浮光掠影，說說中國的半導體產業（二）

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浮光掠影，說說中國的半導體產業（二）

2017.02.13

為了說明問題的便利和提供看問題的參照，必須要交代一下半導體的一些背景知識。這裏盡量簡單到位，假如有沒說清楚的請指教，可以後續解釋跟進。上篇說了，半導體的門類廣泛, 技術演進迅速，因此無需糾纏老的已經”成熟”的東西，直奔前沿。

先說耳熟能詳的所謂“線條”和“摩爾定律”（確切說是經驗規律）。現在說的第一類別半導體（見上篇）就是指大規模集成電路。一塊大拇指指甲大小的芯片目前集成晶體管(台灣叫電晶體)數目在10億數量級，再大的芯片可達近100億。每個晶體管就是一個開關，這麽多開關協同運作就完成了一係列的邏輯運算。作個粗略的比喻，拇指指甲大小的芯片的晶體管密度，類似於假設給每個中國人1米見方的麵積，緊密站在一起，全國的人就站在香港略大的一片地方。這隻是一個芯片，在一個12吋晶圓上可以有幾百個這樣的芯片。也就是說，它可以等效容納近百個地球的人口。這還隻是一片晶圓，台積電2015年的產能就達到900萬片等效12吋，去估算一下，光是一個代工廠一年生產的晶體管數量是多少。天文數字。

一個芯片裏，除了這麽多的晶體管，還需要用導線將它們連起來才能做成功能電路。放大到一個晶體管等效每人1米長寬地盤，每根導線在30多公分寬，間隔也相同，想象一下一個香港大小的地方能有多少條這樣的導線平行排列。這還不夠，還必須有10層以上這樣的導線立體交叉才能完成連接。集中在一個拇指甲大小的範圍，這些導線的總長度會達到十幾公裏.

晶體管的大小（嚴格講是控製開關的晶體管柵極的線寬）和導線的線寬決定了集成度。顯然，更多的晶體管能集成到相同大小芯片，後者的功能就能提高。柵極的線寬在現在的CMOS集成電路還直接同晶體管的開關速度－即芯片運算速度－相關，越小的線寬越快。再者，上億的晶體管在高速運行，就需要大電流。晶體管運行越快耗能越多，這部分能量最終轉換成熱。例如，台式機CPU／GPU的功耗（TDP）在上百到幾百瓦，哪怕在外界散熱良好的情況下，芯片內的溫度接近上百攝氏度。芯片溫度偌能降低在同樣的條件下速度就可以提高，反之，溫度失控將最終導致芯片失效。

因此，決定一個芯片性能和成本的是三個具挑戰性又相互矛盾的因素：芯片尺寸，速度和功耗。解決這之間的矛盾，追求性能／成本的最大化是推動線寬不斷減小的動力。其基本思路是，線寬減少能提高集成度和速度，在保持甚至降低尺寸的前提下增強芯片功能。同時允許晶體管在較低的電壓下高速運行，從而減少功耗。新設備的投資成本在一定時期裏通過量產和性價比的競爭力得以回收，最終的利潤將超過老技術（cross-over）。Intel的Gordon Moore 有心發現了這個規律，並以此外推，預測集成電路的晶體管密度每兩年左右提高一倍。後來的發展基本印證了預測，於是成了”law”. 而這兩年左右的周期也被稱為半導體的一代。因為密度的提高對應於線寬的減少，最小線寬就成了某一代的表征，如現在的14nm, 7nm, 下一代的5nm.

要高效精確製造巨量的管子和連線，靠的是類似老式照相的技術。光通過和底片類似的掩模版（台灣叫光罩）在矽片上傳遞圖形再進而通過物理化學手段刻蝕出管子或連線。這個圖形曝光形成過程就叫光刻。能光刻出多小的線條，除其他因素外最主要的是光源的波長，短波長對應細線條。完成一個完整的集成電路，需要完成多層的結構，因此就需要多次的光刻，可見光刻的重要性。現在較新的製程需要至少六十幾道掩模版（即這麽多次光刻），每一層還必須準確對齊。目前主流先進的是深紫外193nm光源，但若進一步縮小線條193在經濟和技術上都已經遇到瓶頸，新技術的實用化在延後，就是媒體上說的Moore's Law被顛覆了。

支撐集成電路製造，有著長長的產業鏈。從原始晶圓的製造開始（多晶矽，拉單晶，切片拋光），經過製程製造，到測試（裸晶圓測試和封裝後的測試）和封裝。封裝根據性能需要有不同的方式，已越來越複雜, 測試也越來越複雜冗長。製程階段需要多種高純的化學材料和氣體（元素周期表上越來越多的元素被利用起來），掩模版光刻膠，高度潔淨的廠房和各種製程設備。製程設備除了光刻機，還有刻蝕圖形的刻蝕機，改變半導體電性能的離子注入機，鋪設多層不同導體絕緣體的澱積外延設備，各層材料平坦化的化學機械拋光機以及保證良率的在線檢測觀察設備等等。不少這些設備都是高真空高精密設備。

背景就交代到這兒。為了同軍事沾上邊（其實這行軍用民用的界線並不清晰），說一點其他的。軍事用途的器件不少並不需要遵循Moore’s Law. 如CCD或CMOS傳感器，每個傳感器單元（像素）不是越小越好，懂相機的都知道。同時，軍用對成本沒那麽敏感。於是當長春光機所展示高性能尺寸巨大的高清衛星用傳感器芯片，就不需要那麽‘驚訝’，也無需懷疑中國高清衛星的能力。其實，更難的可能是大直徑碳化矽反射鏡。還有如戰機上和格鬥彈的光電傳感器，雷達的T/R單元，固體激光器等等，主要是材料上的挑戰。就算是數據處理計算機，也未必需要服務器或超算這樣的效能。J20/F35玻璃平顯用的圖形處理器一定不會比你電腦裏的GPU先進。但是，軍用的有其專門的要求，高可靠性是其中之一，航天用的器件對抗輻射的要求很高。假如拿日本的單反同中國衛星相機比就會十分可笑，因為各自有各自的特長。