SFKP • 計算機百科丨芯片發展歷經五次變革，下一個十年屬於 AI

2019 年 11 月，在中國香港市郊的一所大學校園裏，一羣工程師正在設計特別的電腦芯片，他們但願這些芯片能夠被用於下一代中國製造的智能手機之中。

他們設計的是光通訊芯片，利用光而不是電信號來傳輸信息，這是 5G 手機和其餘聯網設備所須要的。其中的一位工程師穿着斯坦福大學 T 恤衫靠在椅子上，他是負責該項目的首席工程師和教授 —— 香港科技大學的「芯片專家」俞捷。

「政治上，一切均可以做爲討價還價的力量，」俞捷說，「若是這些公司和國家開始對技術有所保留，那麼每一個人都會受到傷害，從技術角度看沒有好處。」俞捷項目的部分資金由華爲提供。這家中國通訊和電信巨頭在過去的一年中，不斷的成爲國際政治風暴的中心。

許多行業觀察人士擔憂，這場政治風暴可能會致使全球技術供應鏈面臨崩潰風險。特別是，中國的芯片（或半導體）廣泛依賴海外公司，可能會面臨技術斷層的狀況，這也加速倒逼國內芯片產業鏈的自研腳步。

芯片到底有哪些核心技術？目前又發展到了哪一步？咱們國家目前的研發難點又是什麼？

本期的「SFKP • 計算機百科」，咱們就來盤一下「芯事」。

1、「芯」的誕生

芯片在電子學中是一種把電路小型化的方式，也被稱爲集成電路或者微電路，時常製造在半導體晶圓表面上。

從 1949 年到 1957 年，維爾納·雅各比（Werner Jacobi）、傑弗裏·杜默（Jeffrey Dummer）、西德尼·達林頓（Sidney Darlington）、樽井康夫（Yasuo Tarui）都分別開發了集成電路原型，但現代芯片的前身是由傑克·基爾比在 1958 年發明的，其中包括一個雙極性晶體管，三個電阻和一個電容器，並所以榮獲了 2000 年諾貝爾物理獎。

芯片對比傳統的離散晶體管有兩個主要優點：成本和性能。

成本低是因爲芯片把全部的組件經過照相平版技術，做爲一個單位印刷，而不是在一個時間只製做一個晶體管。性能高是因爲組件很小且彼此靠近，小尺寸帶來短路徑，使得低功率邏輯電路能夠在快速開關速度應用。

正因如此，僅僅在其開發後半個世紀，芯片就變得無處不在，電腦、手機和其餘數字電器成爲現代社會結構不可缺乏的一部分，現代社會的計算、交流、製造和交通系統，包括互聯網，全都依賴於芯片的存在。

甚至不少學者認爲有集成電路或者說是芯片帶來的數字革命是人類歷史中最重要的事件，芯片工藝的成熟將會帶來科技的大躍進，不管是在設計的技術上，或是半導體的工藝突破，二者都是息息相關。

2、芯片發展的五次變革

雖然集成電路的雛形早在 1949 年就出現了，但直到 1960 年代雙極和 MOS 電路出現以後，隨着硅平面技術的發展，電子管和晶體管制造電子產品的形式從量變產生了質變，讓芯片真正成爲了一個相對完整的產業。

在 60 多年的漫長的發展歷程中，芯片行業已經發生了四次重大變革，這四次變革的重要緣由都包含「爲了解決系統設計或芯片電路設計上的問題」，也讓芯片產業分工上產生告終構性的改變。

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第一次變革：行業的第一次洗牌

集成電路產業的第一次變革是從1970年代開始，隨着微處理器與存儲器的誕生，原來由系統公司獨攬系統與 IC 設計的垂直整合時代，轉變爲系統公司與 IC 公司的分業體制。

