Диаметр человеческого волоса составляет 70 000 нанометров, а окружность — 220 000 нанометров. Производство чипов с использованием 5-нанометрового процесса подобно строительству 44 000 дорог вдоль волоса.

Автор: Лю Чжижун Источник: Headline@Iron Tower-Лю Чжижун

15 мая 2020 года США ввели запрет на поставки чипов Huawei. С тех пор чипы Huawei привлекли широкое внимание китайского народа. Запрет вступил в силу 15 сентября. Всемирно известные производители чипов, такие как TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix и Micron, больше не могут поставлять чипы Huawei. 16 сентября Центральная комиссия по дисциплинарной инспекции опубликовала на своем официальном сайте статью, в которой говорилось, что «прекращение поставок чипов Huawei может стать началом нирваны китайской чиповой индустрии».

Мы каждый день говорим о чипсах, но знаете ли вы, что такое чипс?

1. Как изобретение микрочипа изменило жизнь человека?

23 декабря 1947 года три учёных из Bell Labs в США, Джон Баден, Уильям Шокли и Уолтер Браттон, изобрели германиевый кристаллический транзистор, положив начало полупроводниковой эре в мире электроники. Три изобретателя транзистора получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году.

1950-е годы были золотым веком полупроводников. Практически все полупроводниковые материалы и основные технологические процессы были разработаны в этот период.

18 октября 1954 года компания Texas Instruments изобрела транзисторный радиоприёмник. Этот радиоприёмник с четырьмя транзисторами был достаточно мал, чтобы поместиться в кармане.

12 сентября 1958 года инженер-электронщик компании Texas Instruments Джек Килби (1923-2005) изобрел интегральную схему и в 1959 году успешно создал первую в мире интегральную схему — микросхему. Эта интегральная схема представляет собой микросхему, на которой на германиевой подложке вытравлены PNP-транзисторы, резисторы и конденсаторы, а для соединения их с помощью внешних проводов формируется цепь. Эта простая интегральная схема положила начало индустрии микросхем, вывела науку и технику человечества на новый уровень и полностью изменила образ жизни человека.

Постоянное совершенствование технологий производства микросхем значительно снизило цену одного транзистора. В 1959 году на микросхеме было 6 транзисторов, что эквивалентно 10 долларам за транзистор; в 1971 году на микросхеме было 2,000 транзисторов, что эквивалентно 0.3 доллара за транзистор; в 2004 году на микросхеме были десятки миллиардов транзисторов, и цена одного транзистора упала до одной миллиардной доли доллара. Улучшение соотношения цены и качества микросхем позволило им стать доступными для обычных людей.

Микросхема по праву считается величайшим изобретением XX века, и многие другие изобретения также основаны на микросхемах. Сегодня мы живем в мире, окруженном микросхемами, и без них было бы трудно передвигаться.

Повседневная жизнь людей неразрывно связана с чипами. В умных устройствах, таких как мобильные телефоны, компьютеры и умные часы, используются чипы. В сетевом оборудовании, таком как оптические модемы, маршрутизаторы, USB-накопители, карты памяти и мобильные жесткие диски, также присутствуют чипы. Чипы используются в сетевом оборудовании и компьютерной периферии. В удостоверениях личности, паспортах, банковских картах, картах покупок, потребительских картах и ​​других персональных идентификационных картах также используются чипы. В системах контроля доступа, мониторинга, солнечных батареях и т.д. также необходимы чипы. Если бы кто-то изобрел код, отключающий все чипы в мире, человеческая жизнь остановилась бы.

Джек Килби получил Нобелевскую премию по физике 2000 года за изобретение микросхемы. Он также является изобретателем портативного калькулятора и термопринтера. Когда Килби называли учёным, он скромно отвечал: «Учёный — это человек, который объясняет вещи и должен обладать великими идеями; а я — решатель проблем, инженер. Моя обязанность — изобретать новые процессы, производить новые продукты и зарабатывать деньги на изобретениях и творениях».

