芯片設計制造難在哪？

它體積微小，貌不驚人，卻集高精尖技術于一體。

它作用非凡，應用廣泛，是信息產業的核心和基石。

它事關國計民生與信息安全，牽動著億萬國人的心。

小小的它這般神奇

簡單說來，芯片就是一種集成電路，它是通過微細加工技術，把半導體器件聚集在硅晶圓表面上而獲得的一種電子產品。

芯片的奧秘之處，在于它可將多達幾億個微小的晶體管連在一起，以類似用底片洗照片的方式翻印到硅片上，從而制造出體積微小、功能強大的“集成電路”。

芯片上的晶體管有多小呢？一根頭發絲直徑長度能并排放下1000個，且相互之間能協同工作、完成指定的任務。

制造出來的芯片雖然只有指甲般大小，能耐卻大得驚人。它具有信息采集、處理、存儲、控制、導航、通信、顯示等諸多功能，是一切電子設備最核心的元器件。

在當今信息社會，芯片無處不在，生活中凡是帶“電”的產品，幾乎都嵌有芯片。我們每天都離不開的手機，里面的芯片就多達30個。如果沒有芯片，世界上所有與電相關的設備幾乎無法工作。

芯片不僅事關國計民生，而且涉及信息安全。一些西方國家出于自身利益考慮，將其視為一種貿易或戰爭的“武器”，輕則通過禁運、限售等措施，制約相關國家信息產業發展，重則通過接入互聯網芯片的“后門”，進行情報收集或實施網絡攻擊。如前幾年發生的“棱鏡門”事件、某大國通過互聯網攻擊伊朗的核電站等，都與芯片有著千絲萬縷的聯系。因此，芯片不僅是信息產業的核心，更是信息處理與安全的基石。

信息社會不可或缺

隨著信息技術的迅猛發展，芯片應用已延伸到社會的每個角落，融入生活的方方面面。從人們日常生活使用的手機、電腦、洗衣機，到工業領域的機床、發動機，再到航空航天領域的導航及星載設備等，哪樣都少不了芯片。

在軍事領域，先進武器裝備、指揮信息系統，芯片更是不可或缺。如采集芯片可以使武器裝備擁有“千里眼”“順風耳”，信息處理芯片能給武器裝備裝上“智能大腦”，通信芯片能將各種裝備與作戰單元連接起來進行體系對抗，存儲芯片則能保存各種戰場數據而進行作戰效能和毀傷評估，等等。芯片已成為影響戰爭勝負的重要因素。

廣泛的應用需求，推動著芯片技術的迅速發展。隨著更好工藝的采用以及片上系統、微機電集成系統等技術的進步，芯片開始進入“自組裝”的納米電路時代，競爭日趨激烈。

應用廣，市場就大。據美國半導體產業協會統計，2017年1月至2月，中國和美國的芯片市場規模份額分別為33.10%和19.73%。中國雖然是全球最大、增長最快的芯片市場，但許多高端芯片要進口。

設計制造難在何處

芯片的設計制造是一個集高精尖于一體的復雜系統工程，難度之高不言而喻。那么，究竟難在何處？

架構設計難。設計一款芯片，科研人員先要明確需求，確定芯片“規范”，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、性能與功耗等關鍵信息，將電路劃分成多個小模塊，清晰地描述出對每個模塊的要求。然后由“前端”設計人員根據每個模塊功能設計出“電路”，運用計算機語言建立模型并驗證其功能準確無誤?！昂蠖恕痹O計人員則要根據電路設計出“版圖”，將數以億計的電路按其連接關系，有規律地翻印到一個硅片上。至此，芯片設計才算完成。如此復雜的設計，不能有任何缺陷，否則無法修補，必須從頭再來。如果重新設計加工，一般至少需要一年時間，再投入成百萬甚至上千萬元的經費。

制造工藝復雜。一條芯片制造生產線大約涉及50多個行業，一般要經過2000至5000道工藝流程，制造過程相當復雜。制造芯片的基礎材料就是普通沙子，它如何變成制造芯片的材料呢？沙子經脫氧處理后，通過多步凈化熔煉成“單晶硅錠”，再橫向切割成圓形的單個硅片，即“晶圓”。這一過程相當復雜，而在晶圓上制造出芯片則更難。首先要將設計出來的集成電路“版圖”，通過光刻、注入等復雜工序，重復轉移到晶圓的一個個管芯上，再將管芯切割后，經過封裝、測試、篩選等工序，最終完成芯片的制造。值得一提的是，制造過程中還需要使用大量高精尖設備，其中高性能的光刻機又是一大技術瓶頸。如最先進的7納米極紫外光刻機，目前只有荷蘭一家公司能制造，價格上億美元不說，一年僅能生產20臺左右。

投入大、研制周期長。一款復雜芯片，從研發到量產，要投入大量人力、物力和財力，時間至少要3至5年，甚至更長。處理器類芯片還需要配套復雜的軟件系統，同樣需要大量人力物力來研制。美國英特爾公司每年研發費用超過百億美元，有超過5萬名工程師。

發展迅速、追趕難度大。自20世紀50年代末發明集成電路以來，芯片的集成度一直遵循摩爾定律迅猛發展，即每隔18個月提高一倍。半個多世紀以來，芯片的性能和復雜度提高了5000萬倍，特征尺寸則縮減到一根頭發絲直徑的萬分之一。芯片領域競爭十分激烈，美、歐等發達國家處于技術領先地位，芯片研發相對落后的國家，短時間內追趕有難度。

“中國芯”正加速追趕

目前，全球高端芯片市場幾乎被美、歐等先進企業占領。但加速研發國產自主芯片一直是政府、企業、科研院所的重點發展方向。近年來，我國在集成電路領域已取得了長足進步，芯片自給率不斷提升，高端芯片受制于人的局面正在逐步打破。

我國自主研發的北斗導航系統終端芯片，已實現規?；瘧?。在超級計算機領域，多次排名世界第一的“神威太湖之光”和“天河二號”，全部和部分采用了國產高性能處理器。國產手機、藍牙音箱、機頂盒等消費類電子產品，也開始大量使用國產芯片。

11月9日，“2018中國集成電路產業促進大會”在重慶舉辦，102家企業的154款產品參加本屆優秀“中國芯”評選，“飛騰2000+高性能通用微處理器”等24款產品獲獎，涵蓋從數字交換芯片到模擬射頻電路、人工智能芯片到指紋識別傳感器、工業控制到消費類電子等各個領域。

這一系列進步的背后，是國家高度重視和大力投入。2006年，國務院頒布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》，2014年6月，國務院批準實施《國家集成電路產業發展推進綱要》，都對這一領域發展提出了部署要求。

隨著國家的大力扶持和一系列關鍵核心技術的突破，“中國芯”正逐步縮短與發達國家的差距，“中國創造”終將占領信息系統技術制高點，真正把競爭和發展的主動權掌握在自己手中。