Średnica ludzkiego włosa wynosi 70 000 nanometrów, a obwód 220 000 nanometrów. Produkcja chipów w procesie 5-nanometrowym przypomina budowę 44 000 dróg wzdłuż włosa.

Autor: Liu Zhirong Źródło: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

15 maja 2020 roku Stany Zjednoczone wprowadziły zakaz na chipy Huawei. Od tego czasu chipy te cieszą się powszechnym zainteresowaniem Chińczyków. Zakaz wszedł w życie 15 września. Znani na całym świecie producenci chipów, tacy jak TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix i Micron, nie mogą już dostarczać chipów Huawei. 16 września Centralna Komisja Kontroli Dyscypliny opublikowała na swojej oficjalnej stronie internetowej artykuł, w którym stwierdziła, że ​​„przerwanie dostaw chipów Huawei może być początkiem nirwany chińskiego przemysłu chipowego”.

O chipsach rozmawiamy codziennie, ale czy wiesz, czym są chipsy?

1. W jaki sposób wynalezienie chipa zmieniło życie człowieka?

23 grudnia 1947 roku trzej naukowcy z Bell Labs w Stanach Zjednoczonych, John Baden, William Shockley i Walter Bratton, wynaleźli tranzystor germanowy, wprowadzając świat elektroniki w erę półprzewodników. Trzej wynalazcy tranzystora otrzymali w 1956 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Lata 1950. XX wieku były złotym wiekiem półprzewodników. W tym okresie opracowano niemal wszystkie materiały półprzewodnikowe i podstawowe procesy.

18 października 1954 roku firma Texas Instruments wynalazła radio tranzystorowe. To radio z czterema tranzystorami było na tyle małe, że mieściło się w kieszeni.

12 września 1958 roku inżynier elektronik z Texas Instruments, Jack Kilby (1923–2005), wynalazł układ scalony i w 1959 roku z powodzeniem wyprodukował pierwszy na świecie układ scalony – chip. Ten układ scalony polega na wytrawieniu tranzystorów PNP, rezystorów i kondensatorów na chipie germanowym, a następnie wykorzystaniu zewnętrznych przewodów do ich połączenia w celu utworzenia obwodu. Ten prosty układ scalony zapoczątkował przemysł chipów, wyniósł naukę i technologię na nowy poziom i całkowicie odmienił ludzki styl życia.

Ciągły postęp technologii produkcji układów scalonych znacznie obniżył cenę pojedynczego tranzystora. W 1959 roku na chipie znajdowało się 6 tranzystorów, co odpowiadało 10 dolarom za tranzystor; w 1971 roku na chipie znajdowało się 2,000 tranzystorów, co odpowiadało 0.3 dolara za tranzystor; w 2004 roku na chipie znajdowały się dziesiątki miliardów tranzystorów, a cena pojedynczego tranzystora spadła do jednej miliardowej dolara. Poprawa opłacalności układów scalonych umożliwiła ich wprowadzenie do domów zwykłych ludzi.

Chip można uznać za największy wynalazek XX wieku, a wiele innych wynalazków również opiera się na chipach. Dziś żyjemy w świecie pełnym chipów i bez nich trudno byłoby się poruszać.

Codzienne życie ludzi jest nierozerwalnie związane z chipami. Inteligentne urządzenia, takie jak telefony komórkowe, komputery i smartwatche, również zawierają chipy. Urządzenia sieciowe, takie jak modemy optyczne, routery, pamięci USB, karty pamięci i mobilne dyski twarde, również zawierają chipy. Chipy znajdują się również w sprzęcie sieciowym i urządzeniach peryferyjnych komputerów. Dowody osobiste, paszporty, karty bankowe, karty zakupowe, karty konsumpcyjne i inne dowody osobiste również zawierają chipy. Telewizory, głośniki, projektory, ładowarki, diody LED, wagi elektroniczne, klimatyzatory, lodówki, kuchenki mikrofalowe, kuchenki indukcyjne, podgrzewacze wody i inne urządzenia gospodarstwa domowego również zawierają chipy. Kontrola dostępu, monitoring, ogniwa słoneczne itp. również wymagają chipów. Gdyby ktoś wynalazł kod, który dezaktywowałby wszystkie chipy na świecie, ludzkie życie by się zatrzymało.

Jack Kilby otrzymał w 2000 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie układu scalonego. Był również wynalazcą kalkulatora przenośnego i drukarki termicznej. Kiedy Kilby'ego nazwano naukowcem, powiedział skromnie: „Naukowiec to osoba, która wyjaśnia rzeczy i musi mieć świetne pomysły; a ja jestem inżynierem, który rozwiązuje problemy. Moim obowiązkiem jest opracowywanie nowych procesów, wytwarzanie nowych produktów i zarabianie na wynalazkach i dziełach”.