2. Чтобы понять принцип работы микросхемы, необходимо сначала разобраться в понятии «PN-переход».

Как видно из вышеизложенного, электронные компоненты, такие как диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы, изготавливаются на полупроводниковых материалах, а затем соединяются проводами. Это интегральная схема, также называемая чипом. Чтобы понять принцип работы чипа, необходимо сначала понять, что такое «PN-переход», который является ядром полупроводниковой технологии.

При легировании полупроводникового материала пятивалентным элементом концентрация электронов увеличивается, образуя полупроводник N-типа; при легировании полупроводникового материала трехвалентным элементом концентрация дырок увеличивается, образуя полупроводник P-типа. Под «дыркой» понимается вакансия, остающаяся в ковалентной связи после того, как электроны в ковалентной связи получают энергию и освобождаются от оков ковалентной связи, становясь свободными электронами.

После того, как полупроводник P-типа и полупроводник N-типа оказываются в тесном контакте, отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки диффундируют навстречу друг другу; диффузия электронов и дырок вызывает образование внутреннего электрического поля на контактной поверхности, которое препятствует этой диффузии, позволяя электронам и дыркам возвращаться обратно. Когда скорость диффузии и скорость дрейфа электронов и дырок достигают динамического равновесия, на контактной поверхности между полупроводником P-типа и полупроводником N-типа образуется «PN-переход».

Основное свойство PN-перехода — «однопроводность». Если в качестве положительного электрода используется полупроводник P-типа, а в качестве отрицательного — полупроводник N-типа, ток может проходить через PN-переход; если в качестве положительного электрода используется полупроводник N-типа, а в качестве отрицательного — полупроводник P-типа, ток через PN-переход пройти не может. Использование двоичных битов в компьютерах определяется свойствами PN-перехода. Ток, проходящий через PN-переход, соответствует «1», а ток, не проходящий через PN-переход, соответствует «0».

PN-переход — это диод. Если два полупроводника P-типа находятся между двумя полупроводниками N-типа, образуется триод, который является упомянутым выше PNP-триодом. Конечно, если между двумя полупроводниками N-типа находится полупроводник P-типа, то это становится транзистором NPN-типа.

Обычные люди не могут увидеть «настоящий корпус» микросхемы. Микросхема размером от человеческой перхоти до человеческого ногтя. Из-за своей тонкости её необходимо поместить в герметичный корпус, прежде чем подключать к внешней схеме. Когда вы открываете компьютер, телевизор или другой электроприбор, вы видите большую печатную плату. На плате находится множество электронных компонентов. Электронные компоненты с множеством выводов называются микросхемами. Эти выводы подключены к входным и выходным клеммам микросхемы. Некоторые расположены с обеих сторон корпуса микросхемы, некоторые — с четырёх сторон, а некоторые расположены в матрице внизу, плотно упакованной более чем 1,000 выводами.

3. Изготовление чипсов — это как высекать землю и все дороги и здания на рисовом зернышке?

Здесь необходимо упомянуть концепцию, а именно «закон Мура». В 1965 году Гордон Мур, соучредитель всемирно известной корпорации Intel, предположил, что количество транзисторов на одном чипе будет удваиваться каждый год. Позже он уточнил это предположение, уточнив, что удваиваться нужно каждые два года. Это предположение было подтверждено практикой и в основном оказалось верным. В 2011 году на чипе Intel Core i7 насчитывалось 2.27 миллиарда транзисторов. В настоящее время количество транзисторов на некоторых высокопроизводительных чипах превышает десятки миллиардов. Несколько лет назад чип для искусственного интеллекта WSE, произведенный компанией Cerebras Systems с использованием 16-нм техпроцесса TSMC, содержал 1.2 триллиона транзисторов!

