制造原子d的原理似乎很简单:让亚临界核材料瞬间超临界,引发连锁裂变反应。但实际执行起来却很困难,哪个国家制造核武器不是举国之力才能取得成果。技术上的困难太多,比如爆炸时如何保持核材料的浓度。原子d一旦引爆,核材料就不能在爆炸时发生飞溅反应,核材料的浓度下降,大量中子逸出,连锁反应停止。这项技术在有核国家中属于最高机密,北朝鲜几十年来一直无法破解这项技术,所以它的核武器一直都是空谈,都是空谈。不要把老一辈科学家的努力想得太简单,他们是真的为国家付出了一切。
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原子d不是商品。他们不为钱而卖。CPU也不一样,一定要挣钱,不挣钱的CPU也没意义。英特尔和ARM已经领先很多年了,有成熟的产品线。就算你能搞出来,那得花多少钱?牵扯到各种成本,还要有利润,价格是多少?相对于英特尔,ARM的成本优势?原子d不是商品,没有专利问题,也不需要在国外市场销售。CPU则不同。
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走在前面的英特尔和ARM,首先设计了指令集和架构,大量的软件和配套芯片都与他们的指令集和架构兼容。如果你想建立一个新的指令集和架构的CPU,最大的问题是没有配套的软件可用。如果你想制造与英特尔-和ARM兼容的cpus,你无法绕过他们的专利,你必须获得他们的许可。开发CPU和原子d也存在同样的困难,这是基础技术、基础工业和配套工业环境。制造原子d需要浓缩铀,需要高速离心机,制造高速离心机需要高强度的钢材,需要高可靠性的轴承和齿轮,高可靠性的轴承和齿轮需要配套的设计软件和高精度机床,高精度的数控机床还需要配套的控制软件,高精度的步进电机,.... . 等等,不一而足。做CPU需要先进的EDA软件,需要配套的半导体制造技术,光刻机就是其中的一个重要环节。开发原子d的一个好处是,不管贸易规则如何,都可以从任何渠道买到。而CPU则不同,你必须遵守贸易规则,否则你的CPU就无法工作。
制造原子d需要浓缩铀,需要高速离心机,制造高速离心机需要高强度的钢材,需要高可靠性的轴承和齿轮,高可靠性的轴承和齿轮需要配套的设计软件和高精度机床,高精度的数控机床还需要配套的控制软件,高精度的步进电机,.... . 等等,不一而足。做CPU需要先进的EDA软件,需要配套的半导体制造技术,光刻机就是其中的一个重要环节。开发原子d的一个好处是,不管贸易规则如何,都可以从任何渠道买到。而CPU则不同,你必须遵守贸易规则,否则你的CPU就无法工作。
手机电脑是我们每天都在使用的东西,而他们中最重要的零件便是处理器。然而随着华为被打压,我国芯片竟一夜之间处于断供的危机之中,而我们能造出飞机航母甚至空间站,为什么就是搞不定一块指甲盖大小的芯片呢?这其中究竟要付出怎样的代价,有多少难题在阻挠我们,让我们跟随本期视频,揭开小小芯片背后不为人知的秘密。
首先让我们来看一个真实的故事,陈进1991年毕业于同济大学,后在1997年获得德州大学奥斯汀分校计算机工程硕士与博士学位,然后他先后来到了美国IBM公司和摩托摩拉公司担任高级主任工程师和芯片设计经理等职位。2001年陈进辞去工作回到中国,并在上海交通大学出任上海交通大学芯片与系统研究中心主任,开始主持研发中国第首个芯片 汉芯一号。本来在预想中研发应该会持续很久,因为毕竟我们和西方技术差距很大,然而仅在两年后的2月份,陈进便在上海召开了发布会,宣布汉芯一号研发成功。
而且他还声称采用国际先进的0.18微米半导体工艺设计,在只有手指指甲一半大小的一个集成块上有250万个器件,而且具有32位运算处理内核,每秒钟可以进行2亿次运算。而后来经过多名院士组成的“863计划”集成电路专项小组组成的鉴定专家组鉴定,陈进手中的芯片的的确确达到了他所说的指标。消息一出举国震动,因为这意味着我国不但突破了技术封锁,甚至还赶超了西方。
