ballbet安卓:芯片制造：微观世界盖“大楼”
发布时间：2023-10-23 12:35:07   来源：ballbet安卓版 作者：ballbet安卓版西甲赞助    点击：127

　　芯片强则产业强，芯片兴则经济兴。信息时代，集成电路作为最重要同时也是最基础的科技技术，不但扮演着现代工业基石，更成为信息科技迈上新台阶的关键命门。随着中国信息产业快速地发展，自主研发符合市场与企业需求的芯片已刻不容缓。

　　那么，怎么样才可以制造一颗好的芯片，背后又有哪些困难和挑战？我国和美国一线厂商的芯片还有多少差距？本期科技能见度将为你解密。

　　这相当于将一个200台以上的普通计算集群提供的计算能力，压缩到一个4U（17cm）的计算节点中，而实际能耗只有1.2—1.3KW

　　5月3日，中国科学院和寒武纪科技公司在上海发布了全球新一代人工智能芯片“寒武纪”系列。

　　这场发布会上，全国首款云端智能芯片Cambricon MLU100和寒武纪1M终端智能处理器IP产品悄然问世。这标志着寒武纪已成为中国第一家、也是世界上少数几家同时拥有终端和云端智能处理器产品的公司。

　　MLU100采用寒武纪最新的MLUv01架构和TSMC 16nm工艺，可工作在平衡模式（1GHz主频）和高性能模式（1.3GHz主频）下。平衡模式下的等效理论峰值速度达128万亿次/每秒定点运算，高性能模式下的等效理论峰值速度更可达每秒166.4万亿次定点运算，而典型板级功耗仅为80瓦，峰值功耗不超过110瓦，已达到世界先进水平。

　　另外，MLU100云端芯片可支持各类深度学习和经典机器学习算法，充分满足视觉、语音、自然语言处理、经典数据挖掘等领域复杂场景下的云端智能处理需求。

　　首款云端智能芯片的性能到底有多强？寒武纪公司创始人陈天石和行业巨头进行了一次正面交锋。在发布会现场，MLU100芯片与英伟达公司的“史上规模最庞大GPU”、由超过210亿个晶体管组成的Tesla V100进行PK，在R-CNN算法下进行计算对比。

　　最终现场多个方面数据显示，MLU100的计算延迟为125ms，Tesla V100的延迟为174ms，结果显而易见。

　　“这是非常惊人的计算能力。”中科曙光公司总裁助理举例说，这相当于将一个200台以上的普通计算集群提供的计算能力，压缩到一个4U（17cm）的计算节点中，而实际能耗只有1.2—1.3KW，“能效提升30倍以上”。

　　仅仅在集成电路制造工艺方面，就需要在区区指甲盖大小的硅片上蚀刻数十亿晶体管，且晶体管的间隔仅仅只有几十纳米

　　目前，市面上主要的芯片有通讯芯片、计算及控制芯片、储存器芯片、音频处理芯片、电源管理芯片、驱动芯片、传感器芯片和其他电路芯片。

　　尽管类似于寒武纪的人工智能芯片已发展到纳米级别，可让数亿晶管体集中在一块仅有数厘米长宽的晶原体上。但早在60年前，那时的“芯片”结构还非常简单。

　　1958年，第一块集成电路由美国德州仪器（TI）公司的研发成功，工程师Jack Kilby未解决将大量孤立的电子器件整合成电路的困难，于是构思出集成电路。他将12个器件焊接在一块回形针大小的半导体上，形成了最早的集成电路。

　　在解密如何制造一块好的芯片之前，我们有必要先来了解集成电路产业的四大分支：集成电路设计、集成电路工艺、集成电路封装以及测试。

　　制造芯片的过程，在华南理工大学电子与信息学院的李斌教授看来，有一个形象的描述：在微观世界盖一栋房子，要有好图纸，要打好地基，随后逐层加盖。

　　“集成电路设计就像是画图纸，而集成电路制造工艺说起来复杂，但实际上就是在制备各种薄膜层。”李斌解释，“通过光刻技术定义膜层的大小，经过三四十道工序，就在晶圆上形成了具有一定功能的集成电路；之后便是经过封装和测试这两个步骤，就形成了市面上商用的芯片。”

