小小的芯片，为什么就是搞不定

IC老和尚 · 发表于 2021-5-6 17:33

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小小的芯片，为什么就是搞不定

EDA365原创作者：巢影字幕组

2020年9月15日，美国对华为的出口禁令正式生效。台积电、联发科、索尼、三星等厂商为华为生产的最后一批芯片已经陆续完成交货。台积电的董事长刘德音已经证实9月15日之后，台积电不再承接来自华为的新订单。据业内的消息称，华为最新的5纳米工艺的新处理器，也就是麒麟9000芯片，在台积电的总订单量是一千五百万颗，但由于受到禁令时间的影响，台积电只完成了八百八十万颗麒麟9000的生产。从28纳米工艺的麒麟910芯片到7纳米工艺的麒麟990芯片，麒麟系列芯片在五年的时间里经历了八个版本和四次生产工艺的升级。成功的走到了全球芯片设计的最前沿，而最新款的麒麟9000芯片作为全球唯一的一款使用5纳米工艺，并且集成了5G的高端芯片。毫无疑问，它成为了当前最强的安卓手机芯片。但是就是这款最强的安卓芯片，由于受到出口禁令的影响，首次问世就成了绝唱。据说麒麟9000处理器在设计的时候，最初的名字叫做麒麟1020。它只是麒麟系列芯片中很普通的一员，但是来自美国的出口禁令，让麒麟芯片在这里止步了。于是，华为将麒麟1020直接就改名为了麒麟9000，这里面的寓意据说是从1000到9000之间的路，华为要靠自己的努力走出来。不论你之前是否知道麒麟9000这个坎坷的故事，我想你在看完这些之后，至少让你留下了芯片制造实在是太难了的印象。我国以举国之力，居然还是会被美国在芯片制造上卡了脖子。当年我们连原子弹都独立自主的搞出来了，为什么这么一块小小的芯片就是搞不定，中国的芯片之痛到底有没有解药呢？未来我们的芯片发展又将会走向何方呢？想要知道这些问题的答案，首先你得知道芯片制造的技术原理到底是什么？

1937年，信息学之父克劳德·香农证明，任何能够呈现出开和关两种状态的元器件，经过设计和组合之后，都可以用来表达任意的逻辑。这正是芯片制造的理论基础。有了这个理论基础，我们就知道，用任何有开关结构的元器件都是可以制造芯片的。我们可以用水龙头来举个直观的例子，水龙头拧紧的时候，水就过不去，这个就可以代表0，也就是关的状态；而我们把水龙头打开，水就流过去了，那这就可以代表1。如果把大量的水龙头通过各种各样的管道连接在一起，其实也是可以完成与芯片一样复杂的计算工作的。最早的时候我们使用笨重的继电器来制造计算机，现在我们的手机里都已经用上了5纳米工艺的顶级芯片。但是如果把这些顶级芯片放大来看的话，里面的逻辑电路与那些笨重的继电器的原理其实没有什么本质的不同。这么多年来我们所做的事情就是不断的把这些电路做得更小。在芯片制造领域，我们经常说的14纳米、7纳米和5纳米指的就是制造芯片的工艺水平。说白了就是能够把晶圆做的更小，就是让同样大小的面积上能够装得下更多的逻辑电路。这个就是我们的目标。把元器件的密度提高，不仅能够提高运算速度，还能够降低芯片的功耗。英特尔的创始人戈登·摩尔就曾经预言，芯片上可以容纳的晶体管的数量，大约每经过18个月就能增加一倍，芯片的性能也能增加一倍，这就是著名的摩尔定律。如果把一个元器件的尺寸缩小到原来的0.7倍，比如从7纳米缩小到5纳米，那么这个元器件的面积就缩小到了原来的0.49倍，差不多是二分之一。因此5纳米的下一个目标就是小于3.5纳米。