1960 年至 1970 年，行業進行了第一次的洗牌。

在這十年中，基本上每個芯片廠商都須要進行芯片相關的全部設計與製造。但隨着芯片的發展，功能和涉及的工藝、材料愈來愈多，設計的過程耗時愈來愈長，不少生產力較低的廠商的芯片在還未正式推出前就已經成了「過時產品」。

1970 年，芯片的不少元器件開始逐漸標準化，這給了不少中小廠商專一進行芯片的整合與製造的機會，經過直接使用標準化的元器件，加快芯片的生產迭代速度。

這一階段，垂直整合製造公司（IDM） 企業在芯片市場中充當主要角色，集成電路設計（IC）則是做爲附屬部門而存在。

但這也致使了一個問題，就是 IDM 類企業過於重視研發成本的控制，從而犧牲了在芯片製做過程當中的創新能力。

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第二次變革：產品標準化，行業明確分工

第二次變革是在 1980 年代。爲了改善系統的速度和簡化程序，專用集成電路（ASIC）技術應運而生，工程師能夠沒必要了解晶體管線路設計的細節部分，直接利用邏輯門設計門陣列（CPLD）、可編程邏輯器件（FPGA）、標準單元、全定製電路等，這讓芯片的設計與製做進一步的標準化。

但在整個芯片電路上仍有不少獨立的 IC 電路設計，難以知足整機客戶對系統成本、可靠性等要求。同時客戶則要求不斷增長 IC 的集成度、減少芯片面積、降本增效，從而加強產品的競爭力，獲得更多的市場份額和更豐厚的利潤。

設計觀念上的改變使得專業設計的 Fabless 公司出現，並由專業晶圓代工廠 Foundry 填補 Fabless 公司須要的產能，也就是所謂的 Foundry+Fabless 運營模式。

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第三次變革：市場步幅加快，行業能力升級

第三次變革在 1990 年中後期，隨着 Fabless 公司的不斷推動，芯片上集成的晶體管數量已經達到了千萬量級，工藝製程也發展到了 180nm，這讓芯片的能力和應用場景獲得了極大的加強。

同時，單片系統（SoC）的出現，顯著的提升了 ASIC 的設計能力。SoC 設計方法學應運而生，其包含三個內容：

1. 系統設計方法
2. IP 核的設計和使用
3. 深亞微米集成電路設計

隨着 SoC 設計方法學的廣泛採用，芯片設計公司購買第三方公司的 IP，組合成 SoC，整個過程就跟拼積木同樣，芯片的規模呈指數級增加，從百萬門級發展到今天的數十億門級。

而且，高度複雜的系統功能和越來越快速的產品進入市場時間（Time to Market）要求，不容許芯片設計者公司一切從零開始，必須借鑑和使用已經成熟的設計爲本身的產品開發服務，這也決定了 SoC 的設計必須採用與傳統單片集成電路設計不一樣的方法。

集成電路產業發展至此階段，專業分工已經初步造成，隨着SIP設計、EDA工具、芯片設計、晶圓製造、封裝、測試等環節逐步成熟，在各個專業環節涌現出一大批優秀的公司。

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第四次變革：芯片行業的合縱與連橫

隨着芯片行業形態的成熟，如今已經進入了集羣虛擬垂直整合（Clustered Virtual Vertical Integration，CVVI）模式發展階段，集羣、虛擬垂直、整合是該階段的精髓。

具體來講，就是讓專精於不一樣領域的公司，彼此以結盟或戰略伙伴關係互補，以達到快速佈局的戰略目的，進而達到有效的垂直整合。

在芯片這個領域，爲了縮短芯片設計週期，產業鏈各公司必須彼此溝通合做，透過廠商間的連接和 IP 整合，跟上客戶的需求和市場的變更，讓彼此的效益能夠發揮到最大，實現最佳競爭優點。

