De diameter van een menselijke haar is 70,000 nanometer en de omtrek 220,000 nanometer. Het produceren van chips met een 5-nanometerproces is alsof je 44,000 wegen aanlegt langs een haar.

Auteur: Liu Zhirong Bron: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

Op 15 mei 2020 kondigden de Verenigde Staten een importverbod af voor chips van Huawei. Sindsdien hebben deze chips veel aandacht getrokken van het Chinese publiek. Het verbod trad op 15 september in werking. Wereldberoemde chipfabrikanten zoals TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix en Micron kunnen geen chips meer leveren aan Huawei. Op 16 september publiceerde de Centrale Commissie voor Discipline-inspectie een artikel op haar officiële website waarin stond dat "het stopzetten van de chiplevering aan Huawei mogelijk het begin is van de bloeiperiode van de Chinese chipindustrie."

We hebben het dagelijks over chips, maar weet je eigenlijk wel wat een chip is?

1. Hoe heeft de uitvinding van de chip het menselijk leven veranderd?

Op 23 december 1947 vonden drie wetenschappers van Bell Labs in de Verenigde Staten, John Baden, William Shockley en Walter Bratton, de germaniumkristaltransistor uit, waarmee ze de elektronische wereld het halfgeleidertijdperk binnenleidden. De drie uitvinders van de transistor wonnen in 1956 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

De jaren vijftig waren de gouden eeuw van de halfgeleiders. Vrijwel alle halfgeleidermaterialen en basisprocessen werden in deze periode ontwikkeld.

Op 18 oktober 1954 vond Texas Instruments de transistorradio uit. Deze radio met vier transistors was zo klein dat hij in je zak paste.

Op 12 september 1958 vond Jack Kilby (1923-2005), elektronica-ingenieur bij Texas Instruments, de geïntegreerde schakeling uit en produceerde hij in 1959 met succes 's werelds eerste geïntegreerde schakeling, een chip. Deze geïntegreerde schakeling bestaat uit PNP-transistoren (transistoren), weerstanden en condensatoren die op een germaniumchip zijn geëtst en met externe draden met elkaar zijn verbonden om een ​​circuit te vormen. Deze eenvoudige geïntegreerde schakeling gaf de aanzet tot de chipindustrie, bracht de wetenschap en technologie naar een nieuw hoogtepunt en veranderde de manier van leven van de mens ingrijpend.

De voortdurende vooruitgang in de chipfabricagetechnologie heeft de prijs van een enkele transistor enorm verlaagd. In 1959 zaten er 6 transistors op een chip, wat neerkomt op $10 per transistor; in 1971 waren dat er 2,000, wat neerkomt op $0.3 per transistor; in 2004 zaten er tientallen miljarden transistors op een chip en was de prijs van een enkele transistor gedaald tot een miljardste van een dollar. De verbeterde kosten-prestatieverhouding van chips heeft het mogelijk gemaakt dat chips hun intrede hebben gedaan in de huizen van gewone mensen.

De chip kan worden beschouwd als de grootste uitvinding van de 20e eeuw, en vele andere uitvindingen zijn eveneens op chips gebaseerd. Tegenwoordig leven we in een wereld die volledig door chips wordt omringd, en het zou moeilijk zijn om zonder chips te functioneren.

Chips zijn onlosmakelijk verbonden met het dagelijks leven van mensen. Slimme apparaten zoals mobiele telefoons, computers en smartwatches bevatten chips. Netwerkapparatuur zoals optische modems, routers, USB-sticks, geheugenkaarten en mobiele harde schijven bevatten chips. Ook netwerkapparatuur en computeraccessoires zitten vol chips. Identiteitskaarten, paspoorten, bankpassen, winkelkaarten, verbruikskaarten en andere persoonlijke identificatiekaarten bevatten chips. Televisies, luidsprekers, projectoren, opladers, ledlampen, elektronische weegschalen, airconditioners, koelkasten, magnetrons, inductiekookplaten, boilers en andere huishoudelijke apparaten hebben eveneens chips. Toegangscontrole, bewaking, zonnecellen, enzovoort, hebben ook chips nodig. Als iemand een code zou bedenken die alle chips ter wereld uitschakelt, zou het menselijk leven tot stilstand komen.

Jack Kilby won in 2000 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor de uitvinding van de chip. Hij was ook de uitvinder van de draagbare rekenmachine en de thermische printer. Toen Kilby een wetenschapper werd genoemd, zei hij bescheiden: "Een wetenschapper is iemand die dingen verklaart en geweldige ideeën moet hebben; en ik ben een probleemoplosser, een ingenieur. Mijn taak is om nieuwe processen te bedenken, nieuwe producten te maken en geld te verdienen met uitvindingen en creaties."