2. Aby zrozumieć działanie układu scalonego, należy najpierw zrozumieć „złącze PN”

Jak widać z powyższego, elementy elektroniczne, takie jak diody, tranzystory, rezystory i kondensatory, są wykonane z materiałów półprzewodnikowych, a następnie połączone przewodami. Jest to układ scalony, zwany również chipem. Aby zrozumieć działanie chipów, należy najpierw zrozumieć „złącze p-n”, które stanowi rdzeń technologii półprzewodnikowej.

Gdy materiał półprzewodnikowy jest domieszkowany pierwiastkiem pięciowartościowym, koncentracja elektronów wzrasta, tworząc półprzewodnik typu N; gdy materiał półprzewodnikowy jest domieszkowany pierwiastkiem trójwartościowym, koncentracja dziur wzrasta, tworząc półprzewodnik typu P. „Dziura” odnosi się do wakatu pozostałego w wiązaniu kowalencyjnym po tym, jak elektrony w wiązaniu kowalencyjnym uzyskają energię i oderwą się od jego wiązań, stając się wolnymi elektronami.

Po bliskim zetknięciu się półprzewodnika typu P i półprzewodnika typu N, ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane dziury dyfundują do siebie; dyfuzja elektronów i dziur powoduje powstanie wewnętrznego pola elektrycznego na powierzchni styku, które zapobiega tej dyfuzji, umożliwiając elektronom i dziurom dryfowanie. Gdy prędkość dyfuzji i prędkość dryfu elektronów i dziur osiągną równowagę dynamiczną, na powierzchni styku między półprzewodnikiem typu P a półprzewodnikiem typu N powstaje „złącze PN”.

Główną cechą złącza PN jest „pojedyncza przewodność”. Jeśli koniec półprzewodnika typu P jest użyty jako elektroda dodatnia, a koniec półprzewodnika typu N jako elektroda ujemna, prąd może przepływać przez złącze PN; jeśli koniec półprzewodnika typu N jest użyty jako elektroda dodatnia, a koniec półprzewodnika typu P jako elektroda ujemna, prąd nie może przepływać przez złącze PN. Wykorzystanie bitów binarnych w komputerach zależy od wydajności złącza PN. Prąd przepływający przez złącze PN oznacza „1”, a prąd nieprzepływający przez złącze PN oznacza „0”.

Złącze PN to dioda. Jeśli dwa półprzewodniki typu P połączą półprzewodnik typu N, powstanie trioda, czyli wspomniana powyżej trioda typu PNP. Oczywiście, jeśli półprzewodnik typu P zostanie umieszczony pomiędzy dwoma półprzewodnikami typu N, powstanie tranzystor typu NPN.

Zwykli ludzie nie widzą „prawdziwej struktury” układu scalonego. Układ jest wielkości ludzkiego łupieżu i wielkości ludzkiego paznokcia. Ponieważ jest zbyt cienki, musi być zamknięty w szczelnej obudowie, zanim będzie można go podłączyć do zewnętrznego obwodu. Po otwarciu komputera, telewizora lub innego urządzenia elektrycznego można zobaczyć dużą płytkę drukowaną. Na płytce znajduje się wiele elementów elektronicznych. Te elementy elektroniczne z wieloma pinami to układy scalone. Piny te są podłączone do zacisków wejściowych i wyjściowych układu scalonego. Niektóre znajdują się po obu stronach obudowy układu scalonego, inne po czterech stronach, a jeszcze inne są ułożone w matrycy na dole, gęsto upakowanej ponad 1,000 pinami.

3. Produkcja chipsów jest jak rzeźbienie ziemi i dróg w ziarenku ryżu??

Warto tu wspomnieć o pewnej koncepcji – „prawie Moore’a”. W 1965 roku Gordon Moore, współzałożyciel znanego na całym świecie producenta układów scalonych Intel Corporation, zaproponował, aby liczba tranzystorów w pojedynczym układzie scalonym podwajała się co rok. Później skorygował tę hipotezę, twierdząc, że podwaja się co dwa lata. Praktyka potwierdziła, że ​​ta hipoteza jest zasadniczo prawidłowa. W 2011 roku układ Intel Core i7 zawierał 2.27 miliarda tranzystorów. Obecnie liczba tranzystorów w niektórych układach high-end przekracza dziesiątki miliardów. Kilka lat temu układ AI WSE, wyprodukowany przez producenta półprzewodników Cerebras Systems w technologii 16 nm firmy TSMC, zawierał 1.2 biliona tranzystorów!

„Proces” odnosi się do szerokości bramki tranzystora na chipie, którą ogólnie można rozumieć jako rozmiar tranzystora. Im mniejszy proces, tym więcej tranzystorów można umieścić na jednym chipie, a tym samym większy staje się układ scalony.