«Технологический процесс» обозначает ширину затвора транзистора на микросхеме, которую обычно можно понимать как размер транзистора. Чем меньше техпроцесс, тем больше транзисторов можно разместить на одной микросхеме и тем больше становится интегральная схема.

Благодаря повышению уровня интеграции микросхем, скорость вычислений на них продолжает расти. Чем выше уровень интеграции микросхемы, тем меньше на ней электронные компоненты и тем короче провода между ними. Сокращается время прохождения тока, снижается энергопотребление и ускоряется обработка данных.

Существует три способа увеличить количество транзисторов на микросхеме. Первый — увеличить площадь микросхемы, второй — уменьшить размер транзисторов, а третий — сделать интегральную схему трехмерной. Увеличение площади микросхемы обычно не рассматривается, поскольку это увеличивает энергопотребление и снижает эффективность микросхемы. В настоящее время для увеличения количества транзисторов на микросхеме в основном используются два последних метода.

Производство микросхем относится к микроскопическому миру, и электронные компоненты на них имеют размеры всего лишь нескольких атомов или молекул, а их размеры измеряются в мельчайших единицах измерения — нанометрах и ангстремах. Самая маленькая шкала на обычной линейке — миллиметры, 1 миллиметр равен 1000 микронам, 1 микрон равен 1000 нанометрам, а 1 нанометр равен 10 ангстремам. Диаметр человеческого волоса составляет 70 000 нанометров, а окружность — 220 000 нанометров. Производство микросхем с использованием 5-нанометрового процесса подобно строительству 44 000 дорог вдоль волоса.

Существует предел уменьшения размеров электронных компонентов, поэтому люди рассматривают возможность создания многослойных интегральных схем на одном чипе для увеличения количества транзисторов. Это похоже на строительство жилых зданий. В одноэтажном доме может разместиться небольшое количество жильцов, в то время как в здании с десятками этажей — большое количество. Многослойная компоновка интегральных схем гораздо сложнее, чем строительство здания. Планировка каждого этажа здания одинакова, но схемы каждого слоя чипа различны, а соединения между слоями чрезвычайно сложны.

Давайте разовьем эту метафору дальше: производство микросхем подобно вырезанию целой Земли на рисовом зернышке, и все дороги и здания на Земле должны быть вырезаны из нее. Дороги — это провода на микросхеме, а здания — это электронные компоненты на микросхеме. С помощью этой метафоры читатели могут представить, насколько сложным и трудным должен быть процесс производства микросхем.

4. Очистка кремния является основой индустрии микросхем.

Существует множество полупроводниковых материалов, но в практических приложениях более 90% из них используют кремний, поскольку температура плавления кремния составляет 1415 градусов Цельсия, что позволяет использовать высокотемпературные процессы при обработке микросхем.

Кремний выплавляется из песка, но для выплавки песка в кремний, пригодный для производства микросхем, требуется чрезвычайно высокая чистота. Мы называем золото 99.99% чистым золотом (4 девятки), но чистота кремния, используемого для производства микросхем, должна достигать как минимум 11 девяток, то есть содержание примеси не должно превышать 1 атом на 1 миллиард атомов кремния. Кремний такой чистоты был очищен компанией Bell Labs в США в 1955 году. В настоящее время на микросхеме размещаются сотни миллиардов электронных компонентов, и требования к чистоте кремния выше, как минимум 13 девяток. Это основа производства микросхем. Без освоения технологии очистки кремния невозможно создать микросхему!

Читатели могут спросить, почему для производства чипов требуется такой чистый кремний? Электронные компоненты на чипе очень малы. Если чип изготавливается по 5-нанометровой технологии, примеси размером в 1 нанометр разрушат весь чип. Приведем аналогию. Если ширина дороги составляет 40 метров, а посередине лежит большой камень шириной 1 метр, автомобили смогут объехать камень, не создавая пробок. Однако, если ширина дороги всего 5 метров, а посередине лежит большой камень шириной 1 метр, автомобили не смогут его объехать, и дорога будет заблокирована.

Поэтому для производства микросхем требуется не только высокая чистота кремния, но и полная пыленепроницаемость на всех этапах производственного процесса. Чистота кремния в 100 000 раз выше, чем в операционной больницы, а половина процесса выполняется в вакуумной среде. Благодаря этому заводы по производству микросхем не останавливались во время эпидемии COVID-19, поскольку рабочие были защищены с головы до ног, а некоторые защитные костюмы даже имели собственные дыхательные системы, предотвращающие загрязнение микросхем продуктами метаболизма и выдыхаемыми газами.

5. Действительно ли литографический аппарат представляет собой проектор на основе интегральных схем??

Название «литографическая машина» переводится неточно и вводит в заблуждение. Многие ошибочно полагают, что литографическая машина «вырезает» интегральные схемы на поверхности кристаллического кремния посредством физического контакта, подобно компьютерной гравировке. На самом деле, чип не «гравируется», а «фотографируется». Поэтому более уместно называть литографическую машину «проектором интегральных схем».

Когда пластина для изготовления чипа поступает на стадию фотолитографии, фотолитографическая машина проецирует рисунок интегральной схемы на фоторезист на поверхности пластины через маску. После экспонирования фоторезиста экспонированная область травится химической жидкостью, а затем очищается. Таким образом, получается рисунок интегральной схемы. Процесс фотолитографии аналогичен традиционной фотографии. Свет проходит через негатив, чтобы сенсибилизировать фотобумагу, а затем сенсибилизированная фотобумага проявляется и фиксируется в химическом растворе.

Для изготовления микросхемы необходимо пройти десятки или даже сотни этапов фотолитографии, и несколько последующих процессов займут несколько недель, прежде чем она сможет перейти к этапу упаковки.

Технологии производства микросхем меняются с каждым днем, но большинство ключевых технологий для их производства были разработаны в Bell Labs. Вклад Bell Labs в революцию информационных технологий навсегда войдет в историю.

7. Могу ли я производить микросхемы, если у меня есть фотолитографический станок?

Многие читатели очень интересуются фотолитографическими машинами и считают, что с их помощью можно изготавливать микросхемы. На самом деле это не так. Хотя фотолитографическая машина играет важную роль в производстве микросхем, это лишь один из более чем 1,000 процессов в этой области. Если вы не освоите другие процессы, то и микросхему изготовить с помощью фотолитографической машины будет невозможно.

В 1961 году американская компания GCA произвела первую в мире фотолитографическую машину. В настоящее время семь компаний в четырех странах мира имеют право производить литографические машины: Asmaier в Нидерландах, Intel, Super Technology Semiconductor, Rudolf в США, Nikon и Canon в Японии, а также SusiMicro в Германии.

Как уже упоминалось выше, основой чиповой индустрии являются материалы, то есть очистка кремния. Без освоения технологии очистки кремния невозможно производить кристаллический кремний с чистотой, достаточной для изготовления чипов, и, следовательно, невозможно создавать чипы.

Кроме того, на микросхеме находятся сотни миллиардов электронных компонентов. Такую огромную схему невозможно нарисовать вручную. Для этого необходимо использовать программное обеспечение для автоматизации проектирования электроники (EDA). EDA — это комплексное применение многих естественных дисциплин, и его монополизацией являются три американские компании: Kadant, Synopsys и Mentor Graphics.

EDA играет решающую роль в процессе производства микросхем. Функциональность и интеграция микросхемы полностью зависят от возможностей проектирования с использованием EDA. Имея высокочистый кремний и фотолитографическое оборудование, но без EDA или без знания того, как его использовать, невозможно изготовить микросхему.

Отказ от ответственности: Данная статья воспроизведена из "IoT IQ". Эта статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения Sacco Micro и отрасли. Она предназначена только для перепечатки и распространения и способствует защите прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.