关于芯片设计你知道多少？

这是一篇关于半导体行业发展的长篇介绍，文中有些表达上对行业人士来说可能会存在些许不严谨，欢迎交流。

首先要解释两个概念： 芯片设计与芯片代工

它们是有区别的，在这里举个例子：高通、三星、华为都可以设计芯片。这其中，三星是可以自己生产芯片的，而高通和华为，是需要找代工的。

三星和台积电，是两家最广为人知的芯片代工厂。

比如美国高通的芯片，是自己设计的。但它并不生产芯片，比如高通的高端芯片，是交给三星来代工的，华为设计的高端芯片则是交给台积电来代工。

为什么大陆目前生产不了高端芯片？

论芯片设计，我们已经不弱了，华为的麒麟芯片就是自己研发的，在高端芯片上已经算是很强了。

但麒麟芯片的代工却没有找大陆厂商。

因为即使是大陆目前第一的中芯国际，现在也没有能力生产麒麟970芯片。

华为麒麟970芯片，工艺制程是10nm。

关于工艺制程后面会有详细介绍，就是数字越小，说明制程越先进。我们手机里的芯片，制程工艺好不好，决定了芯片的性能。

7nm的芯片，必然比10nm的强，10nm的又强于14nm工艺的。

在2017年，三星和台积电，都掌握了最先进的10nm工艺。所以现在10nm 的生产工艺，是垄断在英特尔、三星和台积电手里的。

而大陆最先进的中芯国际，只能生产最高规格28nm工艺的。

为什么大陆的生产工艺落后？

主要是光刻机： 因为芯片的生产，关键是要光刻机。 说到光刻机这个行业，就不得不提荷兰 的ASML Holding N.V

简单说一下光刻机：

其实早期的光刻机的原理像幻灯机一样简单，就是把光通过带电路图的掩膜 (Mask，后来也叫光罩) 投影到涂有光敏胶的晶圆上（关于晶圆，下面芯片设计中会有详细介绍）。早期 60 年代的光刻，掩膜版是 1:1 尺寸紧贴在晶圆片上，而那时晶圆也只有 1 英寸大小。

因此，光刻那时并不是高 科技 ，半导体公司通常自己设计工装和工具，比如英特尔开始是买 16 毫米摄像机镜头拆了用。只有 GCA, K&S 和 Kasper 等很少几家公司有做过一点点相关设备。

60 年代末，日本的尼康和佳能开始进入这个领域，毕竟当时的光刻不比照相机复杂。

1978 年，GCA 推出真正现代意义的自动化步进式光刻机 (Stepper)，分辨率比投影式高 5 倍达到 1 微米。

但此时的光刻机行业依旧是个小市场，一年卖几十台的就算大厂了。因为半导体厂商就那么多，一台机器又能用好多年。这导致你的机器落后一点，就没人愿意买了。技术领先是夺取市场的关键，赢家通吃。

80 年代一开始，GCA 的 Stepper 还稍微领先，但很快尼康发售了自己首台商用 Stepper NSR-1010G，拥有更先进的光学系统极大提高了产能。两家开始一起挤压了其它厂商的份额。

到了 1984 年，在光刻行业，尼康和 GCA 平起平坐，各享三成市占率。Ultratech 占约一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下几家瓜分剩下的三成。

但转折也发生在这一年，这一年飞利浦在实验室里研发出 stepper 的原型，但是不够成熟。因为光刻市场太小，飞利浦也不能确认它是否有商业价值，去美国和 P&E、GCA、Cobilt、IBM 等谈了一圈也没人愿意合作。

很巧合有家荷兰小公司叫 ASM International 的老板 Arthur Del Prado 听说了有这么回事，主动要求合作。但这家代理出身的公司只有半导体一些经验，对光刻其实不太懂，等于算半个天使投资加半个分销商。飞利浦犹豫了一年时间，最后勉强同意了设立 50:50 的合资公司。1984 年 4 月 1 日 ASML 成立的时候，只有 31 名员工，在飞利浦大厦外面的木板简易房里工作。

ASML 最早成立时的简易平房，后面的玻璃大厦是飞利浦。Credit: ASML

ASML 在 1985 年和蔡司 (Zeiss) 合作改进光学系统，终于在 1986 年推出非常棒的第二代产品 PAS-2500，并第一次卖到美国给当时的创业公司 Cypress，今天的 Nor Flash 巨头。

但接下来的一年，1986 年半导体市场大滑坡，导致美国一帮光刻机厂商都碰到严重的财务问题。ASML 规模还小，所以损失不大，还可以按既有计划开发新产品。但，GCA 和 P&E 这些老牌厂商就顶不住了，它们的新产品开发都停滞了下来。