而隨着「異質集成」、「Chiplet」成爲集成電路產業將來發展趨勢時，新的商業模式必將出現。如今，單打獨鬥的模式已經勢微，集羣、虛擬垂直、整合已是大勢所趨。

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第五次變革：下一個十年 - AI 芯片發展

2017 年 4 月，Google 公佈了一篇即將在 ISCA2017 上發表的論文：「In-Datacenter Performance Analysis of a Tensor Processing Unit」，公開了其作 AI 芯片的細節；2017 年 5 月，GTC2017 大會，Nvidia CEO 黃仁勳也發佈了 Volta 架構 GPU。

正由於這兩個重要的發佈，讓 2017 年被定義爲 AI 芯片的元年。

芯片技術的發展是人工智能發展的必要條件 ，芯片表明着算力。人工智能的發展有幾大重要支柱，包括

- 數據：事實或觀察的結果
- 算法：解決問題的方法，如深度學習算法
- 算力：運算能力

從數據方面，互聯網時代下大數據高速積累，須要運行的數據量驟增，而現有算力難以匹配；從算法方面，即便存在邏輯上可用的算法，也須要有足夠算力才能處理數據樣本、訓練機器。因爲算力的不可或缺和通訊應用（智能手機等）增加的放緩，人工智能的發展也將成爲芯片技術進步的主要驅動力。

綜合來看，若是以設計理念進行劃分的話，AI芯片大體可分爲兩大類別。

第一類是「AI加速芯片」，它是肯定性地加速某類特定的算法或任務，從而達到目標應用領域對速度、功耗、內存佔用和部署成本等方面的要求。目前，AI加速芯片的研發有兩種主要的方式：一種是利用已有的GPU、衆核處理器、DSP、FPGA芯片來作軟硬件優化；另外一種是設計專用的芯片，也就是ASIC。

第二類是「智能芯片」，它讓芯片像人同樣能使用不一樣的AI算法進行學習和推導，處理包含感知、理解、分析、決策和行動的一系列任務，而且具備適應場景變化的能力。

目前，面向綜合、自適應能力的智能芯片研究有兩類設計方法，一種是基於類腦計算的「神經擬態芯片」；另外一種是基於可重構計算的「軟件定義芯片」。

圍繞這兩大方向，全球各大芯片公司都積極在人工智能領域進行佈局。能夠說，經過芯片技術來大幅加強人工智能研發的時機已經很是成熟了。

但從芯片發展的大趨勢來看，目前尚處於 AI 芯片發展的初級階段，不管是科研仍是產業應用都有巨大的創新空間。

從肯定算法、領域的 AI 加速芯片向具有更高靈活性、適應性的智能芯片發展是科研發展的必然方向。業界專家也發出斷定，將來十年將是 AI 芯片發展的重要時期，有望在架構和設計理念上再次取得巨大的突破。

3、芯片的製做流程以及材料

近兩年國際局勢的不穩定，讓許多人對我國的芯片生產憂心忡忡。

由於缺少關鍵技術和設備，我國的不少產品，包括手機、交換機、網絡通訊基站以及核心芯片等都沒法徹底自主生產，這也是美國賴以「耀武揚威」的緣由之一。

那麼，製做一個芯片到底涉及到哪些核心技術？又須要用到哪些原料？

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芯片是如何製做出來的？

芯片製做完整過程包括芯片設計、晶片製做、封裝製做、測試等幾個環節，其中晶片製做過程尤其的複雜。

1. 製造硅晶圓

在沙子中加入碳，在高溫做用下，轉化成純度約99.9%的硅。通過熔化，從中拉出鉛筆狀的硅晶柱。經過鑽石刀將硅晶柱切成圓皮，拋光後便造成了硅晶圓。硅晶圓的直徑常見的有 8 英寸和 12 英寸，直徑越大、晶圓越薄，單個芯片的成本越低，但加工難度和對工藝的要求也就越高。