2. Om de chip te begrijpen, moet je eerst de "PN-overgang" begrijpen.

Zoals hierboven te zien is, worden elektronische componenten zoals diodes, transistors, weerstanden en condensatoren gemaakt op halfgeleidermaterialen en vervolgens met draden verbonden. Dit is een geïntegreerde schakeling, ook wel een chip genoemd. Om chips te begrijpen, moet je eerst de "PN-overgang" begrijpen, die de kern vormt van de halfgeleidertechnologie.

Wanneer een halfgeleidermateriaal wordt gedoteerd met een vijfwaardig element, neemt de elektronenconcentratie toe, waardoor een N-type halfgeleider ontstaat; wanneer een halfgeleidermateriaal wordt gedoteerd met een driewaardig element, neemt de gatenconcentratie toe, waardoor een P-type halfgeleider ontstaat. "Gat" verwijst naar de lege plek die overblijft in de covalente binding nadat de elektronen in de covalente binding energie opnemen en loskomen van de binding om vrije elektronen te worden.

Nadat de P-type halfgeleider en de N-type halfgeleider dicht bij elkaar zijn gebracht, diffunderen de negatief geladen elektronen en positief geladen gaten naar elkaar toe. Deze diffusie van elektronen en gaten veroorzaakt een intern elektrisch veld op het contactoppervlak. Dit interne elektrische veld remt de diffusie, waardoor de elektronen en gaten terug kunnen bewegen. Wanneer de diffusiesnelheid en de terugdrijvingssnelheid van elektronen en gaten een dynamisch evenwicht bereiken, ontstaat er een "PN-overgang" op het contactoppervlak tussen de P-type halfgeleider en de N-type halfgeleider.

De belangrijkste eigenschap van een "PN-overgang" is "enkelvoudige geleiding". Als het P-type halfgeleideruiteinde als positieve elektrode en het N-type halfgeleideruiteinde als negatieve elektrode wordt gebruikt, kan er stroom door de PN-overgang lopen; als het N-type halfgeleideruiteinde als positieve elektrode en het P-type halfgeleideruiteinde als negatieve elektrode wordt gebruikt, kan er geen stroom door de PN-overgang lopen. Het gebruik van binaire bits in computers wordt bepaald door de werking van de "PN-overgang". Stroom die door de "PN-overgang" loopt, staat voor "1", en stroom die er niet doorheen loopt, staat voor "0".

Een "PN-junctie" is een diode. Als twee P-type halfgeleiders een N-type halfgeleider omsluiten, ontstaat een triode, de eerder genoemde PNP-triode. Als er een P-type halfgeleider tussen twee N-type halfgeleiders zit, ontstaat er natuurlijk een NPN-transistor.

Gewone mensen kunnen het 'echte lichaam' van een chip niet zien. Een chip is zo klein als een haartje en zo groot als een vingernagel. Omdat hij zo dun is, moet hij in een afgesloten behuizing worden verpakt voordat hij op een extern circuit kan worden aangesloten. Wanneer je een computer, tv of ander elektrisch apparaat openmaakt, zie je een grote printplaat. Daarop bevinden zich veel elektronische componenten. Die elektronische componenten met meerdere pinnen zijn chips. Deze pinnen zijn verbonden met de in- en uitgangen van de chip. Sommige pinnen zitten aan beide kanten van de chipbehuizing, sommige aan vier kanten, en sommige zijn in een matrix aan de onderkant gerangschikt, dicht opeengepakt met meer dan 1,000 pinnen.

3. Chips maken is alsof je de aarde en alle wegenbouw uithakt op een rijstkorrel?

Er is een concept dat hier genoemd moet worden, namelijk de wet van Moore. In 1965 stelde Gordon Moore, medeoprichter van de wereldberoemde chipfabrikant Intel Corporation, dat het aantal transistors op een chip elk jaar zou verdubbelen. Later corrigeerde hij dit naar een verdubbeling elke twee jaar. Deze stelling is in de praktijk grotendeels correct gebleken. In 2011 bevatte een Intel Core i7-chip 2.27 miljard transistors. Momenteel overstijgt het aantal transistors op sommige high-end chips de tientallen miljarden. Een paar jaar geleden bevatte de AI-chip WSE, geproduceerd door halfgeleiderfabrikant Cerebras Systems met behulp van TSMC's 16nm-procestechnologie, maar liefst 1.2 biljoen transistors!

"Proces" verwijst naar de breedte van de transistorpoort op de chip, wat we over het algemeen kunnen opvatten als de grootte van de transistor. Hoe kleiner het proces, hoe meer transistors er op één chip kunnen worden gemaakt en hoe groter de geïntegreerde schakeling wordt.