1988 年 GCA 资金严重匮乏被 General Signal 收购，又过了几年 GCA 找不到买主而破产。1990 年，P&E 光刻部也支撑不下去被卖给 SVG。

1980 年还占据大半壁江山的美国三雄，到 80 年代末地位完全被日本双雄取代。这时 ASML 大约有 10% 的市场占有率。

忽略掉美国被边缘化的 SVG 等公司，90 年代后，一直是 ASML 和尼康的竞争，而佳能在旁边看热闹。

在后来 ASML 推出浸入式 193nm 产品，紧接着尼康也宣布自己的 157nm 产品以及 EPL 产品样机完成。然而，浸入式属于小改进大效果，产品成熟度非常高，而尼康似乎是在做实验，因此几乎没有人去订尼康的新品。

这导致后面尼康的大溃败。尼康在 2000 年还是老大，但到了 2009 年 ASML 已经市占率近 7 成遥遥领先。尼康新产品的不成熟，也间接关联了大量使用其设备的日本半导体厂商的集体衰败。

至于佳能，当它们看到尼康和 ASML 在高端光刻打得如此厉害就直接撤了。直接开发低端光刻市场，直到现在它们还在卖 350nm 和 248nm 的产品，给液晶面板以及模拟器件厂商供货。

再回来，英特尔、三星和台积电之所以能生产 10nm 工艺的芯片，首先是它们能从 ASML 进口到高端的光刻机，用于生产 10nm 芯片。

而大陆没有高端的光刻机，用中低端的光刻机又缺乏技术，所以暂时只能生产工艺相对落后的芯片。

下面我们谈一谈芯片的设计，在谈论设计之前，我们需要知道 CPU、GPU、微架构和指令集 等概念。

CPU的含义，亦即中央处理器，是负责计算机主要运算任务的组件。功能就像人的大脑。可能大家听过CPU有 x86、ARM 这样的分类，前者主要用于PC而后者主要用于手机平板等设备。

CPU执行在计算任务时都需要遵从一定的规范，程序在被执行前都需要先翻译为CPU可以理解的语言。这种语言被称为 指令集 （ISA，Instruction Set Architecture）。程序被按照某种指令集的规范翻译为CPU可识别的底层代码的过程叫做编译（compile）。像x86、ARM v8、MIPS等都是指令集的代号。同时指令集可以被扩展。厂商开发兼容某种指令集的CPU需要指令集专利持有者授权，典型例子如Intel授权AMD，使后者可以开发兼容x86指令集的CPU。

CPU的基本组成单元即为核心（core）核心的实现方式被称为 微架构 （microarchitecture）和指令集类似，像Haswell、Cortex-A15等都是微架构的代号。微架构的设计影响核心（core）可以达到的最高频率、核心在一定频率下能执行的运算量、一定工艺水平下核心的能耗水平等等。

但值得注意的是： 微架构与指令集 是两个不同的概念：指令集是CPU选择的语言，而微架构是具体的实现。

以兼容ARM指令集的芯片为例：ARM公司将自己研发的指令集叫做ARM指令集，同时它还研发具体的微架构，例如Cortex系列并对外授权。

但是，一款CPU使用了ARM指令集并不等于它就使用了ARM研发的微架构。像高通、苹果等厂商都自行开发了兼容ARM指令集的微架构，同时还有许多厂商使用ARM开发的微架构来制造CPU，比如华为的麒麟芯片。通常，业界认为 只有具备独立的微架构研发能力的企业才算具备了CPU研发能力 ，而是否使用自行研发的指令集无关紧要。微架构的研发也是IT产业技术含量最高的领域之一。

以麒麟980为例，最主要的部分就是 CPU 和 GPU 。其中 Cortex-A76 和 Mali-G76 都是华为找ARM买的微架构授权，华为可以自研微架构吗？肯定是可以的，但要想达到苹果那样应用在手机系统上还有很长一段路要走，最起码现在看来是这样，除了自身研发会遇到各种问题外，因为芯片的开发和软件开发一样，需要EDA工具，使用ARM的微构架，它们会提供很多工具，这些东西也挺核心的，所以一旦另起炉灶就需要考虑各个方面的问题。

