芯片是怎么制造出来的？

 

芯片、卡脖子、M1……即使对硬件不了解的人，今年都耳濡目染了不少芯片相关的新闻。

从沙子到维持计算机高性能运算的芯片，这个过程发生了什么？

今天，我带大家走一遍沙子是怎么走向高科技的。

今年10月19日，苹果发布了M1 Pro与M1 Max芯片 ，使用了SoC 芯片架构，这在专业级系统中尚属首例。

(Soc架构是指在一块芯片上集成一整个信息处理系统，称为片上系统或系统级芯片.一般说来，SoC是一个完整的整体，已经拥有了整个数字系统的完整功能。它也是一种ASIC(专用集成电路)，其中包含完整的控制系统并有嵌入式的软件)

1个多月后，高通不甘落后，正式发布 新一代旗舰处理器晓龙8Gen1 。

两个公司，一个是IOS系统的专利拥有，一个是 安卓手机处理器的带头大哥，均于今年推出了远超前代的产品。

做芯片这项高科技，在业界更多被称作集成电路设计（Integrated circuit design, IC design），简称IC设计。

而IC设计，简单来说，可以分为芯片设计和芯片制造及封装两部分。

首先说一下IC设计：

这一部分主要包括规格定义，系统设计，前端设计和后端设计。

前三个阶段可以这么理解：

首先需要考虑芯片的使用领域，了解用户的需求，芯片也是一个产品，当然清楚客户想要什么。

比如现在想设计一款智能手机芯片，这个芯片要满足用户基本需求外还要尽可能提升AI拍照、游戏、影音等性能。

根据这些要求，决定使用两大核一小核的NPU，行业叫做嵌入式神经网络处理器，来提升AI功让手机变得更聪明，另外采用8核CPU及16核GPU提升手机算力和运行速度。接下来再设计电路方案及接口和模块架构。

再然后便开始编辑逻辑代码了，也就是用代码的方式描述电路设计,根据之前的设计使用Verilog HDL，目前应用最广泛的硬件描述语言。这样的编程语言来完成，要知道，在IC技术的初始阶段，一个个的门电路都需要研发人员手写出来---RTL(Register Transfer Level）中文叫寄存器转换级，也就是用以描述电路逻辑设计的代码。

接着就是设计阶段的最后一个工序：后端设计

需要在Verilog的基础之上进行EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，验证，测试前阶段的电路规格是否完备，相应的功能是否都可以实现，再进行一定的优化和调整。最后再将RTL转换为Netlist(网表-描述电路元件相互之间的连接关系)，再转换为GDS(物理版图）简单说就是把电路描述语言映射到物理层面上的一个个具体器件，整个芯片的设计部分就算是大功告成了。

IC设计阶段流程概念图

接下来再说下怎么通过GDS制造出指甲盖大小的成品芯片。

这一步就像盖房子一样，我们已经有了房屋的设计图，要做的就是一步步是施工制造并封装成型。

这里首先从一堆其貌不扬的沙子开始：将沙子经过高温、纯化、过滤等操作，得到由硅单质组成的硅锭，再将硅锭切割成薄片，便获得了芯片制造的基本原料-- 。

拿到晶圆再怎么办呢？首先需要在其上涂一层感光材料，随后使用特定的紫外光，透过印着预先设计好的电路图(也就是设计阶段得到的GDS)的掩膜，照射在晶圆上。

由于感光材料会被溶解掉，那晶圆上留下来的图案便是和掩膜一样的图形。再使用一些化学物质溶解掉暴露出来的晶圆，留下光刻胶保护着的部分。

再然后把硼和磷注入到硅结构中，让硅具有晶体管的属性。再填充铜用以和其他晶体管互联，最后再在上面涂一层感光胶，一直重复前面的步骤，直至芯片结果后完成。

这里就和用油漆喷罐做精细作图类似，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，由遮盖的方式一层一层的堆叠起来。

到了这里，芯片基本就已经制作成型了。

再之后再对晶圆进行切片，分割成一个个独立的芯片后，使用金属导线将芯片上的联结点同引线框上的引脚进行连接使得芯片可以正常工作。

最后的最后将装配好芯片的引线框放置在模具中，再将封装材料加温注入摸具，形成一层外壳。至此，一枚芯片就诞生了！

我国目前芯片设计已经有了很长足的进步， 便是证明，尤其是去年发布的麒麟9000，在综合性能上甚至要比同期骁龙888芯片更强。

移动端芯片综合性能排行

但是，由于美国的一纸禁令，华为将不允许使用任何涉及美国技术的产品，来设计和制造芯片，导致直到现在，2021都即将过去华为也再没有新的9000系芯片问世，麒麟9000或许也会成为绝唱！

华为-麒麟9000芯片

放眼国内，在EDA工具和芯片制造等方面长久受限于美日等国家的IP和专利，尤其是光刻机的技术落后和限制，我国基本不能完成高端芯片的制作落地，任重而道远呀。

不过我们不妨用积极的眼光来看待美国对华的芯片禁令，中国芯片确实底子薄，以往高端芯片一直依赖进口或者自主设计再由外企代加工，但是短期的断供也会激励中国各界齐心协力发展芯片制造。在国家政策的大力支持和各界齐心协力之下，中国破解芯片困局其实也只是一个时间问题了。近20年内，中国芯片无疑是朝阳产业。

我们来简要解析下《中国集成电路产业人才发展报告（2020-2021年版）》。

《中国集成电路产业人才发展报告（2020-2021年版）》

根据报告显示，我国集成电路产业正处于布局和发展期，行业薪酬一直猛涨，进入本行业的从业人员增多。2020年国内直接从事集成电路产业的人员约54万人，增长了5.7%。从产业链各环节来看，设计业、制造业和封装测试业的从业人员规模分别为20万人、18人和16万人。预计到2023年前人才需求将达到77万人左右，仍有20万人的缺口。

在企业招聘中，则以电气工程及其自动化、电子信息科学与技术、机械设计制造及其自动化等专业为主。

芯片行业招聘专业排行

另外众所周知，芯片行业是知识密集型行业，对从业人员的学历要求较高，所以学历越高的人可选择的工作机会越多，如果对这IC设计有浓厚的兴趣，不妨尽快提升能力，赶上时代的浪潮。