Diameter rambut manusia ialah 70,000 nanometer dan lilitannya ialah 220,000 nanometer. Pembuatan cip menggunakan proses 5-nanometer adalah seperti membina 44,000 jalan raya di sepanjang sehelai rambut.

Pengarang: Liu Zhirong Sumber: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

Pada 15 Mei 2020, Amerika Syarikat telah mengeluarkan larangan ke atas cip Huawei. Sejak itu, cip telah menarik perhatian meluas daripada rakyat China. Larangan itu berkuat kuasa pada 15 September. Pengeluar cip terkenal dunia seperti TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix dan Micron tidak lagi boleh membekalkan cip kepada Huawei. Pada 16 September, Suruhanjaya Pusat untuk Pemeriksaan Disiplin mengeluarkan artikel di laman web rasminya yang menyatakan bahawa "Pemotongan bekalan cip Huawei mungkin merupakan permulaan nirvana industri cip China."

Kita bercakap tentang kerepek setiap hari, tetapi tahukah anda apa itu kerepek?

1. Bagaimanakah penciptaan cip telah mengubah kehidupan manusia??

Pada 23 Disember 1947, tiga saintis dari Bell Labs di Amerika Syarikat, John Baden, William Shockley dan Walter Bratton, telah mencipta transistor kristal germanium, yang membawa dunia elektronik ke era semikonduktor. Tiga pencipta transistor tersebut memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1956.

Tahun 1950-an merupakan zaman kegemilangan semikonduktor. Hampir semua bahan semikonduktor dan proses asas telah dibangunkan dalam tempoh ini.

Pada 18 Oktober 1954, Texas Instruments mencipta radio transistor. Radio dengan empat transistor ini cukup kecil untuk dimuatkan di dalam poket anda.

Pada 12 September 1958, jurutera elektronik Texas Instruments, Jack Kilby (1923-2005) mencipta litar bersepadu dan berjaya menghasilkan litar bersepadu pertama di dunia, iaitu sebuah cip, pada tahun 1959. Litar bersepadu ini bertujuan untuk mengukir transistor PNP (transistor), perintang dan kapasitor pada cip germanium, dan menggunakan wayar luaran untuk menyambungkannya bagi membentuk litar. Litar bersepadu mudah ini memulakan industri cip, melonjakkan sains dan teknologi manusia ke kemuncak baharu, dan mengubah sepenuhnya cara hidup manusia.

Kemajuan berterusan teknologi pembuatan cip telah banyak mengurangkan harga transistor tunggal. Pada tahun 1959, terdapat 6 transistor pada cip, bersamaan dengan $10 setiap transistor; pada tahun 1971, terdapat 2,000 transistor pada cip, bersamaan dengan $0.3 setiap transistor; pada tahun 2004, terdapat puluhan bilion transistor pada cip, dan harga transistor tunggal jatuh kepada satu persebilion dolar. Peningkatan prestasi kos cip telah membolehkan cip memasuki rumah orang biasa.

Cip boleh dikatakan sebagai ciptaan terhebat abad ke-20, dan banyak ciptaan lain juga berasaskan cip. Hari ini, kita hidup di dunia yang dikelilingi oleh cip, dan sukar untuk bergerak tanpa cip.

Kehidupan seharian manusia tidak dapat dipisahkan daripada cip. Peranti pintar seperti telefon bimbit, komputer dan jam tangan pintar mempunyai cip. Peralatan rangkaian seperti modem optik, penghala, pemacu kilat USB, kad memori dan cakera keras mudah alih mempunyai cip. Terdapat cip dalam peralatan rangkaian dan peranti komputer. Kad pengenalan, pasport, kad bank, kad beli-belah, kad penggunaan dan kad pengenalan peribadi lain mempunyai cip. TV, pembesar suara, projektor, pengecas, lampu LED, penimbang elektronik, penghawa dingin, peti sejuk, ketuhar gelombang mikro, periuk induksi, pemanas air dan peralatan rumah lain juga mempunyai cip. Kawalan akses, pemantauan, sel solar dan sebagainya juga memerlukan cip. Jika seseorang mencipta kod yang melumpuhkan semua cip di dunia, kehidupan manusia akan terhenti.

Jack Kilby memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 2000 kerana mencipta cip tersebut. Beliau juga merupakan pencipta kalkulator pegang tangan dan pencetak haba. Apabila Kilby digelar seorang saintis, beliau berkata dengan rendah hati: "Seorang saintis ialah orang yang menerangkan sesuatu dan mesti mempunyai idea yang hebat; dan saya seorang penyelesai masalah, seorang jurutera. Tugas saya adalah untuk mencipta proses baharu, mengeluarkan produk baharu, dan menjana wang daripada ciptaan dan ciptaan."