通过制造工艺的升级，把尺寸缩小到原来的0.7倍这件事情在芯片产业发展的早期是可以做到的，这也是摩尔定律可以成立的基础。但是只要凭借我们的经验，就知道把元器件持续的缩小，这肯定是不可持续的。目前台积电的5纳米芯片代表着人类芯片制造的最高水平。在低于5纳米的尺度下，量子隧穿效应就会逐渐显现出来。量子隧穿效应的宏观表现就是漏电。也就是说明明开关是关着的，但是电子却能够跑过去。应该显示0的地方就会错误的显示出1，要解决这个问题，目前比较可行的技术叫做环绕栅晶体管。我们把阻挡电子通过的原件叫做栅级。栅级做的越严密，就越是能够有效的阻止漏电的发生。这个技术是3纳米以下技术节点的必经之路，也是当前台积电和三星公司激烈争夺的技术焦点。目前科学家们认为环绕栅晶体管技术的理论极限大约是1纳米，我们有信心能够顺利的实现3纳米的芯片制造工艺。但是2纳米和1纳米的工艺，那就有很多不确定性的因素存在了。现在谁也不知道人类到底能不能够把芯片的尺度做到3纳米以下。这里面很可能存在我们无法突破的一些科学原理上的瓶颈。

那芯片到底是用什么机器制造出来的呢？或许很多人都知道，制造芯片需要用到光刻机。顾名思义就是用激光在硅片上刻蚀电路。其实真实的情况远比你想象的要复杂的多得多。光刻仅仅是芯片制造过程中的一个重要的环节而已。除了光刻，其实还有蚀刻、离子注入、热氧化、气相沉淀、退火、分子数外延等等很多种复杂的工艺流程。芯片制造过程中的每一种工艺都对精确度有着极高的要求，任何一个工艺不过关都没有办法生产出合格的芯片来。而且芯片制造极为依赖经验积累。也就是说如果我们还没有搞定10纳米芯片的生产，就很难攻克5纳米的生产工艺，这正是芯片制造不同于修路、造桥和制造盾构机的地方。所以中国能够在修路、造桥和制造盾构机这些地方大显神威。但是芯片制造确实很难搞定。

目前在生产光刻机的厂家中，荷兰的阿斯麦尔公司是一家独大的。阿斯麦尔之所以能够一家独大，并不是因为这家公司有多么领先。其实这是全球化协作的结果。即便是英特尔公司这样的巨头，也不可能在设计生产过程中的所有领域都做到世界第一。在阿斯麦尔公司生产的高端光刻机中，其实包含着超过十万个零部件，其中的90%的零部件都是要依赖进口的。而我国作为制造业的大国，也承担了一部分零部件的生产工作。不过很遗憾的是，在阿斯麦尔最核心的17家供应商中，有四家是中国台湾企业，三家是日本企业，一家是德国企业，剩下的其实都是美国企业。显然对于大陆地区的企业来说，在光刻机最核心的部件上，还缺乏足够的竞争力，这才是美国有机会卡我们脖子的原因。而我们刚才提到的美国以外的核心供应商中，假如有一家和我们能够结成战略盟友关系，签订类似同攻同守的协议，那么阿斯麦尔也不敢对我们禁售。遗憾的是，我们现在一家都没有。因此在光刻机这个领域，其实我们并不需要从头到尾自己完整的掌握制造技术。事实上这也不太可能，我们其实只需要在一些核心部件的制造技术上有所突破。让下一代光刻机离不开中国大陆地区的供应商的关键技术。那么我们就能够加入到国际协作当中，摆脱被卡脖子的命运。

虽然我们已经不可能通过每18个月把芯片上晶体管的数量增加一倍的办法来提高芯片的性能。但是仍然有很多已经证明可行的办法让芯片的性能可以持续的提升。这也是我国可以寻求重点突破的地方。比如说新型的环绕栅晶体管，它的晶体管在芯片上的结构直接就由原来的纵向结构变成了横向结构。这就避免了晶体管两极与基底的接触，进一步减少了元器件尺寸缩小后发生漏电的可能性。那未来的3纳米芯片架构，就很可能会采用这种环绕栅晶体管的技术。

再比如说我们还可以在设计层面自上而下的提升芯片的性能。咱们拿华为最新发布的麒麟9000芯片为例，来说说如何从设计层面上让芯片变得更强。麒麟9000芯片是2020年10月22号发布的，用的是最先进的5纳米工艺。它光是CPU就多达8个核心，GPU更是有24个核心，还有一个双核的NPU, NPU的全称是嵌入式神经网络处理器。特别擅长处理视频、图像和各种多媒体类的数据。比如从视频里识别出一个演员来，用NPU来处理，就是最合适的。所以你看这个麒麟9000芯片已经不仅仅是一个芯片了，它实际上已经由一系列的芯片组成了一个很复杂的信息处理系统。那这种方案的名字，我们就把它叫做SOC，也就是系统级芯片。华为是第一家把NPU整合到SOC当中的芯片设计公司。目前华为也是人工智能芯片设计的领跑者，随着芯片在物理层可挖掘的空间越来越小，芯片设计在产业中所占的比重，正变得越来越高。令人高兴的是，华为这支国家队在芯片设计这个领域已经追平了第一梯队的发达国家，甚至在某些方面我们还有所领先。