弄清楚了这些，就可以开始设计芯片了，但这一步也是非常复杂繁琐的。

芯片制造的过程就像盖房子一样，先有 晶圆 作为地基，然后再层层往上叠，经过一系列制造流程后，就可产出必要的 IC 芯片了。

那什么是晶圆呢？

晶圆（wafer）， 是制造各种制式芯片的基础。我们可以将芯片制造看作盖房子，而晶圆就是一个平稳的地基。在固体材料中，有一种特殊的晶体结构──单晶（Monocrystalline）。它的特性就是原子一个接着一个紧密的排列，可以形成一个平整的原子表层。因此，我们采用单晶做成晶圆。但是，该如何产生这样的材料呢，主要有二个步骤，分别为 纯化以及拉晶 ，之后便能完成这样的材料。

纯化分成两个阶段，第一步是冶金级纯化，此一过程主要是加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅。但是，98% 对于芯片制造来说依旧不够，仍需要进一步提升。因此，将再进一步采用 西门子制程（Siemens process） 作纯化，将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。

接着，就是 拉晶 。

首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化，形成液态的硅。然后，以单晶的 硅种（seed） 和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。最后，待离开液面的硅原子凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了。

但一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板，为了产生一片一片的硅晶圆，接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片，圆片再经由抛光便可形成芯片制造所需的硅晶圆。

至于8寸、12寸晶圆又代表什么东西呢？很明显就是指表面经过处理并切成薄圆片后的直径。尺寸愈大，拉晶对速度与温度的要求就更高，制作难度就越高。

经过这么多步骤，芯片基板的制造总算完成了，下一步便是芯片制造了。该如何制作芯片呢？

IC芯片，全名集成电路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是将设计好的电路，以堆叠的方式组合起来。

从上图我们可以看出，底部蓝色的部分就是晶圆，而红色以及土黄色的部分，则是于 IC 制作时要设计的地方，就像盖房子要设计怎样的样式。

然后我们看 红色的部分 ，在 IC 电路中，它是整颗 IC 中最重要的部分，将由多种逻辑闸组合在一起，完成功能齐全的 IC 芯片，因此也可以看作是 根基上的根基 。

而 黄色的部分 ，不会有太复杂的构造，它的主要作用是将红色部分的 逻辑闸相连在一起 。之所以需要这么多层，是因为有太多线路要连结在一起，在单层无法容纳所有的线路下，就要多叠几层来达成这个目标了。在这之中，不同层的线路会上下相连以满足接线的需求。

然后开始制作这些部分：

制作 IC 时，可以简单分成4 种步骤。虽然实际制造时，制造的步骤会有差异，使用的材料也有所不同，但是大体上皆采用类似的原理。

完成这些步骤之后，最后便在一整片晶圆上完成很多 IC 芯片，接下来只要将完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封装厂做封装。

封装：

经过漫长的流程，终于获得一颗 IC 芯片了。然而一颗芯片相当小且薄，如果不在外施加保护，会被轻易的刮伤损坏。此外，因为芯片的尺寸微小，如果不用一个较大尺寸的外壳，不容易安置在电路板上，所以才需要最后的封装。

封装的方式有很多种，常见的有双排直立式封装（Dual Inline Package；DIP），球格阵列（Ball Grid Array，BGA）封装，SoC（System On Chip）封装以及 SiP（System In Packet）封装。

完成封装后，然后还需要进入测试阶段 ，在这个阶段是为了确认封装完的 IC 是否能正常的运作，检测没问题后便可出货给组装厂，做成我们所见的电子产品。

至此，完成整个制作流程。

12月7日，日本佳能宣布将于2023年1月上旬发售面向后道工艺的半导体光刻机新产品——i线步进式光刻机“FPA-5520iV LF2 Option”。

据了解，在半导体芯片的制造工艺中，光刻机负责“曝光”电路图案。在曝光的一系列工艺中，在硅晶圆上制造出半导体芯片的工艺称为前道工艺。

保护精密的半导体芯片不受外部环境的影响，并在安装时实现与外部的电气连接的封装工艺称为后道工艺。

佳能宣布发售新一代i线步进式光刻机：性能大增

佳能介绍，新款i线步进式光刻机通过0.8μm的高解像力和拼接曝光技术，使100 x 100mm的超大视场曝光成为可能，从而实现2.5D和3D技术相结合的超大型高密度布线封装的量产。

和去年4月发售的前一代产品“FPA-5520iV LF Option”相比，新品能够将像差抑制至四分之一以下，视场尺寸也较52x68mm大幅增加。

所谓i线也就是光源来自波长365nm的水银灯，和EUV光刻机使用的13.5nm波长激光等离子体光源区别明显。

按照佳能的说法，除芯片精细化以外，封装的高密度布线也被认为是实现高性能的技术之一。可以预见，随着对更高性能半导体器件的先进封装需求的增加，后道工艺中的半导体光刻机市场将继续扩大。

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