2. Untuk memahami cip tersebut, anda mesti terlebih dahulu memahami "simpang PN"

Seperti yang dapat dilihat dari perkara di atas, komponen elektronik seperti diod, transistor, perintang dan kapasitor dibuat pada bahan semikonduktor, dan kemudian disambungkan dengan wayar. Ini adalah litar bersepadu, juga dipanggil cip. Untuk memahami cip, anda mesti terlebih dahulu memahami "simpang PN", yang merupakan teras teknologi semikonduktor.

Apabila bahan semikonduktor didop dengan unsur pentavalen, kepekatan elektron meningkat, membentuk semikonduktor jenis-N; apabila bahan semikonduktor didop dengan unsur trivalen, kepekatan lubang meningkat, membentuk semikonduktor jenis-P. "Lubang" merujuk kepada kekosongan yang ditinggalkan pada ikatan kovalen selepas elektron pada ikatan kovalen memperoleh tenaga dan melepaskan diri daripada belenggu ikatan kovalen untuk menjadi elektron bebas.

Selepas semikonduktor jenis-P dan semikonduktor jenis-N bersentuhan rapat, elektron bercas negatif dan lubang bercas positif meresap ke arah satu sama lain; resapan elektron dan lubang menyebabkan medan elektrik dalaman terbentuk pada permukaan sentuhan, dan medan elektrik dalaman menghalang resapan ini, membolehkan elektron dan lubang hanyut kembali. Apabila kelajuan resapan dan kelajuan hanyut elektron dan lubang mencapai keseimbangan dinamik, "simpang PN" terbentuk pada permukaan sentuhan antara semikonduktor jenis-P dan semikonduktor jenis-N.

Prestasi utama "simpang PN" ialah "kekonduksian tunggal". Jika hujung semikonduktor jenis-P digunakan sebagai elektrod positif dan hujung semikonduktor jenis-N digunakan sebagai elektrod negatif, arus boleh melalui simpang PN; jika hujung semikonduktor jenis-N digunakan sebagai elektrod positif dan hujung semikonduktor jenis-P digunakan sebagai elektrod negatif, arus tidak boleh melalui simpang PN. Penggunaan bit binari dalam komputer ditentukan oleh prestasi "simpang PN". Arus yang melalui "simpang PN" mewakili "1", dan arus yang tidak melalui "simpang PN" mewakili "0".

"Simpang PN" ialah sebuah diod. Jika dua semikonduktor jenis-P mengapit semikonduktor jenis-N, satu triod akan terbentuk, iaitu triod jenis PNP yang dinyatakan di atas. Sudah tentu, jika terdapat semikonduktor jenis-P yang diapit di antara dua semikonduktor jenis-N, ia akan menjadi transistor jenis-N.

Orang biasa tidak dapat melihat "badan sebenar" cip tersebut. Cip tersebut sekecil kelemumur manusia dan sebesar kuku manusia. Oleh kerana ia terlalu nipis, ia mesti dibungkus dalam cangkerang tertutup sebelum ia boleh disambungkan ke litar luaran. Apabila anda membuka komputer, TV atau peralatan elektrik lain, anda dapat melihat papan litar yang besar. Terdapat banyak komponen elektronik pada papan litar. Komponen elektronik dengan berbilang pin tersebut adalah cip. Pin ini disambungkan ke terminal input dan output cip. Ada yang berada di kedua-dua belah pakej cip, ada yang berada di empat sisi, dan ada yang disusun dalam matriks di bahagian bawah, padat dengan lebih daripada 1,000 pin.

3. Membuat kerepek umpama mengukir tanah dan semua bangunan jalan raya di atas sebutir beras??

Terdapat satu konsep yang perlu disebut di sini, iaitu "Hukum Moore". Pada tahun 1965, Gordon Moore, pengasas bersama pengeluar cip terkenal di dunia, Intel Corporation, mencadangkan bahawa bilangan transistor pada satu cip akan berganda setiap tahun. Beliau kemudiannya membetulkannya kepada berganda setiap dua tahun. Penghakiman ini telah disahkan melalui amalan sebagai betul pada asasnya. Pada tahun 2011, terdapat 2.27 bilion transistor pada cip Intel Core i7. Pada masa ini, bilangan transistor pada beberapa cip mewah melebihi puluhan bilion. Beberapa tahun yang lalu, cip AI WSE yang dihasilkan oleh pengeluar semikonduktor Cerebras Systems menggunakan teknologi proses 16nm TSMC telah menyepadukan 1.2 trilion transistor!

"Proses" merujuk kepada lebar get transistor pada cip, yang secara amnya boleh difahami sebagai saiz transistor. Lebih kecil prosesnya, lebih banyak transistor boleh dibuat pada satu cip, dan lebih besar litar bersepadunya.