Prędkość obliczeniowa układów scalonych stale rośnie dzięki rosnącej integracji. Im wyższy poziom integracji układu scalonego, tym mniejsze są jego komponenty elektroniczne i krótsze przewody między nimi. Czas przepływu prądu ulega skróceniu, zużycie energii ulega zmniejszeniu, a prędkość przetwarzania wzrasta.

Istnieją trzy sposoby na zwiększenie liczby tranzystorów w układzie scalonym. Pierwszym z nich jest zwiększenie powierzchni układu scalonego, drugim zmniejszenie ich rozmiaru, a trzecim nadanie układowi scalonemu trójwymiarowości. Zwiększanie powierzchni układu scalonego jest zazwyczaj pomijane, ponieważ zwiększałoby to zużycie energii i obniżało jego wydajność. Obecnie, aby zwiększyć liczbę tranzystorów w układzie scalonym, stosuje się głównie dwie ostatnie metody.

Produkcja chipów należy do świata mikroskopijnego, a komponenty elektroniczne w nich zawarte są tak małe, jak zaledwie kilka atomów lub cząsteczek, i mierzone w mniejszych jednostkach miary, nanometrach i angstremach. Najmniejszą skalą na linijce są milimetry: 1 milimetr to 1000 mikronów, 1 mikron to 1000 nanometrów, a 1 nanometr to 10 angstremów. Średnica ludzkiego włosa wynosi 70 000 nanometrów, a obwód 220 000 nanometrów. Produkcja chipów w procesie 5-nanometrowym przypomina budowę 44 000 dróg wzdłuż włosa.

Zmniejszanie rozmiarów elementów elektronicznych jest ograniczone, dlatego ludzie rozważają budowę wielowarstwowych układów scalonych na jednym chipie, aby zwiększyć liczbę tranzystorów. To jak budowanie budynków mieszkalnych. Dom parterowy może pomieścić niewielką liczbę mieszkańców, podczas gdy budynek z kilkudziesięcioma piętrami może pomieścić dużą liczbę mieszkańców. Układanie układów scalonych w stos jest znacznie bardziej skomplikowane niż budowa budynku. Układ każdej kondygnacji budynku jest taki sam, ale obwody każdej warstwy chipa są różne, a połączenia między warstwami niezwykle złożone.

Rozwińmy tę metaforę o krok dalej: produkcja chipów jest jak wyrzeźbienie całej ziemi na ziarenku ryżu, a wszystkie drogi i budynki na ziemi muszą zostać wyrzeźbione. Drogi to przewody na chipie, a budynki to elementy elektroniczne na chipie. Dzięki tej metaforze czytelnicy mogą sobie wyobrazić, jak złożona i trudna musi być produkcja chipów.

4. Oczyszczanie krzemu jest podstawą przemysłu chipowego

Istnieje wiele materiałów półprzewodnikowych, ale w zastosowaniach praktycznych ponad 90% z nich wykorzystuje krzem, ponieważ temperatura topnienia krzemu wynosi 1415 stopni Celsjusza, co umożliwia stosowanie procesów wysokotemperaturowych w obróbce układów scalonych.

Krzem wytapia się z piasku, ale aby przetopić piasek na krzem nadający się do produkcji chipów, wymagana jest niezwykle wysoka czystość. Złoto nazywamy złotem o czystości 99.99% (4 dziewiątki), ale czystość krzemu używanego do produkcji chipów musi wynosić co najmniej 11 dziewiątek, co oznacza, że ​​na miliard atomów krzemu nie może przypadać więcej niż 1 atom domieszki. Krzem o takiej czystości został oczyszczony przez Bell Labs w Stanach Zjednoczonych w 1955 roku. Obecnie na chipie znajdują się setki miliardów elementów elektronicznych, a wymagania dotyczące czystości krzemu są wyższe i wynoszą co najmniej 13 dziewiątek. To podstawa produkcji chipów. Bez opanowania technologii oczyszczania krzemu stworzenie chipa jest niemożliwe!

Czytelnicy mogą zapytać, dlaczego krzem jest potrzebny do produkcji chipów o tak dużej czystości? Elementy elektroniczne w chipie są bardzo małe. Jeśli chip jest produkowany w procesie 5-nanometrowym, zanieczyszczenia o wielkości 1 nanometra zniszczą cały chip. Przeprowadźmy analogię. Jeśli droga ma 40 metrów szerokości, a na jej środku leży duży kamień o szerokości 1 metra, samochody mogą ominąć kamień bez powodowania korków. Jeśli jednak droga ma tylko 5 metrów szerokości, a na jej środku leży duży kamień o szerokości 1 metra, samochody nie będą mogły ominąć kamienia i droga zostanie zablokowana.