因此一夜之间陈进便被授予各种荣誉和头衔,比如上海市科委授予其上海市 科技 创业领军人物和长江学者称号,上海交大微电子学院院长和上海硅知识产权交易中心CEO等,可以说此时此刻陈进身上寄托着全国人民的期待。
然而在2006年1月17日,清华大学的bbs论坛上出现了一个神秘帖子里面宣称陈进的汉芯一号纯属伪造,随后媒体很快根据举报人提供的线索找到了真相,原来陈进的芯片根本不是他自己研发的而是委托他在美国的弟弟向摩托摩拉公司采购的。至于芯片上的标识则是他雇佣民工用砂纸打磨掉再替换后形成的。
而随着事情越闹越大,2006年1月28日, 科技 部、教育部和上海市政府成立专家调查组并开始工作,经过两个月的调查后宣布陈进造假事件属实,至此我国自研芯片遭受了重大损失,但这也从侧面反映出芯片制造难度之高,甚至让专业人士都束手无策,最后走上了造假的道路。
下面我们就来简单讲一下芯片制造究竟难在哪里,首先只要提到芯片,就不得不提起荷兰阿斯麦尔公司。该公司是世界上最大的芯片设计和设备制造商,我们熟知的华为手机中所使用的海思麒麟芯片,便是华为从阿斯麦尔公司购买架构后重新设计改进而成,而用来制造芯片的设备便是我们熟知的光刻机。
今天我们要说的便是当今最先进的极紫外光刻机简称EUV光刻机,而当今世界上唯一能制造它的公司便是阿斯麦尔,其市场份额占有率是百分之一百,也就是说没有任何竞争对手且垄断经营,而造成这种局面的原因便是其众多技术的整合难度和众多零部件生产的高要求。
就拿EUV光刻机来讲,构成它的零部件有十万个之多,其中包括了镜片 系统还有光源等等,而根据这张表中罗列的主要零部件供应商我们可以看见其中的企业无一不是该领域的龙头。比如生产反射镜片的德国蔡司公司,其为EUV光刻机生产的镜片要求误差值极小,小到什么程度呢?假如镜片有地球这么大,那么他们允许的误差就是掉在镜片上的两根头发丝,除此之外它所反射的极紫外光是一种极易被其他物质吸收的光源,就连空气都能轻易吸收它,而极紫外光每经过一次折射都将被削弱30%,这就使得镜片必须有极高的透光性来减少光线的减弱。但就是这样的镜片,竟然需要纯手工打磨。
说完镜片再来看看EUV光刻机的极紫外光源,从这张图我们可以看见,作为第五代光刻机的EUV光刻机比起之前的四代各项数值都实现了极大超越,特别是波长从193一下拉到13.5,而波长越短光线散射就越小,这意味着EUV光刻机能实现更小制程芯片的生产。为此他们发明了一种通过光线每秒5万次轰击滴落的液态金属,从而成功制造极紫外光。其过程便是当前你看见的画面,如果非要举例的话,那就是你要用针在一秒内给从空中落下的一粒米戳五万个孔。
看完这两个例子,相信你已经对光刻机的生产难度有所理解。但俗话说事在人为,我国芯片技术发展落后除了技术上的困难外,便是西方对我们的封锁。就阿斯麦尔公司而言它的股东都是诸如因特尔 三星等企业,其背后的资本也都是美国资本,因此当美国对华为下达禁令时,阿斯麦尔公司也不得不停止供应,甚至还连带着使用它技术的公司也一起行动起来,比如台积电等企业。
但大家不要因此感到失望,我国其实早在2006年就发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定了核心电子器件、高端通用芯片及基础软件,极大规模集成电路制造技术及成套工艺 新一代宽带无线移动通信,高档数控机床与基础制造技术 大型油气田及煤层气开发,大型先进压水堆及高温气冷堆核电站 水体污染控制与治理,转基因生物新品种培育 重大新药创制,艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治 大型飞机,高分辨率对地观测系统 载人航天与探月工程等16个重大专项,而涉及芯片制造加工的相关技术被放到了第一和第二的位置。
如果我们如今再看这个计划表就能发现里面许多计划已经成功实现了,比如大型飞机的运20 载人航天与探月工程等。而对于芯片,则有中科院牵头联合哈尔滨工业大学 中芯国际 上海微电所 长春光机所等,已经先后突破了光源 控制系统等技术。虽然现在差距依旧巨大,但相信在国家和科学家一同努力下我们终究还能像当年研制两d一星那样,再次让世界刮目相看!