Kelajuan pengkomputeran cip terus meningkat, hasil daripada peningkatan integrasi cip. Semakin tinggi tahap integrasi cip, semakin kecil komponen elektronik di atasnya, dan semakin pendek wayar antara komponen elektronik. Masa yang diperlukan untuk arus mengalir dipendekkan, penggunaan tenaga dikurangkan, dan kelajuan pemprosesan dipercepatkan.

Terdapat tiga cara untuk menjadikan cip mempunyai lebih banyak transistor. Satu adalah dengan meningkatkan luas cip, satu lagi adalah dengan mengurangkan saiz transistor, dan yang ketiga adalah dengan menjadikan litar bersepadu tiga dimensi. Meningkatkan luas cip secara amnya tidak dipertimbangkan kerana ia akan meningkatkan penggunaan tenaga dan mengurangkan kecekapan cip. Pada masa kini, orang ramai kebanyakannya menggunakan dua kaedah terakhir untuk meningkatkan bilangan transistor pada cip.

Pembuatan cip tergolong dalam dunia mikroskopik, dan komponen elektronik di atasnya sekecil beberapa atom atau molekul, dan diukur dalam unit ukuran yang lebih kecil, nanometer dan angstrom. Skala terkecil pada pembaris am ialah milimeter, 1 milimeter bersamaan dengan 1000 mikron, 1 mikron bersamaan dengan 1000 nanometer, dan 1 nanometer bersamaan dengan 10 angstrom. Diameter rambut manusia ialah 70,000 nanometer dan lilitannya ialah 220,000 nanometer. Pembuatan cip menggunakan proses 5-nanometer adalah seperti membina 44,000 jalan di sepanjang sehelai rambut.

Terdapat had untuk mengurangkan saiz komponen elektronik, jadi orang ramai mempertimbangkan untuk membina litar bersepadu berbilang lapisan pada satu cip untuk meningkatkan bilangan transistor. Ini seperti membina bangunan kediaman. Sebuah rumah setingkat boleh menampung sebilangan kecil penghuni, manakala bangunan dengan berpuluh-puluh tingkat boleh menampung sebilangan besar penghuni. Susunan litar bersepadu adalah jauh lebih rumit daripada membina bangunan. Susun atur setiap tingkat bangunan adalah sama, tetapi litar setiap lapisan cip adalah berbeza, dan sambungan antara lapisan adalah sangat kompleks.

Mari kita bawa metafora ini selangkah lebih jauh: pembuatan cip adalah seperti mengukir tanah yang lengkap di atas sebutir beras, dan semua jalan raya dan bangunan di bumi mesti diukir. Jalan raya adalah wayar pada cip, dan bangunan adalah komponen elektronik pada cip. Melalui metafora ini, pembaca dapat membayangkan betapa rumit dan sukarnya untuk membuat cip.

4. Penulenan silikon merupakan asas industri cip

Terdapat banyak bahan semikonduktor, tetapi dalam aplikasi praktikal, lebih daripada 90% daripadanya menggunakan silikon kerana takat lebur silikon ialah 1415 darjah Celsius, yang membolehkan proses suhu tinggi dalam pemprosesan cip.

Silikon dileburkan daripada pasir, tetapi untuk meleburkan pasir menjadi silikon yang boleh digunakan untuk membuat cip memerlukan ketulenan yang sangat tinggi. Kita memanggil emas dengan ketulenan 99.99% emas tulen (4 sembilan), tetapi ketulenan silikon yang digunakan untuk membuat cip mesti mencapai sekurang-kurangnya 11 sembilan, iaitu, mesti ada tidak lebih daripada 1 atom bendasing bagi setiap 1 bilion atom silikon. Silikon dengan ketulenan ini telah ditapis oleh Bell Labs di Amerika Syarikat pada tahun 1955. Pada masa ini terdapat ratusan bilion komponen elektronik pada cip, dan keperluan ketulenan untuk silikon adalah lebih tinggi, sekurang-kurangnya 13 sembilan. Inilah asas pembuatan cip. Tanpa menguasai teknologi penulenan silikon, mustahil untuk mencipta cip!

Pembaca mungkin bertanya, mengapa silikon diperlukan untuk membuat cip begitu tulen? Komponen elektronik pada cip adalah sangat kecil. Jika cip dihasilkan menggunakan proses 5-nanometer, bendasing 1 nanometer akan memusnahkan keseluruhan cip. Mari kita lukiskan analogi. Jika jalan raya selebar 40 meter dan terdapat batu besar selebar 1 meter di tengah jalan, kereta boleh mengelak batu tersebut tanpa menyebabkan kesesakan lalu lintas. Walau bagaimanapun, jika jalan raya hanya selebar 5 meter dan terdapat batu besar selebar 1 meter di tengah jalan, kereta tidak akan dapat mengelak batu tersebut, dan jalan raya akan tersekat.