Dlatego produkcja chipów wymaga nie tylko wysokiej czystości krzemu, ale także zapewnienia, że ​​wszystkie aspekty procesu produkcyjnego są wolne od pyłu. Jego czystość jest 100 000 razy większa niż w sali operacyjnej szpitala, a połowa procesu odbywa się w warunkach próżni. Dzięki temu zakłady produkujące chipy nie muszą być zamykane podczas epidemii COVID-19, aby z nią walczyć, ponieważ pracownicy są chronieni od stóp do głów, a niektóre kombinezony ochronne są nawet wyposażone we własne systemy oddechowe, aby zapobiec zanieczyszczeniu chipów przez wydzielane przez ludzki metabolizm i wydychane gazy.

5. Czy maszyna litograficzna jest w rzeczywistości projektorem z układem scalonym??

Nazwa „maszyna litograficzna” jest błędnie tłumaczona i bardzo myląca. Wiele osób błędnie uważa, że ​​maszyna litograficzna „rzeźbi” układy scalone na powierzchni krzemu krystalicznego poprzez kontakt fizyczny, podobnie jak grawerowanie komputerowe. W rzeczywistości układ scalony nie jest „grawerowany”, lecz „fotografowany”. Dlatego bardziej trafne jest nazywanie maszyny litograficznej „projektorem układów scalonych”.

Gdy wafel do produkcji chipa wchodzi w etap procesu fotolitografii, maszyna fotolitograficzna rzutuje wzór układu scalonego na fotorezyst na powierzchni wafla przez maskę. Po naświetleniu fotorezystu, naświetlony obszar jest trawiony płynnym środkiem chemicznym, a następnie czyszczony. W ten sposób powstaje wzór układu scalonego. Proces fotolitografii jest taki sam, jak w tradycyjnej fotografii. Światło przechodzi przez negatyw, aby uwrażliwić papier fotograficzny, a następnie uwrażliwiony papier fotograficzny jest wywoływany i utrwalany w roztworze chemicznym.

Układ scalony musi przejść przez dziesiątki, a nawet setki procesów fotolitograficznych, a zanim będzie mógł trafić do etapu pakowania, konieczne jest wykonanie kilku procesów.

Technologia produkcji układów scalonych zmienia się z każdym dniem, ale większość kluczowych technologii do ich produkcji pochodzi z Bell Labs. Wkład Bell Labs w rewolucję informatyczną na zawsze przejdzie do historii.

7. Czy mogę wytwarzać chipy, jeśli mam maszynę do fotolitografii?

Wielu czytelników jest bardzo zainteresowanych fotolitografią i uważa, że ​​za jej pomocą można wytwarzać chipy. W rzeczywistości jest inaczej. Chociaż fotolitografia odgrywa ważną rolę w produkcji chipów, jest to tylko jeden z ponad 1,000 procesów w tym zakresie. Jeśli nie opanujesz innych procesów, nadal nie będziesz w stanie wytworzyć chipa za pomocą fotolitografii.

W 1961 roku amerykańska firma GCA wyprodukowała pierwszą na świecie maszynę do fotolitografii. Obecnie na świecie działa 7 firm w 4 krajach, które produkują maszyny litograficzne: Asmaier w Holandii, Intel, Super Technology Semiconductor, Rudolf w Stanach Zjednoczonych, Nikon i Canon w Japonii oraz SusiMicro w Niemczech.

Jak wspomniano powyżej, podstawą przemysłu chipowego są materiały, czyli oczyszczanie krzemu. Bez opanowania technologii oczyszczania krzemu niemożliwe jest wytworzenie krzemu krystalicznego o czystości na poziomie chipa, a co za tym idzie, produkcja chipów.

Co więcej, na chipie znajdują się setki miliardów elementów elektronicznych. Tak ogromnego obwodu nie da się narysować ręcznie. Konieczne jest użycie oprogramowania do automatyzacji projektowania elektronicznego EDA. EDA to kompleksowe zastosowanie wielu dziedzin nauki i jest zmonopolizowane przez trzy amerykańskie firmy: Kadant, Synopsys i Mentor Graphics.

EDA odgrywa decydującą rolę w procesie produkcji układów scalonych. Funkcjonalność i integracja układu scalonego zależą całkowicie od możliwości projektowych EDA. Nawet przy użyciu krzemu o wysokiej czystości i maszyn do fotolitografii, bez EDA lub bez znajomości obsługi EDA, nadal nie da się stworzyć układu scalonego.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z „IoT IQ”. Artykuł ten przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Jest on przeznaczony wyłącznie do przedruku i udostępniania oraz służy ochronie praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen