【什么是芯片】芯片到底是什么?为什么开发芯片投资动辄几百上千亿?

2021-05-18 - 芯片

中美贸易战愈打愈烈,美国以芯片为首制裁中国。芯片运用于电子元器件的各行各业,中国以往进口芯片花的钱,比石油还要多,中美贸易战的根源,实质也就是芯片战争。公开资料显示,2019年,华为用在麒麟芯片上研发的资金超过一千亿。芯片到底是什么?为什么中国就产不出好的芯片呢?为什么研发芯片动不动投资就成百上千亿?那么今天就来分析一下。

什么是芯片

什么是芯片

芯片的定义:芯片又叫微电路、集成电路,是大规模的微电子集成电路,是半导体元件的总称。在电子学中是一种把包含半导体设备的电路小型化的方式,通常制造在半导体晶圆表面上。简而言之,芯片就是嵌有集成电路的硅片,随着科技的发展,体积不断变小以适应各种产品但处理能力保持不变甚至更快。

什么是芯片

体积有多小,现在的芯片都用纳米工艺即百万分之一毫米,通过纳米技术把千万或亿级数量的电路板,集成,堆叠,微缩到1X1X0.5厘米的高晶硅片中。现在最先进的为7纳米,每个元器件微缩到14纳米、7纳米,未来将微缩到5纳米甚至更小,逼近极限。也就是,将几十亿个电子元器件集成在1平方厘米的高晶硅片上,这是近乎疯狂的创造。

芯片的类型

芯片根据功能用途主要分为存储芯片和处理器芯片。

处理器芯片将计算机电子系统集成到单一芯片上,常见的有中央处理器(CPU)、图像处理器(GPU)、数字信号处理器(DSP)等,应用中包括一个或多个中央处理器(CPU)。现在的计算机服务器、个人电脑(台式或笔记本)、智能手机和平板电脑都有多个CPU。服务器和个人电脑微处理器基于x86、POWER和SPARC芯片架构。而智能手机和平板电脑通常使用ARM芯片架构。

存储芯片是通过半导体芯片集成储存,分为闪存芯片和随机存取存储器(RAM),闪存芯片则可以永久保存信息,而随机存取存储器芯片提供临时的工作空间。值得一提的是目前一些存储厂商正在开发基于存储芯芯片架构的全功能产品。

开发芯片为什么这么贵

一款成功的芯片需要经过芯片设计晶片制作封装测试四个主要步骤,这四个步骤每个步骤都非常复杂,主要费用大概归纳为以下几点:

1、光刻机

光刻机是芯片制造的核心设备,是中国在半导体设备制造上最大的痛,国内用到的高端光刻机完全依赖进口。现在最先进的EUV光刻机可以做到7纳米的雕刻精度,7纳米的概念就相当于一毫米的十万分之一。要达到这样的雕刻精度,要非常高的科技,在晶圆雕刻的过程同时要快速移动,每次移动10厘米,但误差必须被控制在纳米级别。

为了达到这种精度效果,需要高度的科学技术,目前世界上最先进的光刻机上有10万个零件,一部汽车上的零部件只有5000个。7nm以下制程的光刻机只有荷兰的阿斯麦能制造,是当今世界光刻机市场上的绝对霸主,EUV光刻机的研发集中了欧洲和美国的最先进技术,7nm制程芯片的光刻机每台卖一亿美元。

虽然中国有钱,但是光刻机不是有钱就能买得到,光刻机作为特定商品,美国带着他的全球盟友限制向别的国家出口特定商品,中国就是被限制的对象。

2、材料处理设备

材料处理设备是另一个很大的部分,如可将晶片上的东西精确地烧掉的等离子蚀刻机;可将原子般薄的新材料层沉积到晶片上的沉积设备;哄骗外来原子进入硅的晶体结构的熔炉,以及像原子粉碎机一样的离子注入器。

这些设备都非常昂贵,每个工具都要花费数百万甚至数千万美元。因此,建造一座现代化的晶圆制造厂的设备成本可能高达100亿美元。

3、高昂的知识产权及人工成本

芯片的知识产权基本在外国,这笔费用非常高昂,从上游的芯片设计软件到原材料,只要涉及到的都要付钱。与芯片相关的各类技术人才都是行业的精英,从研发到生产,需要非常多的人员人力成本,特别是高端开发人员和芯片相关的研发工程师年薪都不菲,芯片研发周期也比较长,另外研发也容易失败,每款产品研发出来后还要试生产,行业内称之为流片,这也是一笔不小的费用,越是先进的制程流片成本越高,据传小米澎湃S2已经5次流片失败了,每次失败就意味着上亿的损失,可想而知高端芯片研发烧钱之厉害。

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