　　看起来，芯片制造的这四个大步骤都紧密联系、一以贯之，但实际上，它们每一个分支都是一个专业的领域，任何一处有技术缺失都难以做出一块好的芯片来。

　　而一颗高性能芯片，仅仅在集成电路制造工艺方面，就需要在区区指甲盖大小的硅片上蚀刻数十亿晶体管，且晶体管的间隔仅仅只有几十纳米。这个长度单位细小到什么程度呢？我们大家可以用一根头发丝作为参照物，换算下来，一根头发丝的宽度约为6万纳米。可以说，头发丝的宽度在晶体管这个微观世界都算得上是一道鸿沟了。

　　然而芯片制造之难，远不止上面提到的“指甲盖大小的硅片上蚀刻数十亿晶体管”，这一工艺仅只是芯片制造几百道精细化工艺的一种。

　　“集成电路技术相当于是电子信息技术这座金字塔的塔尖，是多种技术的集合。”李斌解释道。“在指甲盖大小的芯片放上50亿个晶体管后，怎么来控制、传导电流都要研究，这设计得多精确、技术得多高超！”

　　市面上芯片千万种，技术难点也会因适配的设备不一样而不同。例如与通信相关的高端芯片，需要极其高的稳定性和可靠性。李斌称，在极高的工作频率下，这类芯片面临的挑战是半导体材料参数的物理极限与器件间的寄生效应。比如光模块芯片，它快速传输大量数据，强调速度的同时需要保证低功耗。“功能实现相对容易，但性能又好又稳定却很难”。

　　据业内人士推算，整个集成电路设计链条，不算架构设计，只从电路设计开始到投片，最少就需要半年的时间成本，而从投片送到工厂加工生产，一般又要2—3个月。而单一次投片的费用就需要数十万元，其中先进工艺的费用甚至高达一千万到几千万。

　　这里，我们按下芯片制造前设计耗时长、难度大和成本高等难点不表，光是芯片制作成功后，验证其是否能按照设计需求准确工作的纠错过程就是一大难点——在数亿个晶体管中查找问题所在，无异于大海捞针，所需要的时间和金钱成本同样非常高昂。有从业者甚至调侃道，做芯片“投入几十亿元可能就听个响”。

　　“在纳米级的微观世界中，对数亿电路检错，其难度可想而知。”李斌感慨集成电路查错和纠错就像培养“老中医”，需要长时间的经验积累。

　　因此，如此高的试错成本和时间成本对一次成功率的要求极高。“团队中一个人出错，3个月后回来的芯片可能就是一块儿石头。修改一轮，又3个月没有了。”李斌说。

　　以近日紫光集团发布的32层三维NADA闪存芯片为例，就耗资近10亿美元、由千人的团队历时2年才研发完成。

　　“2013—2017年我国集成电路产业年复合增值率为21%，约是同期全球增速的5倍左右”

　　一位通信行业的业内的人表示，芯片制造本身作为一个流程漫长的产业链条，其核心仍在研发的专利上。类似于美国通、英特尔等公司，已有完整的专利体系。即使是同样的产品，再研发就需要“弯道超车”，“同一块芯片，自主研发就需要用不同的技术把它实现”。

　　“没有任何一个国家拥有独立完整的半导体产业链。”芯谋研究首席分析师顾文军表示，我国半导体产业起步并不晚，但由于半导体产业链自身的特点，设备、材料、研发几十年来已形成全球制造的格局，以光刻机为例，其内置的镜头就涉及几百个供应商、几千个产品、几万家企业。

　　尽管前路有重重困难，但在追芯的路上，我国一直在努力，集成电路的发展也一直是我国最重视的科研领域之一。从1998年出台的《鼓励软件产业和集成电路产业高质量发展的若干政策》（下称《18号文》）到2014年出台的《国家集成电路产业高质量发展推进纲要》，多年来，国内集成电路产业高质量发展突飞猛进，自给率也逐年提高。

　　如今，华为海思最新的麒麟芯片可以和高通骁龙820一比高下；龙芯积累了十多年，也终于能和北斗卫星一起上天；而寒武纪最新研发出的云端智能芯片，则让中国芯片在人工智能这一崭新的领域里抢跑。

　　师承“龙芯之父”胡伟武教授的陈天石曾向媒体表示，“3年后，我们要力争占据中国高性能智能芯片市场30%的份额，力争全世界有10亿台以上的智能终端使用寒武纪的终端处理器技术。”

　　而工信部信息司司长刁石京在近日接受媒体采访时也表示，2013-2017年我国集成电路产业年复合增值率为21%，约是同期全球增速的5倍左右，我国以芯片产业为代表的高新技术行业，正在迅速成长。