De rekensnelheid van chips blijft toenemen, dankzij de steeds betere integratie ervan. Hoe hoger de integratiegraad van de chip, hoe kleiner de elektronische componenten erop en hoe korter de verbindingen tussen de componenten. Hierdoor wordt de tijd die nodig is voor de stroomdoorgang korter, het energieverbruik lager en de verwerkingssnelheid hoger.

Er zijn drie manieren om een ​​chip meer transistors te laten bevatten. De eerste is het vergroten van het chipoppervlak, de tweede is het verkleinen van de transistors en de derde is het driedimensionaal maken van de geïntegreerde schakeling. Het vergroten van het chipoppervlak wordt over het algemeen niet overwogen, omdat dit het energieverbruik verhoogt en de efficiëntie van de chip vermindert. Tegenwoordig worden vooral de laatste twee methoden gebruikt om het aantal transistors op een chip te vergroten.

Chipfabricage speelt zich af in de microscopische wereld. De elektronische componenten erop zijn zo klein als een paar atomen of moleculen en worden gemeten in nog kleinere meeteenheden, zoals nanometers en angstroms. De kleinste schaal op een gewone liniaal is millimeter. 1 millimeter is gelijk aan 1000 micron, 1 micron is gelijk aan 1000 nanometer en 1 nanometer is gelijk aan 10 angstrom. De diameter van een menselijk haar is 70,000 nanometer en de omtrek 220,000 nanometer. Chips produceren met een proces van 5 nanometer is alsof je 44,000 wegen aanlegt langs een haar.

Er zit een grens aan het verkleinen van elektronische componenten, daarom overwegen mensen om meerlaagse geïntegreerde schakelingen op één chip te bouwen om het aantal transistors te vergroten. Dit is vergelijkbaar met het bouwen van woonhuizen. Een huis met één verdieping biedt plaats aan een klein aantal bewoners, terwijl een gebouw met tientallen verdiepingen een groot aantal bewoners kan huisvesten. Het stapelen van geïntegreerde schakelingen is veel complexer dan het bouwen van een gebouw. ​​De indeling van elke verdieping van het gebouw is hetzelfde, maar de schakelingen van elke laag van de chip zijn verschillend en de verbindingen tussen de lagen zijn extreem complex.

Laten we deze metafoor nog een stap verder nemen: het produceren van chips is als het uithouwen van een complete aarde op een rijstkorrel, waarbij alle wegen en gebouwen op die aarde moeten worden uitgehouwen. De wegen zijn de draden op de chip en de gebouwen zijn de elektronische componenten op de chip. Aan de hand van deze metafoor kunnen lezers zich voorstellen hoe complex en moeilijk het moet zijn om chips te produceren.

4. De zuivering van silicium vormt de basis van de chipindustrie.

Er bestaan ​​veel halfgeleidermaterialen, maar in de praktijk wordt voor meer dan 90% silicium gebruikt, omdat het smeltpunt van silicium 1415 graden Celsius is, wat processen bij hoge temperaturen mogelijk maakt bij de chipfabricage.

Silicium wordt gewonnen uit zand, maar om zand te smelten tot silicium dat gebruikt kan worden voor de productie van chips, is een extreem hoge zuiverheid vereist. We noemen goud met een zuiverheid van 99.99% puur goud (4 negens), maar de zuiverheid van silicium dat gebruikt wordt voor chips moet minstens 11 negens bedragen, dat wil zeggen dat er niet meer dan 1 onzuiverheidsatoom per 1 miljard siliciumatomen mag zijn. Silicium met deze zuiverheid werd in 1955 door Bell Labs in de Verenigde Staten geraffineerd. Tegenwoordig bevatten chips honderden miljarden elektronische componenten, en de eisen aan de zuiverheid van silicium liggen hoger, minstens 13 negens. Dit vormt de basis van de chipfabricage. Zonder de technologie voor siliciumzuivering te beheersen, is het onmogelijk om een ​​chip te maken!

Lezers vragen zich misschien af ​​waarom het silicium dat nodig is voor de productie van chips zo zuiver moet zijn. De elektronische componenten op de chip zijn erg klein. Als de chip wordt geproduceerd met een 5-nanometerproces, zullen onzuiverheden van 1 nanometer de hele chip onbruikbaar maken. Laten we een analogie gebruiken. Als een weg 40 meter breed is en er ligt een grote steen van 1 meter breed midden op de weg, kunnen auto's de steen ontwijken zonder files te veroorzaken. Maar als een weg slechts 5 meter breed is en er ligt een grote steen van 1 meter breed midden op de weg, kunnen auto's de steen niet ontwijken en zal de weg geblokkeerd raken.

