越多，是降落芯片制造本钱的主要指标，即常日说的4英寸、8英寸、12英寸等。

“晶圆制造能实现的器件最小特色尺寸是决定芯片性能的主要指标。
”王晓磊表示，晶圆制造，是指按一定流程对硅晶圆进行洗濯、薄膜制备、光刻图形、刻蚀及掺杂等加工工艺，在硅晶圆上形身分歧元器件和连线的过程。

疑问六

光刻机技能为什么主要？

据先容，目前家当界已实现等效特色尺寸小至3纳米的器件，3纳米是头发丝直径1/10000，光刻机技能则是实现纳米级加工尺寸的主要工艺方法，目前是晶圆制造过程最繁芜、最昂贵，也是最关键的工艺。

晶圆测试包括在芯片制造工艺过程中的各种在线检讨、丈量，在芯片制造完成后用探针卡对集成电路芯片部分功能、性能的分检测试。

“封装类似给裸芯片穿一件坚实外衣。
”王晓磊先容，封装是把集成电路装置为芯片终极产品的过程。
封装可以让芯片抵挡外界沾污，以保护芯片性能。
同时，还给芯片引出触角，使其能和外部天下的电旗子暗记互换。

“普通讲，光刻是用光源透过一块带有图形的掩膜版照射到硅晶圆表面，让表面的光刻胶发生光化学反应，从而将掩膜图形转移到硅晶圆上的加工工艺。
”王晓磊表示，光刻可在晶圆上同时形成大量的、纳米量级图形，既决定晶圆制造最小特色尺寸，也是大规模量产根本。
因此，光刻技能是器件微缩和提升芯片集成度的主要工艺方法。

“一贯以来，光刻机最小分辨率是技能节点微缩的主要驱动力。
”王晓磊先容，比如45纳米技能节点，采取193纳米紫外光源；14纳米技能节点，采取浸没式光刻技能；到了7纳米，为了实现更小光刻分辨率，利用极紫外光源，即EUV光刻技能。

“一样平常来说，用于成像的光源波长越短，光路空间的折射率越高，分辨率越好。
”王晓磊先容，EUV光刻采取13.5纳米波长的极紫外光源，比较193纳米波长的紫外光源，分辨率更高，可实现更小尺寸图形刻制。
浸没式光刻技能，则是让曝光区域与光刻机透镜之间充满水，进而增大折射率，提升分辨率。

疑问七

低纳米芯片研发有何意义？

集成电路制造实验室，图中设备用来成长集成电路的薄膜。
图片来源 中国科学院微电子所

王晓磊表示，晶圆制造技能的特色尺寸越小，芯片打算速率越快、越省电、越便宜。
“根据摩尔定律，每隔18个月，器件特色尺寸缩小0.707倍，集成度增大1倍；相应地，单位面积的芯片性能增加15%，功耗降落40%，本钱降落35%。
”

“目前，最前辈的晶圆制造量产技能已达3纳米，我国台湾地区台积电和韩国三星均已在2022年实现干系技能。
在1平方毫米大小的芯片上，晶体管数量超过1亿个。
”王晓磊说。

疑问八

芯片为何成“必争之地”？

据先容，集成电路家当是知识密集型、技能密集型、成本密集型和人才密集型的高科技家当。
涉及上千种细分领域、约十四种工业大类，是多学科交叉结晶的产物。

王晓磊认为，集成电路家当发展不仅哀求有很强的经济实力作为依托，还哀求具备深厚的技能与人才根本。

他表示，集成电路具有计策性和市场性的双重特色。
计策性在于，信息社会中的航天器、卫星和信息安全等领域须要利用的电子设备量越来越大，而所有电子设备都无法绕过集成电路而存在。
“集成电路是国家工业的主要根本。
”

天下半导体贸易统计组织（WSTS）数据显示，2022年，集成电路家当市场份额约4799亿美元，巨大的经济效益决定该家当在各国经济发展方案中举足轻重的地位。
计策与经济代价决定了集成电路在信息社会发展中霸占主要地位，成为“必争之地”。

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