小小的它這般神奇

簡單說來，晶片就是一種積體電路，它是通過微細加工技術，把半導體器件聚集在矽晶圓表面上而獲得的一種電子產品。

晶片的奧祕之處，在於它可將多達幾億個微小的電晶體連在一起，以類似用底片洗照片的方式翻印到矽片上，從而製造出體積微小、功能強大的“積體電路”。

晶片上的電晶體有多小呢？一根頭髮絲直徑長度能並排放下1000個，且相互之間能協同工作、完成指定的任務。

製造出來的晶片雖然只有指甲般大小，能耐卻大得驚人。它具有資訊採集、處理、儲存、控制、導航、通訊、顯示等諸多功能，是一切電子裝置最核心的元器件。

在當今資訊社會，晶片無處不在，生活中凡是帶“電”的產品，幾乎都嵌有晶片。我們每天都離不開的手機，裡面的晶片就多達30個。如果沒有晶片，世界上所有與電相關的裝置幾乎無法工作。

晶片不僅事關國計民生，而且涉及資訊保安。一些西方國家出於自身利益考慮，將其視為一種貿易或戰爭的“武器”，輕則通過禁運、限售等措施，制約相關國家資訊產業發展，重則通過接入網際網路晶片的“後門”，進行情報收集或實施網路攻擊。如前幾年發生的“稜鏡門”事件、某大國通過網際網路攻擊伊朗的核電站等，都與晶片有著千絲萬縷的聯絡。因此，晶片不僅是資訊產業的核心，更是資訊處理與安全的基石。

資訊社會不可或缺

隨著資訊科技的迅猛發展，晶片應用已延伸到社會的每個角落，融入生活的方方面面。從人們日常生活使用的手機、電腦、洗衣機，到工業領域的機床、發動機，再到航空航天領域的導航及星載裝置等，哪樣都少不了晶片。

在軍事領域，先進武器裝備、指揮資訊系統，晶片更是不可或缺。如採集晶片可以使武器裝備擁有“千里眼”“順風耳”，資訊處理晶片能給武器裝備裝上“智慧大腦”，通訊晶片能將各種裝備與作戰單元連線起來進行體系對抗，儲存晶片則能儲存各種戰場資料而進行作戰效能和毀傷評估，等等。晶片已成為影響戰爭勝負的重要因素。

廣泛的應用需求，推動著晶片技術的迅速發展。隨著更好工藝的採用以及片上系統、微機電整合系統等技術的進步，晶片開始進入“自組裝”的奈米電路時代，競爭日趨激烈。

應用廣，市場就大。據美國半導體產業協會統計，2017年1月至2月，中國和美國的晶片市場規模份額分別為33.10%和19.73%。中國雖然是全球最大、增長最快的晶片市場，但許多高階晶片要進口。

設計製造難在何處

晶片的設計製造是一個集高精尖於一體的複雜系統工程，難度之高不言而喻。那麼，究竟難在何處？

架構設計難。設計一款晶片，科研人員先要明確需求，確定晶片“規範”，定義諸如指令集、功能、輸入輸出管腳、效能與功耗等關鍵資訊，將電路劃分成多個小模組，清晰地描述出對每個模組的要求。然後由“前端”設計人員根據每個模組功能設計出“電路”，運用計算機語言建立模型並驗證其功能準確無誤。“後端”設計人員則要根據電路設計出“版圖”，將數以億計的電路按其連線關係，有規律地翻印到一個矽片上。至此，晶片設計才算完成。如此複雜的設計，不能有任何缺陷，否則無法修補，必須從頭再來。如果重新設計加工，一般至少需要一年時間，再投入成百萬甚至上千萬元的經費。

製造工藝複雜。一條晶片製造生產線大約涉及50多個行業，一般要經過2000至5000道工藝流程，製造過程相當複雜。製造晶片的基礎材料就是普通沙子，它如何變成製造晶片的材料呢？沙子經脫氧處理後，通過多步淨化熔鍊成“單晶矽錠”，再橫向切割成圓形的單個矽片，即“晶圓”。這一過程相當複雜，而在晶圓上製造出晶片則更難。首先要將設計出來的積體電路“版圖”，通過光刻、注入等複雜工序，重複轉移到晶圓的一個個管芯上，再將管芯切割後，經過封裝、測試、篩選等工序，最終完成晶片的製造。值得一提的是，製造過程中還需要使用大量高精尖裝置，其中高效能的光刻機又是一大技術瓶頸。如最先進的7奈米極紫外光刻機，目前只有荷蘭一家公司能製造，價格上億美元不說，一年僅能生產20臺左右。

投入大、研製週期長。一款複雜晶片，從研發到量產，要投入大量人力、物力和財力，時間至少要3至5年，甚至更長。處理器類晶片還需要配套複雜的軟體系統，同樣需要大量人力物力來研製。美國英特爾公司每年研發費用超過百億美元，有超過5萬名工程師。

發展迅速、追趕難度大。自20世紀50年代末發明積體電路以來，晶片的整合度一直遵循摩爾定律迅猛發展，即每隔18個月提高一倍。半個多世紀以來，晶片的效能和複雜度提高了5000萬倍，特徵尺寸則縮減到一根頭髮絲直徑的萬分之一。晶片領域競爭十分激烈，美、歐等發達國家處於技術領先地位，晶片研發相對落後的國家，短時間內追趕有難度。

“中國芯”正加速追趕

目前，全球高階晶片市場幾乎被美、歐等先進企業佔領。但加速研發中國產自主晶片一直是政府、企業、科研院所的重點發展方向。近年來，中國在積體電路領域已取得了長足進步，晶片自給率不斷提升，高階晶片受制於人的局面正在逐步打破。

中國自主研發的北斗導航系統終端晶片，已實現規模化應用。在超級計算機領域，多次排名世界第一的“神威太湖之光”和“天河二號”，全部和部分採用了中國產高效能處理器。中國產手機、藍芽音箱、機頂盒等消費類電子產品，也開始大量使用中國產晶片。

11月9日，“2018中國積體電路產業促進大會”在重慶舉辦，102家企業的154款產品參加本屆優秀“中國芯”評選，“飛騰2000+高效能通用微處理器”等24款產品獲獎，涵蓋從數字交換晶片到模擬射頻電路、人工智慧晶片到指紋識別感測器、工業控制到消費類電子等各個領域。

這一系列進步的背後，是國家高度重視和大力投入。2006年，國務院頒佈《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》，2014年6月，國務院批准實施《國家積體電路產業發展推進綱要》，都對這一領域發展提出了部署要求。

隨著國家的大力扶持和一系列關鍵核心技術的突破，“中國芯”正逐步縮短與發達國家的差距，“中國創造”終將佔領資訊系統技術制高點，真正把競爭和發展的主動權掌握在自己手中。

【專家小傳】扈嘯，國防科技大學計算機學院副研究員，數字訊號處理設計與應用專家。獲國家科技進步二等獎1項，軍隊科技進步一等獎1項、三等獎1項，出版編著2部，發表論文30餘篇。