Oleh itu, pembuatan cip bukan sahaja memerlukan ketulenan silikon yang tinggi, tetapi juga memerlukan semua aspek proses pembuatan bebas habuk. Ketulenannya adalah 100,000 kali ganda daripada bilik pembedahan pembedahan hospital, dan separuh daripada proses tersebut dilakukan dalam persekitaran vakum. Oleh kerana itu, kilang pembuatan cip tidak perlu ditutup semasa wabak COVID-19 untuk melawan wabak ini, kerana pekerja dilindungi dari kepala hingga kaki, dan beberapa sut pelindung juga dilengkapi dengan sistem pernafasan mereka sendiri untuk mengelakkan cip daripada tercemar oleh pelepasan metabolisme manusia dan gas yang dihembus keluar.

5. Adakah mesin litografi itu sebenarnya projektor litar bersepadu??

Nama "mesin litografi" diterjemahkan secara tidak tepat dan sangat mengelirukan. Ramai orang tersilap percaya bahawa mesin litografi "mengukir" litar bersepadu pada permukaan silikon kristal melalui sentuhan fizikal, sama seperti ukiran komputer. Malah, cip tersebut tidak "diukir" tetapi "difoto". Oleh itu, adalah lebih sesuai untuk memanggil mesin litografi sebagai "projektor litar bersepadu".

Apabila wafer untuk pembuatan cip memasuki peringkat proses fotolitografi, mesin fotolitografi memproyeksikan corak litar bersepadu ke atas fotoresist pada permukaan wafer melalui topeng. Selepas fotoresist terdedah, kawasan yang terdedah diukir dengan cecair kimia dan kemudian dibersihkan. Dengan cara ini, corak litar bersepadu keluar. Proses fotolitografi adalah sama seperti fotografi tradisional. Cahaya melalui negatif untuk memekakan kertas fotografi, dan kemudian kertas fotografi yang diperkakan dibangunkan dan ditetapkan dalam larutan kimia.

Cip perlu melalui berpuluh-puluh atau beratus-ratus fotolitografi, dan beberapa proses selepas fotolitografi akan mengambil masa beberapa minggu sebelum ia boleh memasuki peringkat pembungkusan.

Teknologi pembuatan cip berubah setiap hari, tetapi kebanyakan teknologi teras untuk pembuatan cip berasal dari Bell Labs. Sumbangan Bell Labs kepada revolusi teknologi maklumat akan kekal terpahat dalam sejarah selama-lamanya.

7. Bolehkah saya membuat cip jika saya mempunyai mesin fotolitografi? ??

Ramai pembaca sangat berminat dengan mesin fotolitografi dan berpendapat bahawa cip boleh dibuat dengan mesin fotolitografi. Malah, ini tidak berlaku. Walaupun mesin fotolitografi memainkan peranan penting dalam pembuatan cip, ia hanya salah satu daripada lebih 1,000 proses dalam pembuatan cip. Dengan mesin fotolitografi, jika anda gagal menguasai proses lain, anda masih tidak boleh membuat cip.

Pada tahun 1961, syarikat GCA Amerika telah mengeluarkan mesin fotolitografi pertama di dunia. Pada masa ini, terdapat 7 syarikat di 4 negara di dunia yang boleh mengeluarkan mesin litografi, iaitu Asmaier di Belanda, Intel, Super Technology Semiconductor, Rudolf di Amerika Syarikat, Nikon dan Canon di Jepun, dan SusiMicro di Jerman.

Seperti yang dinyatakan di atas, asas industri cip adalah bahan, iaitu penulenan silikon. Tanpa menguasai teknologi penulenan silikon, mustahil untuk menghasilkan silikon kristal dengan ketulenan tahap cip, dan mustahil untuk membuat cip.

Tambahan pula, terdapat ratusan bilion komponen elektronik pada cip tersebut. Litar sebesar itu tidak boleh dilukis secara manual. Perisian automasi reka bentuk elektronik EDA mesti digunakan. EDA ialah aplikasi komprehensif bagi pelbagai disiplin semula jadi dan dimonopoli oleh tiga syarikat Amerika: Kadant, Synopsys dan Mentor Graphics.

EDA memainkan peranan penting dalam proses pembuatan cip. Fungsi dan penyepaduan cip bergantung sepenuhnya pada keupayaan reka bentuk EDA. Dengan mesin silikon dan fotolitografi berketulenan tinggi, tetapi tanpa EDA atau tidak mengetahui cara menggunakan EDA, anda masih tidak boleh membuat cip.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "IoT IQ". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk cetakan semula dan perkongsian serta menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan penulis untuk cetakan semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.

Nombor telefon syarikat: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
SQ: 3518641314 Pengurus Li

QQ: 332496225 Pengurus Qiu

Alamat: Bilik 809, Bangunan C, Bangunan Teknologi Zhantao, No. 1079 Minzhi Avenue, Daerah Baharu Longhua, Shenzhen