造芯術(shù)
——現(xiàn)代科技“皇冠上的明珠”

○楊格亮

前不久，美國(guó)商務(wù)部長(zhǎng)雷蒙多訪華，華為贈(zèng)送給她一部新款手機(jī)，這款手機(jī)讓整個(gè)西方為之震動(dòng)。因?yàn)椋玫氖侵袊?guó)芯。這表明，美國(guó)對(duì)我國(guó)的芯片封鎖成為一場(chǎng)空。為什么美國(guó)千方百計(jì)要扼制我國(guó)的芯片研發(fā)和生產(chǎn)？芯片在科技發(fā)展中占有怎樣重要的地位？

芯片的工作原理

我們通常所說(shuō)的“芯片”是指集成電路，由大量的晶體管構(gòu)成，是微電子技術(shù)的主要產(chǎn)品。所謂“微電子”，是相對(duì)于“強(qiáng)電”“弱電”等概念而言，指它處理的電子信號(hào)極其微小。不同的芯片有不同的集成規(guī)模，大到幾億個(gè)，小到幾十、幾百個(gè)晶體管。晶體管有兩種狀態(tài)：開和關(guān)，用1、0 來(lái)表示。多個(gè)晶體管產(chǎn)生多個(gè)1 和0 的信號(hào)，這些信號(hào)被設(shè)定成特定的功能（即指令和數(shù)據(jù)），來(lái)表示或處理字母、數(shù)字、顏色和圖形等。芯片通電以后，首先產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)指令來(lái)啟動(dòng)芯片，之后就不斷接受新指令和數(shù)據(jù)來(lái)完成功能。

在顯微鏡下放大后，我們可以看到芯片內(nèi)部像一座城市一樣復(fù)雜。如圖1 所示，將晶體管比作“水龍頭”，控制“水龍頭”通斷的開關(guān)對(duì)應(yīng)著晶體管的“柵”，“水龍頭”的出水口對(duì)應(yīng)著晶體管的“源”，“水龍頭”的進(jìn)水口對(duì)應(yīng)著晶體管的“漏”。我們控制晶體管的“柵”端電壓，就可以像控制“水龍頭”一樣去控制由“漏”到“源”流過(guò)晶體管的電流。將這些晶體管的“打開”和“關(guān)閉”狀態(tài)進(jìn)行組合便可以用來(lái)處理各種信息，如文字、圖像、語(yǔ)音等。

圖1

知識(shí)小卡片

模擬芯片和數(shù)字芯片

數(shù)字芯片的主要作用是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，好比“人的大腦”。模擬芯片的主要作用是處理連續(xù)性的光、聲、電、磁、位置、速度、加速度等物理量和溫度等自然模擬信號(hào)，好比“人的心臟和血管”，能夠?yàn)榇竽X提供足夠的血液進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在同一個(gè)電路上經(jīng)常同時(shí)使用數(shù)字芯片和模擬芯片，模擬芯片更多的是輔助功能。

數(shù)字芯片和模擬芯片有什么區(qū)別？

數(shù)字芯片是由多個(gè)相同的單元電路組成，模擬芯片是由各個(gè)不同的單元電路組成；

數(shù)字芯片只能處理數(shù)字信號(hào)，而模擬芯片只能處理模擬信號(hào)，兩者不能互換；

數(shù)字芯片利用的是晶體管的開關(guān)作用，模擬芯片利用的是晶體管的放大作用；

全球市場(chǎng)以數(shù)字芯片為主，模擬芯片為輔。

在現(xiàn)代社會(huì)，芯片已經(jīng)滲入到我們生活的方方面面，它廣泛用于電腦、手機(jī)、家電等日用電子設(shè)備，飛機(jī)、汽車、高鐵等交通工具以及衛(wèi)星、火箭、航母等國(guó)防航天裝備中。互聯(lián)網(wǎng)上有個(gè)比喻：芯片制造技術(shù)是現(xiàn)代科技“皇冠上的明珠”。

芯片的設(shè)計(jì)

“皇冠上的明珠”必然不簡(jiǎn)單。芯片的研發(fā)流程包括芯片的設(shè)計(jì)、加工制造、封裝測(cè)試三個(gè)主要環(huán)節(jié)。這里面涉及許多材料與物理、器件與工藝、電路與系統(tǒng)方面的知識(shí)。