2. 光刻

光刻工藝的基本流程首先是在晶圓（或襯底）表面塗上一層光刻膠並烘乾。烘乾後的晶圓被傳送到光刻機裏面。

在硅片上塗抹光刻膠，讓紫外線透過一個掩膜照射光刻膠，掩膜上印着預先設計好的電路圖案。光刻過程當中曝光在紫外線下的光刻膠經過光化學反應被溶解掉，有的芯片製做過程須要對曝光後的晶圓進行第二次烘烤，即所謂的曝光後烘烤，後烘烤是的光化學反應更充分。

最後，把顯影液噴灑到晶圓表面的光刻膠上，對曝光圖形顯影。顯影后，掩模上的圖形就被存留在了光刻膠上。塗膠、烘烤和顯影都是在勻膠顯影機中完成的，曝光是在光刻機中完成的。

整個曝光顯影系統是封閉的，晶圓不直接暴露在周圍環境中，以減小環境中有害成分對光刻膠和光化學反應的影響。

3. 摻雜

經過離子注入，賦予硅晶體管的特性。具體工藝是是從硅片上暴露的區域開始，放入化學離子混合液中。

通常是將硼或磷注入到硅結構中，接着填充銅，以便和其餘晶體管互連。而後能夠在上面再塗一層膠，再作一層結構。簡單的芯片能夠只用一層，但複雜的芯片一般有不少層，如今的芯片大部分包含幾十層，造成一個立體的結構。

4. 封裝測試

在芯片作好後，用精細的切割器將芯片從晶圓上切下來，焊接到基片上，將製造完成晶圓固定，綁定引腳，按照需求去製做成各類不一樣的封裝形式，這就是同種芯片內核能夠有不一樣的封裝形式的緣由。通過測試後就能夠包裝銷售了。

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芯片有哪些核心材料？

1. 光罩

咱們知道芯片的製做過程當中有一步是「光刻」，其中提到了一個「掩膜」的概念，也就是光罩。

根據事先設計好的電路圖作成光罩，光刻機的光源經過光罩以後，就把電路圖印在晶圓上，而光罩就相似底片。

2018年，全球半導體制造材料市場規模爲322億美圓，其中光罩的市場規模大約45億美圓，佔製造材料的14%，規模僅次於硅片。

2. 光刻膠

除了掩膜外，咱們上文中還提到了光刻膠。要想完成光刻，必須事先在硅片上塗上光刻膠。

光刻膠又稱光致抗蝕劑，是指經過紫外光、電子束、離子束等照射或輻射，其溶解度發生變化的耐蝕刻薄膜材料。從性質上來說，光刻膠分爲正光刻膠和負光刻膠，被光照到使溶解度增長的是正光刻膠, 溶解度減少的是負型光刻膠。

無論是正是負，總之就是要讓被照到的和不被照到的地方造成溶解度不一樣的區域，而後把不想要的那部分區域溶解去掉便可。

不一樣種類的芯片，不一樣製程的芯片，使用的光刻膠不同，製做的難度也不同。

到 2018 年，全球光刻膠市場規模 16 億美圓，規模並不大，但卻相當重要。

另外，光刻膠市場一樣是一個高度壟斷的市場，全球前 5 大公司市場份額超過 85%。而前 4 大光刻膠企業都是日本公司，分別是合成橡膠、信越化學、東京應化和住友化學。

3. 電子氣體

電路刻到了硅片上，要想讓芯片運做起來，須要有一個前提，那就是刻在硅片上的晶體管要有開關特性。電路要想有開關特性，就須要離子注入，而離子注入就須要電子氣體，又叫電子特氣。

用在芯片上的電子氣體首先的特色是高純，大部分電子氣體的純度達 99.99% 以上。並且大部分電子氣體具備高壓、易燃、高腐蝕和劇毒的特色。

電子氣體也是一個高度壟斷的市場，主要公司包括美國空氣化工、普萊克斯、德國林德集團、法國液化空氣和日本大陽日酸株式會社，這幾家公司佔了 90% 以上的市場份額。

4. 高純濺射靶材

當把電路圖刻到了晶圓上，作了各類清洗，注入了離子，可是還要把芯片上的電子元件鏈接起來才行，就像你把全部的元件都擺放好了，而後你要用導線把他們相互鏈接起來，這就須要用到濺射。濺射主要是製備薄膜材料，是物理氣相沉積（PVD）技術的一種。

