天将降大任于芯片,必先……

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一、“秦一号”与ENIAC

“陛下,我们把这台计算机命名为‘秦一号’。请看,那里,中心部分,是CPU,是计算机的核心计算元件,由您最精锐的五个军团构成……”

——出自《三体I》


在《三体》中,刘慈欣构想了一台由3000万人组成的计算机,用秦帝国最精锐的5个团组成了CPU,希望能计算出恒纪元与乱纪元的交替规律,但漫长的运算和频繁的出错还是导致这台“人肉计算机”没能求解三体问题的答案。

这个构想显得很荒诞,同时也很大气。

但世界上第一台计算机ENIAC却和“秦一号”有着异曲同工之妙,它占地170平方米,主要由20,000个真空管、7,200个晶体管和其他电路元件构成,耗电量足足有150kW。在运行过程中,ENIAC的热量损耗也很大,导致脆弱的真空管损坏,整个机器很容易出故障。

(图片来源:维基百科)

今天的电脑无论是在体积、性能还是稳定性上都比“秦一号”和ENIAC强到不知哪里去了,这在很大程度上都要归功于晶体管和集成电路技术的发展。晶体管可以算是整个电路的细胞,而集成电路技术将这些“细胞”排布在芯片上。

(图片来源:图虫)

二、位置齐全,才能打赢团战

除了高大上的CPU,电脑主板上那些黑黑的方块也是芯片的一种,虽然其貌不扬,但少了它们,电脑同样会出各种各样的问题。对于不同的电子设备,芯片的架构和晶体管的类型也是不同的。

就拿MOS管IGBT来说,如果把电路世界比作Moba游戏的战场,他们二位英雄定位就完全不同,看了下面这个视频,相信你会有更深的体会。


前方高能!!!前方高能!!!!前方高能!!!!!


MOS管和IGBT都属于开关器件,他们就像两扇门,都有“开”和“关”两种状态。用足够大的力量(电压)推门,门就会开,让一批电子通过。但电子不懂得先来后到,它们会一拥而上,导致电子们通过的速度减慢(热损耗)。

这两扇门的大小和结构区别很大,MOS管门的尺寸比较小,更适合小规模的电子通过(小功率),但尺寸小的MOS管门可以更快的开和关(开关频率高),可以进行更加精确的功率变换。

(晶体管器件开关频率-功率分布图)

IGBT门的尺寸就很大,大规模的电子通过也不会造成严重的拥堵,所以它的热损耗比较小,更适合用在大功率设备上。但和MOS管相反,门的尺寸太大,无法做到很高的开关频率。

难道就不能设计出开关频率高、热损耗又小、大功率驱动的芯片么?鱼和熊掌不可兼得,在现有技术上,硅基芯片在多个性能无法做到兼顾。

(图片来源:图虫创意)

比如MOS管,虽然它的开关频率很高,但频繁的切换状态也会造成更多的热损耗。这种损耗在小功率情况下还能够接受,在大功率情况下就会造成严重的发热,甚至会烧毁芯片。

三、万级的数量,纳米级的操作

无论是电脑、手机这样的小功率电器,还是变频空调、电动汽车、高铁这样的大功率设备,要想正常工作都离不开芯片,但它的量产技术却十分复杂。

一枚指甲盖大小的芯片,内部往往集成了上万甚至上亿的晶体管,为了让这些纳米级的元件“安家落户”,芯片在投入使用前,要经历上百道工序的纳米级改造,如果其中有一步出了问题,芯片的良品率就很难保证。

(图片来源:图虫创意)

天将降大任与斯人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤……这段话来形容芯片生产应该再合适不过了。

生产芯片的原材石料是单晶硅,需要用石英砂通过复杂的化学反应制成纯度99.999%的硅锭,然后我们的芯片就正式开始“受苦”了。

首先就要“上刀山”,用刀具将硅锭切割成单晶硅的圆片——晶圆。接下来的步骤都是在它的基础上完成的。

(硅锭切割)

晶圆上的晶体管是怎么来的?先给晶圆涂上一层叫做光刻胶的“防晒霜”。然后,用紫外灯透过印有电路图的蒙版进行照射,有的光能透过蒙版抵达晶圆表面,这部分的“防晒霜”就被溶解了。

(光刻电路)

被溶解的区域会露出晶圆表面,然后就可以往晶圆的脸上泼硫酸,啊不,是用化学物质将暴露的晶圆腐蚀掉,而覆盖有光刻胶的区域则不会被腐蚀,这个过程被称作蚀刻

蚀刻之后,晶圆表面就会呈现出复杂的“沟渠”。它们组成了晶体管的原型。 为了让晶体管发挥自身的电特性,还需要对晶圆进行原子掺杂,因为纯度过高的单晶硅是无法导电的。

光是掺杂还不够,因为这时候离子在晶格中是无序排列的,需要通过高温让这些掺杂的离子被激活,并将晶格中的硅原子踹下去,取而代之。

真正强大的芯片还要通过覆铜来穿上金属的“盔甲”,让晶体管彼此相连,将电信号输送到每一个角落。经过物理气相沉积进行覆铜后,晶圆的体内已经像金刚狼一样强大了。

(离子注入)

当然,复杂的芯片可不仅仅有一层电路,10层、甚至20层的结构,在微观世界下看起来就像是恢弘的立体迷宫。

(图片来源:图虫创意)

到此,晶圆的身上已经承载了许多的芯片,使命已经完成。经过献祭般的切割,它以芯片的姿态重生。

(晶圆切片)

重生的芯片经过性能检测、封装后,最终变成了我们生活中所使用的各种芯片。

(芯片封装)

四、IGBT芯片量产势在必行

IGBT芯片生产如此困难,能够实现量产的公司少之又少。但芯片应用范围非常广泛,重要性不言而喻。小到洗衣机、变频空调,大到飞机、云轨、航母弹射、电磁炮,IGBT可以说是当今不可或缺的芯片技术,影响到很多重要的技术领域。

今年,比亚迪终于实现了我国电动汽车的IGBT芯片技术高质量产零的突破。

这样的技术突破经历了近十年的摸索、研发、试错与优化,才最终在比亚迪自身的电动汽车上应用,进而惠及整个自主新能源产品市场。

虽然如此艰难,但芯片的自主研发和量产势在必行。一味的依靠进口,除了成本难以降低,在技术发展上也完全被限制,失去主动权。

当然,不只是芯片,所有的技术突破并非一蹴而就。它们就像芯片一样,从原理到应用,也是要经历刀山火海的重重考验啊!而突破之后,科技带来的曙光,将照耀整个神州大地。

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