科普：什么是芯片？

Iphone6手机部件及其电路板上的集成电路

手机里面有若干个电路板，电路板上有一些小小的黑色方块，我们称这些方块为集成电路。正是这些数量众多的集成电路，赋予了手机极其复杂的功能。

整机机柜（左）和电路板上的集成电路（右）

我们日常生活中还会接触一些整机的机柜。当我们打开机柜之后，可以看到里面一块块的电路板。电路板上这些黑色的小方块就是集成电路。

集成电路（左）和芯片（右）

集成电路就是我们所说的芯片的学名。不过，集成电路和芯片还是略有一点差别。我们把左图中集成电路的黑色封装材料去掉之后，才能看到右图中真正的芯片。

芯片是在半导体材料上构建的一个复杂的电路系统。晶体管是组成芯片的基本器件。晶体管很小，我们人类还无法用肉眼去观察它内部的工作原理，只能通过外部测试来推算它是如何工作的。

晶体管的符号（上）和基本工作原理（下）

晶体管有各种各样的型号，分别由不同的材料组成，例如双极型的晶体管和金属氧化物半导体（MOS）的晶体管。上图中列出了几种晶体管的符号，今后大家如果看到这些符号，就可以知道这是晶体管。

晶体管只有70多年的历史。在晶体管出现之前，我们用的是电子管，它是个真空管。

电子管

上图是直径为2-3厘米，高度为5厘米的电子管。电子管的下面有一个阴极，把它加热之后会向上发射电子，上面有一个阳极收集电子，中间的栅极负责控制电子通过量。栅极相当于闸门，电子束相当于水流。

芯片的“极限”

芯片发展至今已经有60多年了，它有没有极限呢？有一天它会不会退出历史舞台呢？我认为任何事物的发展都有极限，不过我们离这个极限还很远很远。

现行的科学技术还是有极限的，半导体现有技术遇到的第一个极限就是物理极限。

栅极氧化层示意图（左）和扫描电镜图像（右）

目前半导体在不断地在做小，尺寸已经缩小到了纳米量级。尺寸达到纳米量级之后，最大的问题是我们很难避免漏掉电子，就像筛子做的不够密会导致很多东西掉下去。半导体的主要材料——栅极氧化层是尺寸最小的一层物质，只有1.5纳米。当真正做到1.5纳米时，电子会穿过它漏下来，产生漏电现象，无法进行控制。这个可能是现行技术能够达到的最小尺寸，但不是最终尺寸，我们还有很多新技术可以解决这个问题。

半导体现有技术的第二个极限是功耗极限。如果不对功耗加以控制，手机电池耗电极快，几分钟就要充一次电。由于技术的不断发展，现在的手机可以一天充一次电，其实我们最理想的状态是一部手机一个星期充一次电就好。如果智能手机的电池功耗能够达到这种状态，我们的生活会方便很多。

20世纪90年代预测的芯片功率密度的增长趋势（左）和功率密度的实际增长情况（右）

在提供大量功能的同时，半导体自身也需要耗电。我们用能量密度，或者功耗密度，来表征它的功耗情况。家里用的电熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦，它运行起来很烫，能将我们烫伤。早在上世纪的90年代，半导体的功耗密度就已经超过了每平方厘米10瓦，比电熨斗还烫。如果当时我们没有发展任何新技术，到2005年可能功率密度就会达到每平方厘米100瓦。但是，经过20年的技术发展，半导体的功能在不断提升，功耗并没有明显的上升，这是非常重要的进步。

工艺节点发展路径

半导体现有技术的第三个极限是工艺、器件和材料。今天我们往往用多少纳米来表征集成电路的先进性。世界上最先进的大概是7纳米，目前在大批量量产，很快5纳米也会量产，我们国家也实现了14纳米的大批量生产。在生产过程中出现了很多不同的节点，每次缩小到原来的0.7倍，以此一直不停地前进。

不断演进的晶体管结构

在发展过程中，最基础的器件是晶体管，晶体管也在不断演进。图片最左边是前一代晶体管，即平面型晶体管。平面型晶体管的硅上有条沟道，两端是源和漏，上面通一个栅极来控制沟道的电流是否通过。随着体积变小，源和漏逐渐靠近，电子跑的很快无法控制，怎么办？

于是我们发明了鳍式晶体管，也称为FinFET。FinFET中间有一个像鱼鳍一样提起来的东西，用栅把它包起来，三面环栅，就有了比较强大的电场，可以控制电子能否通过。