濺射的大概意思是說用離子轟擊靶材，而後靶材上的原子被轟出來，最後掉在單晶硅的基板上，而後造成特定功能的金屬層，從而造成導電層或者阻擋層等，這就是金屬化。當在芯片表面造成金屬層後，再用光刻或者刻蝕，將不要的部分去掉，因而芯片表面就留下了金屬細線，這就能讓芯片上各類元器件鏈接起來了。

高純濺射靶材包括鋁靶、鈦靶、鉭靶和鎢鈦靶等。其中，8 寸晶圓生產中主要用到鋁靶和鈦靶，12 寸晶圓主要用到鉭靶和銅靶。

濺射靶材一樣屬於寡頭壟斷市場，主要企業包括日本日礦金屬、美國霍尼韋爾、日本東曹、美國普萊克斯和日本住友化學等。
整體來看，芯片的製做工藝壁壘很是高，相關的材料又大都處於行業壟斷的狀況，所以行業總體的壁壘很高。隨着政治局勢的影響，確實容易成爲各個國家之間掣肘的資源。

後記：芯事難「料」

國產化替代已經成爲了我國改革開放四十餘年中，引領核心技術產業發展的一面旗幟，也是一場革命。在這場革命藍圖一隅，半導體產業國產化的這場馬拉松已經衝刺多年，從上游材料設備到中游設計製造，再到下游封測，我國半導體產業鏈各個環節的國產化發展和競爭也異常激烈。

「毫無疑問，中國有製造芯片的工程師。問題是他們可否製造出具備競爭力的產品。」硅谷歷史學家、人工智能學者皮耶羅·斯卡魯菲（Piero Scaruffi）問道。

但像斯卡魯菲這樣的行業分析師對中國真正的創新能力仍抱有疑問。他認爲，中國目前取得的技術成功在於技術應用，而不是技術創造。

「若是你的衡量標準是有多少人使用智能手機購物，那麼中國贏了。但若是你的衡量標準是諾貝爾獎得主，那麼中國輸得很慘，」他說，「固然，中國在經過應用技術，極大地改變社會方面很是成功。」

這次美國的管制，一方面確實對我國的芯片行業帶來了很大的影響，另外一方面也給了我國企業發力證實自身實力的一個機會。

例如，在芯片設計環節包括華爲海思、紫光集團都已經突破了技術侷限，尤爲是華爲海思更是掌握了 7nm 芯片設計技術。而芯片製造環節，中芯國際 14nm 製程工藝已經正式投產。在光刻機領域有上海微電子身先士卒，在刻蝕機領域則有中微半導體和北方華創雙雙出擊，中微半導體自主研發的 5nm 蝕刻機也運用到了臺積電首條 5nm 芯片生產線上。

此外，我國芯片封裝測試產業更是「一家獨大」。目前全球最大的封測公司是我國臺灣的日月光集團，世界排名第三的封測公司是我國的長電科技（600584），市場份額和第一也相差無幾。

但正如斯卡魯菲分析所說，相比於芯片製造，封裝測試的技術壁壘較低，因此進入相對容易一點。另一方面，封裝測試是芯片細分領域裏的勞動密集型產業，而在勞動力方面，我國一直有優點。

因此，世界上兩個最大的經濟體再次走向碰撞，咱們不能盲目樂觀，也不用妄自菲薄。

隨着世界政治格局的洗牌，誰知道芯片行業會不會迎來一次新的洗牌呢。

部分參考資料：

央視新聞：《芯片是怎麼製造的？》
芯思想：《芯片發展的六個時代》
君臨研究中心：《芯片製造材料的國產替代到底有多重要？》
南方週末：《芯片上的人》