芯片研發(fā)的第一步是芯片的設(shè)計(jì)，這一步類似于蓋房子前先要畫出設(shè)計(jì)圖。芯片設(shè)計(jì)的目標(biāo)也是得到能夠用于加工制造的圖紙。

芯片設(shè)計(jì)需要有設(shè)計(jì)輸入，即將要安裝該芯片的整機(jī)系統(tǒng)提出的應(yīng)用需求。系統(tǒng)工程師將應(yīng)用需求抽象成技術(shù)指標(biāo)，芯片設(shè)計(jì)師圍繞這些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。后續(xù)的芯片測(cè)試環(huán)節(jié)也是對(duì)比測(cè)試結(jié)果與這些技術(shù)指標(biāo)的符合度。

芯片設(shè)計(jì)需要借助電子設(shè)計(jì)輔助（EDA）軟件和服務(wù)器，這些軟硬件工具構(gòu)成了一套設(shè)計(jì)平臺(tái)，芯片設(shè)計(jì)師基于該平臺(tái)進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)電科54 所）具有較為完善的芯片開發(fā)軟硬件環(huán)境。圖2 是數(shù)字芯片設(shè)計(jì)流程，有點(diǎn)專業(yè)哦，如非專業(yè)人士，簡(jiǎn)單理解即可。

圖2

完成芯片設(shè)計(jì)，最終得到制造加工文件，然后將加工文件交給代工廠，便進(jìn)入了下一個(gè)環(huán)節(jié)——芯片的制造環(huán)節(jié)。

芯片的制造

芯片行業(yè)有自己的產(chǎn)業(yè)分工，當(dāng)今市場(chǎng)上存在多家專門從事芯片制造的國(guó)際型大公司，他們?yōu)楦黝愋酒O(shè)計(jì)單位提供完善的代工制造服務(wù)。中國(guó)電科54 所專注于芯片的設(shè)計(jì)開發(fā)。

芯片制造商會(huì)為設(shè)計(jì)單位提供一整套與芯片制造工藝相關(guān)的工藝文檔。這些文檔包括了工藝特征的描述、器件模型的描述、設(shè)計(jì)規(guī)則的描述等對(duì)芯片設(shè)計(jì)非常有用的信息。

有關(guān)工藝特征的描述中包含了工藝的層次結(jié)構(gòu)信息，這些層次與芯片的真實(shí)物理層次是相對(duì)應(yīng)的，如圖3、4 所示。了解這些信息對(duì)芯片性能的實(shí)現(xiàn)甚至可靠性的保障具有重要意義。

圖3 工藝層次結(jié)構(gòu)示意

圖4 芯片的物理層次結(jié)構(gòu)顯微照片

器件模型的描述中包含了器件的電氣特性，這些信息是芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中仿真驗(yàn)證的重要依據(jù)。

有關(guān)芯片設(shè)計(jì)規(guī)則的描述主要是對(duì)芯片版圖設(shè)計(jì)行為的約束和指導(dǎo)，只有在這些規(guī)則框架內(nèi)的設(shè)計(jì)才是有效的設(shè)計(jì)、能交給代工廠進(jìn)行加工制造的設(shè)計(jì)。

芯片的制造是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程，根據(jù)工藝和復(fù)雜程度的不同，大概在1.5～3 個(gè)月。制造好的芯片均勻排列在一張張圓形薄片上，這樣的薄片叫做“晶圓”，通過(guò)切割“晶圓”才能得到一枚枚的芯片。如圖5 所示為中國(guó)電科54 所研發(fā)出的幾款應(yīng)用于不同場(chǎng)合的芯片實(shí)物照片。當(dāng)芯片制造完成后，需要對(duì)芯片的功能和性能進(jìn)行檢測(cè)，這就到了芯片的封裝和測(cè)試環(huán)節(jié)。

圖5 幾款芯片實(shí)物照片

芯片的封裝和測(cè)試

封裝，就好比是給芯片穿“服裝”。讓芯片穿上定制的“服裝”，既可以保護(hù)精密脆弱的芯片，又能讓芯片在不同環(huán)境和工作條件下穩(wěn)定、可靠地發(fā)揮作用。這些“服裝”的材料可以是塑料、金屬、陶瓷或者玻璃。封裝時(shí)需要根據(jù)芯片的功能、尺寸、應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的封裝形式。根據(jù)芯片焊接在電路板上的方式，封裝可以分為兩類：通孔插入式和表面安裝式，如圖6 所示。