但是到了5纳米时，鳍式晶体管也行不通了。我们需要做一个全包围栅的晶体管，用一个全包围栅把沟道全围起来，叫做Gate-All-Around（GAAFET）。

平面型晶体管在22纳米时出现了换代，鳍式晶体管在5纳米时也会出现换代，5纳米之后将出现全包围栅晶体管。所以晶体管结构在不断地变化发展。这种变化背后有很多的科学技术，其中最重要的是半导体材料的创新。

半导体使用的元素周期表中的元素

如何制造一块芯片？

那么，我们如何制造一块芯片呢？制造芯片是人类历史上最为复杂的制造工艺。集成电路一般分成五大版块，包括设计、制造、封装测试、材料和装备。

集成电路产业的五大板块

通常我们讲集成电路主要是指设计、制造和封测。最近几年情况发生变化，我们把材料和装备也纳入集成电路的范畴。

很多人可能不了解什么叫设计、制造和封测，我用一个简单的例子来类比，虽然不是很准确，但是我们可以大概理解其中的内容。

设计、制造、封测三业相对独立的产业生态

集成电路的设计相当于一个作家在写作，它是一个创作的过程，是一个知识产权密集的过程，也是一个人才密集的过程。

作家写作完成之后需要印刷。这个印刷厂需要进行非常精密的印刷，字印得很小又很清晰，还能成千上百地印刷，中间不走样。这就相当于集成电路的制造。它是规模化制造导向、设备密集、投资密集和专利密集的产业。

书本印刷之后需要装订，避免书本散架，装订过程中需要用到的材料还要防止磨损。装订也是一个非常重要的工作，需要检查装订是否正确、整齐，这就相当于集成电路的封测。因此，写作、印刷、装订基本上对应了设计、制造、封测。

集成电路芯片结构示意图

芯片的制造高度复杂。如果我们打开一个芯片，会发现芯片里有几十层异常复杂的东西，包括介质层、存储器、互联、接触孔和晶体管等等。

我们用什么方式来建造如此复杂的芯片呢？芯片是靠一层一层的掩模板曝光刻蚀技术来建造的，这是鲍勃·诺伊斯发明并且沿用至今的技术。

集成电路芯片制造工艺流程示意图

真正去看集成电路的制造工艺，如果从单晶开始考虑的话，它经过的步骤非常长。从拉单晶、磨外圆、切片、倒角到最后引线键合、模塑、切筋成型、终测等等，这是一个非常长的产业链，它涉及到了材料、装备、设计、制造和封测等几乎每个环节。

光刻工艺示意图

这中间最重要的是光刻，光刻怎么做呢？

我们举个简单的例子。我们有个晶圆片，在晶圆片的上面做一个氧化层。氧化层可以帮助我们阻挡一些不该进入到硅片的东西。蒸了一层氧化层后，就要在氧化层上涂一层光刻胶。在光刻胶上方放置掩膜版。光源从上面照下来，把掩膜版上的图形映射到涂了光刻胶的硅片上。随后去做显影，去掉暴露在光线里的光刻胶，只留下阴影挡住的那一块，即图中的L形。然后做刻蚀，把下面的氧化层刻掉。最后去掉L形上面的胶，这时就有个L形停留在硅片上面，这就是光刻技术。

这里我只简单展示了光刻技术中的七个步骤，如果加上清洗等环节，一层光刻过程可能包含十几个步骤。

我们今天的芯片制造可能会涉及到很多层，例如，在7纳米时候曾经高达到85层。优化之后，到7nm＋时我们只有75层。但是到5纳米时，我们又回到80层。

每一层都含有几十个简单的步骤，相乘之后，我们的制造就会有极多的步骤。例如，在10纳米时，我们就会有3000步。所以我们常用层数来表征制造的复杂度。如果制作1层需要1天的时间，那么我们制作5纳米就需要80天，所以集成电路需要很长的时间去制造。

但也要承认我国是一个起步比较晚的国家，在芯片上仍然有很多短板，在高端芯片上还有很多是依赖国外的。但我们确实在不断地进步，上面这张表格中的数字这些年在不断提升，但是还有一些部分的市场占有率数字小于0.5。这并不意味着我们没有，只是我们还不能够在市场上占有重要的地位，这也是我们努力的方向。总而言之，高端芯片还没有摆脱对进口的依赖，这也是近两年我们为什么如此关注芯片的缘故。特别是在国际形势发生变化的时候，芯片带来的一些痛处，让我们非常难受，我们要加速努力。