说造芯片比原子d其实更多的是说客观性的,芯片是一个完整的产业链,需要多方面合作,那么,芯片生产过程是怎样的?下面我就带来介绍。
为什么说造芯片比造原子d难多了
虽然都是高科技下的产物,但芯片相对于原子d来说,还需要国际合作及产业链,并不是独立工程。
造一颗普通原子d大概需要15公斤的浓缩铀,提取一公斤的武器级的浓缩铀大概需要200吨的油矿,也就是需要三千吨的油矿
芯片完全不一样,它是一个产业链,涉及到很多行业,比如机械、电子、冶金、化工、材料等等半导体芯片制造环节用到的一台设备光刻机,全球目前只有荷兰一家公司能做,但是需要两千多家厂商给它提供零部件
芯片没有办法建立完全本地化的产业链,它是一个国际合作的产物。
芯片生产过程是怎样的
将单晶硅切片打磨形成晶圆,在晶圆上,采用一定的工艺将电路中所需要的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线刻画在晶圆上,就形成了集成电路(integrated circuit,IC),通过对集成电路封装测试便形成了芯片。
一、IC设计
半导体行业发展到现阶段,已经形成了IC设计和IC制造分离的模式,主要原因是建设IC制造厂需要花费高达数亿甚至数十亿美元的巨额投资,并且生产工艺日趋复杂,所以当前半导体行业便形成了IC设计和IC制造的专业化分工模式。
从事IC设计的公司一般被称为“Fabless”(Fabrication(制造)和less(无、没有)的组合),其只负责设计与销售,不负责制造,手机厂商中的华为、苹果、小米以及高通和联发科,都属于Fabless。
IC制造的过程就如同盖房子一样,Fabless负责房子的设计部分。
IC设计可分成几个步骤,依序为:规格制定→逻辑设计→电路布局→布局后模拟→光罩制作。
规格制定
需求端与IC设计工程师对接,并开出需要的IC的规格,以确定IC的功能、IC封装及管脚定义等,而后IC设计工程师开始设计。
逻辑设计
通过EDA软件的帮助,工程师完成逻辑设计图。
电路布局
将逻辑设计图转化为电路图。
布局后模拟
经由软件测试,试验电路是否符合要求。
光罩制作
电路图完成测试后,将电路制作成一片片光罩,完成后的光罩送往IC制造公司。
二、IC制造
IC的线路布局由Fabless设计好之后,就交由Foundry来对晶圆进行加工,将光罩上的电路加工到晶圆上。
我们常说的台积电就是最为典型的Foundry,他们专注芯片制造,发展相关的工艺和制程,Foundry厂商其实就是Fabless厂商的代工方,俗称“代工厂”。
加工晶圆时,可以简单分成几个步骤,依序为:金属溅镀→涂布光阻→蚀刻技术→光阻去除。虽然在实际制造时,制造步骤会复杂的多,使用的材料也有所不同,但是大体上皆采用类似的原理。
金属溅镀
将金属材料均匀洒在晶圆片上,形成薄膜。
涂布光阻
先将光阻材料放在晶圆片上,透过光罩将光束打在不要的部分上,破坏光阻材料结构,再以化学药剂将被破坏的材料洗去。
蚀刻技术
将没有受光阻保护的硅晶圆,以离子束蚀刻。
光阻去除
使用去光阻液将剩下的光阻溶解掉,如此便完成一次流程。
最后便会在一整片晶圆上完成很多IC,接下来只要将完成的方形IC剪下,便可送到封装厂做封装测试。
三、封装测试
经过漫长的流程,从设计到制造,终于获得一颗IC。然而现在的IC相当小且薄,如果不施加保护,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,将不易于安置在电路板上。因此需要对IC进行封装。
目前常见的封装方式有两种,一种是电动玩具内常见的,黑色长得像蜈蚣的DIP封装,另一种为购买盒装CPU时常见的BGA封装。
完成封装后,便要进入测试的阶段,在这个阶段便要确认封装完成的芯片是否能正常的工作,正确无误之后便可出货给组装厂,做成电子产品。至此,芯片便完成了整个生产的任务。
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