圖6

實(shí)際上，芯片的封裝技術(shù)也在不斷地演進(jìn)，經(jīng)歷了從有腳到焊球、從二維到三維、從單芯片到多芯片再到系統(tǒng)集成等階段，始終向著更薄、更小、更高密度、更高速度、更多功能、更低成本的方向發(fā)展。值得一提的是，國(guó)內(nèi)的芯片封裝技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界一流的水準(zhǔn)，一些封裝廠已經(jīng)塑造出了世界知名品牌。

芯片封裝完成就為實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但在應(yīng)用之前，還有一個(gè)必須要經(jīng)歷的過(guò)程：芯片測(cè)試。測(cè)試包括：性能測(cè)試、功能測(cè)試和可靠性測(cè)試。

首先，芯片在制造、封裝過(guò)程中，有可能存在缺陷，需要進(jìn)行測(cè)試篩選；其次，為了檢驗(yàn)芯片是否滿足應(yīng)用場(chǎng)景的要求，需要對(duì)芯片的各項(xiàng)參數(shù)、指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估；第三，芯片通過(guò)了性能和功能測(cè)試后，還需要對(duì)芯片的抗靜電能力，封裝的氣密性，抗腐蝕、抗震動(dòng)甚至抗輻照能力進(jìn)行測(cè)試，以衡量芯片在通用或特殊應(yīng)用場(chǎng)合的可靠程度。

中國(guó)電科54 所配備了先進(jìn)的芯片測(cè)試設(shè)備，具備在晶圓驗(yàn)證測(cè)試與ATE 量產(chǎn)測(cè)試的能力。如圖7 所示為在晶圓測(cè)試平臺(tái)和ATE 測(cè)試機(jī)臺(tái)。

圖7 在晶圓測(cè)試平臺(tái)（左）和ATE 測(cè)試機(jī)臺(tái)（右）

芯片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與前景

芯片市場(chǎng)是一個(gè)龐大的市場(chǎng)，全球的芯片產(chǎn)業(yè)保持著快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，芯片技術(shù)不斷地迭代、進(jìn)步。我國(guó)政府高度重視芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過(guò)政策扶持、資金投入和人才培養(yǎng)等措施以使中國(guó)芯片能夠在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中勝出，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

中國(guó)電科54 所積極投入到全球芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的浪潮中，接受挑戰(zhàn)、擁抱機(jī)遇、攻堅(jiān)克難，研發(fā)出一批戰(zhàn)略性的自主可控核心產(chǎn)品，為我國(guó)國(guó)防事業(yè)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

中國(guó)電科54 所簡(jiǎn)介

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所（簡(jiǎn)稱“中國(guó)電科54 所”）始建于1952 年，是新中國(guó)成立的第一個(gè)電信技術(shù)研究所，是我國(guó)電子信息領(lǐng)域?qū)I(yè)覆蓋面最寬、綜合性最強(qiáng)的骨干研究所，具有武器裝備科研生產(chǎn)及質(zhì)量體系方面的重要資質(zhì)，是國(guó)家授權(quán)的電子工程專業(yè)承包壹級(jí)資質(zhì)單位，電子工程甲級(jí)設(shè)計(jì)單位。

中國(guó)電科54 所設(shè)有通信軟件與專用集成電路設(shè)計(jì)國(guó)家工程研究中心（以下簡(jiǎn)稱“研究中心”），成立20多年，擁有一支強(qiáng)大的集成電路研發(fā)團(tuán)隊(duì)。“十三五”期間，研究中心承擔(dān)了新品、型譜、預(yù)研等國(guó)家級(jí)以及省、市級(jí)科研生產(chǎn)類項(xiàng)目近30 項(xiàng)，研發(fā)出了系列化終端射頻收發(fā)芯片、基帶SOC 芯片、高性能射頻前端芯片、相控陣幅相多功能芯片、頻率源芯片、高速數(shù)據(jù)交換芯片，已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、遙控遙測(cè)、航空航天、電子對(duì)抗等重要領(lǐng)域，豐富了相關(guān)領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化芯片生態(tài)，為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的自主構(gòu)建提供了重要技術(shù)支撐。