浮光掠影，说说中国的半导体产业 （二）

浮光掠影，说说中国的半导体产业 （二）

2017.02.13

为了说明问题的便利和提供看问题的参照，必须要交代一下半导体的一些背景知识。这里尽量简单到位，假如有没说清楚的请指教，可以后续解释跟进。上篇说了，半导体的门类广泛, 技术演进迅速，因此无需纠缠老的已经”成熟”的东西，直奔前沿。

先说耳熟能详的所谓“线条”和“摩尔定律”（确切说是经验规律）。 现在说的第一类别半导体（见上篇）就是指大规模集成电路。一块大拇指指甲大小的芯片目前集成晶体管(台湾叫电晶体)数目在10亿数量级，再大的芯片可达近100亿。每个晶体管就是一个开关， 这么多开关协同运作就完成了一系列的逻辑运算。作个粗略的比喻，拇指指甲大小的芯片的晶体管密度，类似于假设给每个中国人1米见方的面积，紧密站在一起，全国的人就站在香港略大的一片地方。这只是一个芯片， 在一个12吋晶圆上可以有几百个这样的芯片。也就是说，它可以等效容纳近百个地球的人口。这还只是一片晶圆，台积电2015年的产能就达到900万片等效12吋，去估算一下，光是一个代工厂一年生产的晶体管数量是多少。天文数字。

一个芯片里，除了这么多的晶体管，还需要用导线将它们连起来才能做成功能电路。放大到一个晶体管等效每人1米长宽地盘，每根导线在30多公分宽，间隔也相同，想象一下一个香港大小的地方能有多少条这样的导线平行排列。这还不够，还必须有10层以上这样的导线立体交叉才能完成连接。集中在一个拇指甲大小的范围，这些导线的总长度会达到十几公里.

晶体管的大小（严格讲是控制开关的晶体管栅极的线宽）和导线的线宽决定了集成度。显然，更多的晶体管能集成到相同大小芯片，后者的功能就能提高。栅极的线宽在现在的CMOS集成电路还直接同晶体管的开关速度－即芯片运算速度－相关，越小的线宽越快。再者，上亿的晶体管在高速运行，就需要大电流。晶体管运行越快耗能越多，这部分能量最终转换成热。例如，台式机CPU／GPU的功耗（TDP）在上百到几百瓦，哪怕在外界散热良好的情况下，芯片内的温度接近上百摄氏度。芯片温度偌能降低在同样的条件下速度就可以提高，反之，温度失控将最终导致芯片失效。

因此，决定一个芯片性能和成本的是三个具挑战性又相互矛盾的因素：芯片尺寸，速度和功耗。解决这之间的矛盾，追求性能／成本的最大化是推动线宽不断减小的动力。其基本思路是，线宽减少能提高集成度和速度，在保持甚至降低尺寸的前提下增强芯片功能。同时允许晶体管在较低的电压下高速运行，从而减少功耗。新设备的投资成本在一定时期里通过量产和性价比的竞争力得以回收，最终的利润将超过老技术（cross-over）。Intel的Gordon Moore 有心发现了这个规律，并以此外推，预测集成电路的晶体管密度每两年左右提高一倍。后来的发展基本印证了预测，于是成了”law”. 而这两年左右的周期也被称为半导体的一代。因为密度的提高对应于线宽的减少，最小线宽就成了某一代的表征， 如现在的14nm, 7nm, 下一代的5nm.

要高效精确制造巨量的管子和连线，靠的是类似老式照相的技术。光通过和底片类似的掩模版（台湾叫光罩）在硅片上传递图形再进而通过物理化学手段刻蚀出管子或连线。这个图形曝光形成过程就叫光刻。能光刻出多小的线条，除其他因素外最主要的是光源的波长，短波长对应细线条。完成一个完整的集成电路，需要完成多层的结构，因此就需要多次的光刻，可见光刻的重要性。现在较新的制程需要至少六十几道掩模版（即这么多次光刻）， 每一层还必须准确对齐。目前主流先进的是深紫外193nm光源，但若进一步缩小线条193在经济和技术上都已经遇到瓶颈， 新技术的实用化在延后，就是媒体上说的Moore's Law被颠覆了。

支撑集成电路制造，有着长长的产业链。从原始晶圆的制造开始（多晶硅，拉单晶，切片抛光），经过制程制造，到测试（裸晶圆测试和封装后的测试）和封装。封装根据性能需要有不同的方式，已越来越复杂, 测试也越来越复杂冗长。制程阶段需要多种高纯的化学材料和气体（元素周期表上越来越多的元素被利用起来），掩模版光刻胶，高度洁净的厂房和各种制程设备。制程设备除了光刻机，还有刻蚀图形的刻蚀机，改变半导体电性能的离子注入机，铺设多层不同导体绝缘体的淀积外延设备，各层材料平坦化的化学机械抛光机以及保证良率的在线检测观察设备等等。不少这些设备都是高真空高精密设备。

背景就交代到这儿。为了同军事沾上边（其实这行军用民用的界线并不清晰），说一点其他的。军事用途的器件不少并不需要遵循Moore’s Law. 如CCD或CMOS传感器，每个传感器单元（像素）不是越小越好，懂相机的都知道。同时，军用对成本没那么敏感。于是当长春光机所展示高性能尺寸巨大的高清卫星用传感器芯片，就不需要那么‘惊讶’，也无需怀疑中国高清卫星的能力。其实，更难的可能是大直径碳化硅反射镜。还有如战机上和格斗弹的光电传感器，雷达的T/R单元，固体激光器等等，主要是材料上的挑战。就算是数据处理计算机，也未必需要服务器或超算这样的效能。J20/F35玻璃平显用的图形处理器一定不会比你电脑里的GPU先进。但是，军用的有其专门的要求，高可靠性是其中之一，航天用的器件对抗辐射的要求很高。假如拿日本的单反同中国卫星相机比就会十分可笑，因为各自有各自的特长。