从麒麟9000这样的顶尖芯片就可以看出，提升芯片性能的关键其实是从通用型芯片到专用型芯片的转变。在麒麟9000中，通用型芯片，也就是CPU有8个核心，但是专用芯片的GPU和NPU加在一起有多达26个核心。这充分说明芯片底层的逻辑电路在解决不同问题的时候，它的性能差异是极其巨大的。面对特定的任务，专用水平越高，效率也就会越高。为了说明这个问题，我可以拿修路这件事情来打个比方，通用型的芯片也就是CPU，就好像是一个一个的工人，工人是什么都能干，可以挖坑也可以搬运，还可以把路面夯实。但是比起专用的机器来，那工人的效率就显得太低了。论挖坑工人肯定比不上挖掘机。论搬运，那工人更是比不上吊车卡车。要是论夯实路面，工人也比不了压路机，所以这个挖掘机吊车比人拉健康提高了多少效率，这是不言而喻的。GPU和NPU这些专用芯片。就是为了手机中大量的图形、图像、视频和人工智能算法的专用任务特别设计的，它们处理这类专用任务的速度比CPU直接处理要快了千倍之多。而CPU只要做好进程的调度工作就好了。所以专用化是未来芯片最重要的发展趋势。只要某种算法的应用场景足够多，我们就可以为这种算法专门设计一种芯片，从而大幅度的提升芯片的性能。GPU和NPU 这类芯片，在未来只能算是半通用的芯片，因为它们虽然处理了它们擅长处理的数据。但是并没有为特定的算法进行优化。如果进一步专用化，那么他们的性能还能够得到较大的提升。当然让台积电这样的芯片制造公司小批量的生产专用芯片，这显然是不现实的事情。所以我们可以大胆的猜想，未来的芯片市场很可能会出现进一步的分工，台积电这样的生产企业会专注于生产一种可以二次架构的芯片，然后这些芯片将被华为海思这样的企业进一步的整合，根据实际需要来进行烧录，变成性能强大的专用芯片，然后再组合成SOC系统提供给市场来使用。可以二次架构的芯片，很可能就是芯片产业的转折点。生产型的企业可以把精力专注于芯片的底层元器件，把晶体管的尺寸降低到更低，努力挑战芯片的物理极限。而设计型的企业则可以结合算法专注于专用芯片的设计和生产，通过专用芯片来进一步的挖掘芯片的性能。

我对未来的大胆预测是这样的，台积电这类生产企业的角色会逐渐向生产商下沉，他们不再关心芯片的用途和功能。他们唯一关心的就是如何才能生产出能耗更低，性能更强，而且价格更便宜的芯片产品。由于无需考虑设计需求。随着元器件的尺寸逐渐逼近物理极限，芯片的价格也会变得极为便宜。另一方面，芯片设计公司将由算法公司逐渐主导，为算法而设计，才能更好的发挥出芯片的硬件资源。芯片设计领域将会变得百花齐放，不同的市场需求将会打破现在的这种巨头垄断的模式。新的格局会让更多优秀的设计公司加入到产业链当中来，形成更大规模的国际合作。到了那个时代，卡脖子这类事情，就很难再发生了在我的猜想当中，未来很有可能会出现一种名叫芯片设计师的职业。这个职业可不是指有能力设计出麒麟9000的科学家。他们其实就是类似于程序员一样的普通工程师，芯片设计的技术门槛将会不断的降低。同时各个企业对于专用芯片设计的需求也会变得越来越多。

芯片就像是一扇连接着物质世界和数字世界的大门，它的一面是传统的可感知的，而另一面则是数字的可计算的。在芯片的帮助下，我们每一个人正在逐渐成为一个横跨物质世界和数字世界的新物种。而且我们属于数字世界的那部分，正在变得越来越多，芯片制造和芯片设计能力是考验一个国家未来竞争力的核心指标之一。

出品｜EDA365

作者｜巢影字幕组

注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载

shapeofyou888 · 发表于 2021-5-6 18:14

芯片的制作过程很麻烦，很惊细

飞行堡垒 · 发表于 2021-5-7 15:21

1000亿刚刚买了个门票

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