Daarom vereist de productie van chips niet alleen silicium van hoge zuiverheid, maar ook dat alle aspecten van het productieproces stofvrij zijn. De zuiverheid is 100,000 keer hoger dan die van een operatiekamer in een ziekenhuis, en de helft van het proces vindt zelfs plaats in een vacuümomgeving. Hierdoor hoefden chipfabrieken tijdens de COVID-19-pandemie niet te sluiten om de epidemie te bestrijden, omdat werknemers van top tot teen beschermd zijn. Sommige beschermende pakken zijn zelfs voorzien van een eigen ademhalingssysteem om te voorkomen dat de chips besmet raken door stofwisselingsproducten en uitgeademde gassen.

5. Is de lithografiemachine in feite een projector met geïntegreerde schakelingen??

De naam "lithografiemachine" is onjuist vertaald en zeer misleidend. Veel mensen denken ten onrechte dat een lithografiemachine geïntegreerde schakelingen in het oppervlak van kristallijn silicium "kerft" door middel van fysiek contact, net zoals bij computergraveren. In werkelijkheid wordt de chip niet "gegraveerd" maar "gefotografeerd". Daarom is het juister om een ​​lithografiemachine een "geïntegreerde-schakelingenprojector" te noemen.

Wanneer de wafer voor de chipfabricage de fotolithografiefase ingaat, projecteert de fotolithografiemachine het patroon van de geïntegreerde schakeling via een masker op de fotogevoelige laag op het oppervlak van de wafer. Nadat de fotogevoelige laag is belicht, wordt het belichte gebied geëtst met een chemische vloeistof en vervolgens gereinigd. Op deze manier ontstaat het patroon van de geïntegreerde schakeling. Het fotolithografieproces is vergelijkbaar met dat van traditionele fotografie. Licht gaat door het negatief om het fotopapier te sensibiliseren, waarna het gesensibiliseerde fotopapier wordt ontwikkeld en gefixeerd in een chemische oplossing.

Een chip moet tientallen, zo niet honderden fotolithografieprocessen doorlopen, en na de fotolithografie volgen nog diverse processen die enkele weken in beslag nemen voordat de chip de verpakkingsfase in kan gaan.

De technologie voor chipfabricage verandert met de dag, maar de meeste kerntechnologieën voor chipfabricage zijn afkomstig van Bell Labs. De bijdrage van Bell Labs aan de informatietechnologierevolutie zal voor altijd in de geschiedenisboeken blijven staan.

7. Kan ik chips maken als ik een fotolithografiemachine heb?

Veel lezers zijn zeer geïnteresseerd in fotolithografiemachines en denken dat chips hiermee gemaakt kunnen worden. In werkelijkheid is dat niet het geval. Hoewel de fotolithografiemachine een belangrijke rol speelt in de chipfabricage, is het slechts één van de meer dan 1,000 processen die bij de chipfabricage betrokken zijn. Zelfs met een fotolithografiemachine kun je, als je de andere processen niet beheerst, nog steeds geen chip maken.

In 1961 produceerde het Amerikaanse bedrijf GCA 's werelds eerste fotolithografiemachine. Momenteel zijn er zeven bedrijven in vier landen die lithografiemachines kunnen produceren, namelijk Asmaier in Nederland, Intel, Super Technology Semiconductor en Rudolf in de Verenigde Staten, Nikon en Canon in Japan, en SusiMicro in Duitsland.

Zoals hierboven vermeld, is de basis van de chipindustrie het materiaal, oftewel de zuivering van silicium. Zonder beheersing van de siliciumzuiveringstechnologie is het onmogelijk om kristallijn silicium met een chipzuiverheid te produceren, en is het dus onmogelijk om chips te maken.

Bovendien bevat de chip honderden miljarden elektronische componenten. Zo'n enorm circuit kan niet handmatig worden ontworpen. Hiervoor moet software voor elektronisch ontwerpautomatisering (EDA) worden gebruikt. EDA is een allesomvattende toepassing van vele disciplines en wordt gedomineerd door drie Amerikaanse bedrijven: Kadant, Synopsys en Mentor Graphics.

EDA speelt een cruciale rol in het chipfabricageproces. De functionaliteit en integratie van de chip zijn volledig afhankelijk van de ontwerpcapaciteiten van EDA. Zelfs met silicium van hoge zuiverheid en fotolithografiemachines, maar zonder EDA of zonder te weten hoe EDA te gebruiken, is het onmogelijk om een ​​chip te maken.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen uit "IoT IQ". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de branche. Het is alleen bedoeld voor herpublicatie en verspreiding en ondersteunt de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen