第41章 芯片设备

    制造芯片首先需要进行ic设计，ic设计需要工程师拥有很强的专业能力，需要无数的实验。

    有时候为了验证一个猜想就需要进行上百次的实验，每一次实验需要进行一次芯片的制造，所需要花费的资金无以计数，并不是一朝一夕可以实现的。

    但是方浩拥有完整的芯片设计图，这些图纸在23世纪科技星球都是古董般的存在，但是在这个世界都是一等一的顶尖科技。

    辉煌科技准备制造一款嵌入式处理器，代号辉煌一号，这种芯片采用arm架构，仿制23世纪的型号彩虹处理器，是23世纪科技星球两百年前有名的主控芯片，甚至超过了pc端的cpu，它的推出当时震撼了整个科技界。

    里面的一些硬件设计原理都是非常新的东西，比如阻抗匹配，放大参数设计等等，这款芯片比现在地球上的芯片设计技术先进十多年左右。

    虽然有图纸，但是将这些图纸变成现实还需要这些工程师的努力研究，电路里面的参数还需要他们一一计算。

    方浩并不打算直接把这些图纸送给辉煌科技，而是通过暗中传输记忆传授的方式启发里面有潜力的人，让他们共同参与，完成ic版图的设计。

    国产芯片中比较有代表性的是龙芯，2001年由中科院计算机所成立课题组研制，花了16年时间，耗费了1.8万亿资金，在2017年发布龙芯3号，但由于微结构上的差距，龙芯基本只能达到英特尔和amd芯片性能的35%左右。

    性能差距如此大，耗费时间如此长，但龙芯还不算完全自主研发的cpu。

    龙芯是花钱买了mips公司的结构授权，在此基础上实现自主研发创新。

    世界上有能力设计生产电脑cpu的国家仅有美国、台湾省，有能力设计生产手机soc芯片的国家数量会在中国、美国的基础上增加韩国。

    国产cpu还没有完全自主研发设计的，如果追根溯源，国产cpu的设计大致有以下几种：

    破解、打磨别人的cpu，典型的如汉芯，大家可自行网络搜索；

    获得别人授权，在此基础上加入自己的设计，典型如华为海思，获得arm授权后，再自行设计，苹果、三星、高通和联发科也是如此，但苹果、高通的二次”魔改“能力要高一些。

    直接买全套方案，代表有超算太湖之光用的申威系列cpu，购买结构授权，再从上到下自主设计，比如龙芯cpu，虽然不是完全自主研发设计，但绝大部分是自己的东西。

    还有一个问题，造出芯片之后需要占据市场，更重要的是可以建立市场生态，而芯片是一种精密元件，一个芯片的性能可以直接影响一款产品，如果没有100%的可靠性，市场是不会采购这种芯片的。

    英特尔之所以成为x86架构cpu霸主，关键是因为它成功构建了x86架构的生态系统，竞争对手想另起炉灶搞其它架构的cpu，没有人会买，产品卖不出去，赚不到钱，企业只能关门。

    这也是国产芯片需要购买授权的原因，加入对方市场生态的原因，可是需要缴纳高额的授权费。

    可以这么说，如果没有专利权和授权费，欧美国家的高福利社会将会难以为继，因为他们的福利大都是通过技术授权和专利掠夺穷国而来的

    芯片只要加入市场生态，设计就不算难，全球芯片设计公司最多曾超过100家，经过优胜劣汰，现在也有五六十家。

    而芯片制造的厂家，现在不超过十家，第一梯队三家：英特尔、台积电和三星，基本形成寡头垄断格局。

    国产芯片的短板不在设计、封装和测试，就在生产上。

    和台积电等巨头相比，国产芯片生产制程工艺至少落后三代，在芯片代工生产市场，落后一代就意味着淘汰，落后三代就等于是废物。

    其次还有瓦森纳协定，瓦森纳协定卡住了全世界的脖子，中国虽然科技实力雄厚，人才不缺乏，可是没有下面五家设备制造商的设备，是不可能制造出先进芯片的。

    中国的厂商向五大设备制造商下单，购买到的也只是五年前的设备。

    可以这么说，虽然新中国成立了快八十年，但是仍旧没有从国外的压迫中脱离，而罪魁祸首就是百年前的满清政府和国共战争。

    满清闭关锁国，国共战争自相残杀，使得国家落后了发达国家几十年，产生的恶果由百姓来买单。

    如今的百姓薪水仅仅只有欧美的五分之一，生活也十分困苦，并不是国家的问题，而是因为财富被欧美掠夺。

    仅仅进口芯片就是两千亿美元，而整个国家的财富才三十万亿美元，如果加上精密仪器，高端材料，耗费的将会是天文数字。

    由于瓦森纳协定限制，中国只能购买五年前的设备，如果拿到的是是技术落后五年的设备，想要制造先进芯片就是做梦。

    全球瓦森纳协定一共有五大半导体设备制造商：

    1.韩国am公司，前身是阿尔法精工株式会社，全球领先的半导体、平板显示和太阳能光伏行业精密材料工程解决方案供应商，是韩国高精度机械设备的领导者，产品应用于工件的精磨、研磨、切割、和抛光，保持着低故障率和易维护性。

    2.荷兰asml高端光刻机制造商，集合近乎完美的德国机械工艺以及世界顶级光学厂商德国蔡司镜头，再加上美国提供的光源，asml迅速发展，高端光刻机市场基本被垄断，为半导体生产商提供光刻机及相关服务，在极紫外光(euv)领域，目前处于垄断地位，曾经一台高端设备卖到了5亿欧元，而且有钱都要排队到十年后。

    3.lam research，电浆蚀刻设备商，主要设计、制造、销售、维修及服务使用于积体电路制造的半导体处理设备，包括客户服务、备用零件的供应、产品升级、产品蚀刻、沉积、去除光阻及清洁等服务，并还制造、销售一系列的研磨、叠置及精密抛光等设备。

    4.kla-tencor，图案光罩检测的主要供应商，为半导体制造商提供光罩检测系统，用于工艺开发和批量生产过程中的缺陷检测、原料检测、设备监控和进程控制。

    5.dainippon s，后道检测设备领先企业，致力于集成电路测试技术的开发，拥有种类完善的半导体后道测试台和分选机，在主要的三种清洗设备市场中，迪恩士都是当之无愧的龙头。在单晶圆清洗设备市场，迪恩士市场占有率高达54.9%；自动清洗台由于技术门槛相对较低，市场参与者较多，但是迪恩士市场占有率仍达到了50%以上；而在洗刷机市场迪恩士也有着60%-70%的市场占有率，可以说迪恩士是清洗设备市场中当之无愧的龙头。

    如果没有主神空间，方浩技术再强也没有信心制造世界一流的芯片，打造一个垄断全世界的芯片产业，光是瓦森纳协定就可以卡住辉煌科技的脖子。

    光刻机这些设备在现代社会是有钱都买不到的高科技物品，可是在23世纪中并不算什么，有很多设备可可以替代，比如1纳米工艺的3d打印机，这种可以打印1纳米大小的设备完全可以打印出7纳米制程的cpu，只是效率无法比得上光刻机，不过做打印芯片做研究是可以了。

    ic 芯片全名积体电路，它是将设计好的电路，以堆叠的方式组合起来，藉由这个方法，我们可以减少连接电路时所需耗费的面积。

    由此可见，芯片制造其实就是进行原子级别的制造，精度要求非常苛刻，这也是为什么国内无法生产cpu的原因。

    芯片在结构上分为三层。

    第一，晶圆层。

    从 ic 芯片的 3d 剖面图来看，底部的部分就是晶圆，晶圆基板在芯片中扮演地基的角色。

    第二，逻辑闸层。

    在 ic 电路中，晶圆上面的部分叫做逻辑闸层，它是整颗 ic 中最重要的部分，藉由将多种逻辑闸组合在一起，完成功能齐全的 ic 芯片，结构非常复杂。

    第三，连接层。

    逻辑闸上面还有一层连接层，不会有太复杂的构造，这一层的目的是将逻辑闸需要连接的部分相连在一起，相当于导线。

    芯片中通常需要很多层连接层，是因为有太多线路要连结在一起，在单层无法容纳所有的线路下，就要多叠几层来达成这个目标了。在这之中，不同层的线路会上下相连以满足接线的需求。

    如果要以油漆喷罐做精细作图时，我们需先割出图形的遮盖板，盖在纸上，接着再将油漆均匀地喷在纸上，待油漆乾后，再将遮板拿开。

    不断的重复这个步骤后，便可完成整齐且复杂的图形。制造 ic 就是以类似的方式，藉由遮盖的方式一层一层的堆叠起来。

    芯片在制造过程中分为四种步骤，虽然实际制造时，制造的步骤会有差异，使用的材料也有所不同，但是大体上皆采用类似的原理。

    这个流程和油漆作画有些许不同，ic 制造是先涂料再加做遮盖，油漆作画则是先遮盖再作画。

    第一步，金属溅镀：将欲使用的金属材料均匀洒在晶圆片上，形成一薄膜。

    第二步，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。接着，再以化学药剂将被破坏的材料洗去。

    第三步，蚀刻技术：将没有受光阻保护的硅晶圆，以离子束蚀刻。

    第四步，光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，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 芯片，接下来只要将完成的方形 ic 芯片剪下，便可送到封装厂做封装。