李永樂

我國首臺采用國產(chǎn)高性能通用處理器芯片“龍芯3A”和其他國產(chǎn)器件、設(shè)備和技術(shù)的萬億次高性能計(jì)算機(jī)“KD-60”由中國科學(xué)術(shù)大學(xué)和深圳大學(xué)聯(lián)合研制成功

芯片產(chǎn)業(yè)是一個國家高端制造能力的綜合體現(xiàn)，是全球高科技國力競爭的戰(zhàn)略必爭制高點(diǎn)。在信息時代，芯片是各行業(yè)的核心基石，電腦、手機(jī)、家電、汽車、高鐵、電網(wǎng)、醫(yī)療儀器、機(jī)器人、工業(yè)控制等各種電子產(chǎn)品和系統(tǒng)都離不開芯片。

如果說人體最重要的器官是大腦，那么芯片就是電子設(shè)備的“大腦”。

那么，芯片到底是什么？

芯片的英文是chip，實(shí)際上是一片載有集成電路的半導(dǎo)體元件。我們可以把芯片大致分為兩類，第一類叫做功能芯片，比如說cpu，cpu可以實(shí)現(xiàn)一定的計(jì)算功能；第二種叫做存儲芯片，這種芯片可以存儲一定的信息，比如我們電腦里有一種叫做閃存（flash）的東西，這種閃存就是一種存儲芯片，它和硬盤不一樣，硬盤是靠磁介質(zhì)進(jìn)行存儲的，但是閃存則是靠半導(dǎo)體芯片集成存儲的。

芯片內(nèi)部都是半導(dǎo)體材料，大部份都是硅材料，也就是砂子，里面的電容、電阻、二極管、三極管都是用半導(dǎo)體做出來的。半導(dǎo)體是介于像銅那樣易于電流通過的導(dǎo)體和像橡膠那樣的不導(dǎo)通電流的絕緣體之間的物質(zhì)。

如果想制作一個芯片，產(chǎn)業(yè)上大概要分這么幾個內(nèi)容：第一，我們首先要進(jìn)行芯片的設(shè)計(jì)。我們想達(dá)到一定的功能，如何去實(shí)現(xiàn)？我們需要高級的人才把電路設(shè)計(jì)出來。第二是制作。第三就是封裝，芯片制作出來后，如何把它裝在一個板子上，變成一個可以銷售的東西。這三個步驟中最難的是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

芯片設(shè)計(jì)多由專業(yè)IC設(shè)計(jì)公司進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，像是聯(lián)發(fā)科、高通、Intel等知名大廠，都自行設(shè)計(jì)各自的IC芯片，提供不同規(guī)格、效能的芯片給下游廠商選擇。因?yàn)镮C是由各廠自行設(shè)計(jì)，所以IC設(shè)計(jì)十分仰賴工程師的技術(shù)，工程師的素質(zhì)影響著一個企業(yè)的價值。

我們中國大部分的芯片產(chǎn)業(yè)集中在中低端，也就是在制作和封裝環(huán)節(jié)，而芯片設(shè)計(jì)所涉及的產(chǎn)業(yè)很少。就算是我們自主研發(fā)的，也是比較低端的芯片，在高端芯片市場占有率非常低。

現(xiàn)在國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)主要依賴國外，個中原由也不完全是中國設(shè)計(jì)不了芯片，還是因?yàn)楫?dāng)下沒有芯片迭代的條件。一方面，市場已經(jīng)存在性能優(yōu)越的芯片，甚至成本也低。另一方面，人們沒有耐心去等國產(chǎn)的芯片去迭代，這直接限制了中國的芯片設(shè)計(jì)能力的提升。

關(guān)于芯片的制造，也是一個非常復(fù)雜的過程。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子，藉由一層又一層的堆疊，完成自己期望的造型（也就是各式芯片）。然而，如果沒有良好的地基，蓋出來的房子就會歪來歪去，不合自己所意，為了做出完美的房子，便需要一個平穩(wěn)的基板。對芯片制造來說，這個基板就叫晶圓。

樂高積木的表面都會有一個一個小小圓型的凸出物，藉由這個構(gòu)造，我們可將兩塊積木穩(wěn)固地疊在一起，且不需使用膠水。芯片制造，也是以類似這樣的方式，將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。在固體材料中，有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)——單晶（Monocrystalline）。它具有原子一個接著一個緊密排列在一起的特性，可以形成一個平整的原子表層。因此，采用單晶做成晶圓，便可以滿足以上的需求。

一顆芯片的制造工藝非常復(fù)雜，一條生產(chǎn)線大約涉及50多個行業(yè)、2000～5000道工序。就拿代工廠來說，需要先將“砂子”提純成硅，再切成晶圓，然后加工晶圓。晶圓加工廠包含前后兩道工藝，前道工藝分幾大模塊——光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入；后道工藝主要是封裝——互聯(lián)、打線、密封。其中，光刻是制造和設(shè)計(jì)的紐帶。

其中許多工藝都在獨(dú)立的工廠進(jìn)行，而使用的設(shè)備也需要專門的設(shè)備廠制造；使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材，都需要專門的化工工業(yè)。另外，集成電路的生產(chǎn)都是在超凈間進(jìn)行的，因此還需要排風(fēng)和空氣凈化等系統(tǒng)。

經(jīng)過漫長的流程，從設(shè)計(jì)到制造，終于獲得一顆Ic芯片了。然而一顆芯片相當(dāng)小且薄，如果不在外施加保護(hù)，會被輕易地刮傷損壞。此外，因?yàn)樾酒某叽缥⑿?，如果不用一個較大尺寸的外殼，將不易以人工安置在電路板上。

左圖：生活中的電腦、手機(jī)、家電、汽車、機(jī)器人等各種產(chǎn)品都離不開芯片的大量應(yīng)用。

右圖：中國公司在國外的研發(fā)中心正在做集成電路的人工抽檢。（智芯國際控股有限公司供圖）

目前常見的封裝有兩種，一種是電動玩具內(nèi)常見的，黑色長得像蜈蚣的DIP封裝，另一為購買盒裝CPU時常見的BGA封裝。至于其他的封裝法，還有早期CPU使用的PGA（Pin Grid Array；Pin Grid Array）或是DIP的改良版QFP（塑料方形扁平封裝）等。

完成封裝后，便要進(jìn)入測試的階段，在這個階段便要確認(rèn)封裝完的IC是否有正常的運(yùn)作，正確無誤之后便可出貨給組裝廠，做成我們所見的電子產(chǎn)品。

中國的芯片產(chǎn)業(yè)也有過黃金年代。比如20年前，我國就提出口號，要發(fā)展自己的半導(dǎo)體。早期，高端通用芯片作為“核高基”專項(xiàng)之一，以及國家863計(jì)劃等重大政策的加持，大量的政府資金涌入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。龍芯、飛騰等國產(chǎn)公司紛紛立項(xiàng)。

這些公司或多或少曾在自主研發(fā)上進(jìn)行嘗試，但研發(fā)進(jìn)展緩慢。在863、973、自然科學(xué)基金、知識創(chuàng)新工程以及核高基重大專項(xiàng)等資金扶持下，中科院計(jì)算所2001年開始研制龍芯CPU。直到2010年，轉(zhuǎn)型成立公司，該計(jì)算所研制的CPU的樣品才完成產(chǎn)品化。目前龍芯的商用化進(jìn)展并不大。

在我國自主研發(fā)芯片的過程中，也出現(xiàn)一些發(fā)人深省的事件。比如“漢芯一號”造假風(fēng)波。

2003年，上海交大微電子學(xué)院院長陳進(jìn)聲稱研發(fā)出了一個芯片叫“漢芯一號”，當(dāng)時國家科委和上海市組織了一個發(fā)布會，對“漢芯一號”進(jìn)行了測試，結(jié)論就是“這一成果接近國際先進(jìn)技術(shù)，在某些方面的性能甚至超過了國外同類產(chǎn)品。”

“漢芯”的誕生，在當(dāng)時被定義為“中國芯片產(chǎn)業(yè)的里程碑”。陳進(jìn)因此也是榮譽(yù)加身，攀上了人生頂峰。

但后來在2006年時，陳進(jìn)的一個研究生“叛變”了，他在水木BBS上發(fā)了一篇帖子，直指他的導(dǎo)師陳進(jìn)教授“漢芯一號”作假。那么究竟是怎么做的假呢？實(shí)際上陳進(jìn)是在美國買了一個摩托羅拉的芯片，他找了一個民工，把摩托羅拉芯片上的原標(biāo)記磨掉。然后又打上了自己“漢芯一號”的LOGO，這樣就變成了中國自主研發(fā)的芯片?！皾h芯”誕生后，陳進(jìn)借此榮耀申請了數(shù)十個科研項(xiàng)目，騙取高達(dá)上億元的科研基金。

后來這個事件被調(diào)查證實(shí)屬實(shí)后，陳進(jìn)被撤銷了一切職務(wù)。從那以后，中國的芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個低谷，沒有人再敢去搞芯片了，很多的新興項(xiàng)目，上馬的時候都非常謹(jǐn)慎，這也導(dǎo)致這十多年中國的芯片企業(yè)基本上發(fā)展緩慢。

組圖：縱觀過去二十幾年，電子信息通信產(chǎn)業(yè)是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大亮點(diǎn)，手機(jī)、電腦、平板等產(chǎn)量都高居世界第一，但缺芯少魂的問題一直沒能得到很好解決。

右圖為，2003年2月26日“漢芯一號”DSP芯片在成果鑒定會上。自主研發(fā)高性能芯片是我國科技界的一大夢想。但原本該給國人帶來自豪感的“漢芯一號”，后來卻變成了一起讓人瞠目結(jié)舌的重大科研造假事件。