Lithography is only one of the three major problems in chip development

    伴随着近年来国产智能手机行业的崛起，网上有关于国产芯片的话题就一直没有断过。近期的行业缺芯潮，又一次将芯片问题推上了风口浪尖。这里，我们提出一个问题：国产芯片发展需要解决的问题究竟是什么？很多朋友可能会想到光刻机，没错，光刻机很重要，但挡在国产芯片发展道路上的难题远不止只有它那么简单。今天，我们就来探讨下挡在国产芯片发展道路上的“三座大山”。 

 

    房子有地基，大树有根基，任何事物发展都依托于本源，芯片也不例外。我们都知道制造芯片的材料是硅。硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子最多可包含25%的硅元素，以二氧化硅（SiO）的形式存在。

 

    硅(SiO)一直被称为半导体制造产业的基础，既然硅是从沙子中提取出来的。那么，沙子遍地都是，不可能缺少沙子，我们缺少的是从沙子里提取硅的技术。 

硅锭

    芯片从设计到制造的过程极为复杂，从沙子中提取出硅，制成硅锭，硅锭切成硅晶圆片，然后交给芯片代工厂生产制造芯片。在从沙子提取出硅的工艺环节中，技术难点就在于它的提纯度，不能低于99.99999%，也就是提取出硅的纯度，它的杂质含量不能超过千万分之一。 

晶圆

这就相当于如果硅晶圆片是8英寸（直径200mm），空气中的灰尘直径是10万分之一毫米，那么按照硅的纯度要求，就必须要控制不能超过2粒灰尘落在8英寸的硅晶圆上，这也是芯片制造离不开无尘车间的重要原因。

硅材料生产制造出名的公司有日本的信越化学和SUMCO，韩国的LG化学以及中国台湾地区的环球晶圆等等。虽然大陆内部也有一定数量的公司在做硅材料的研发生产，但是所占比重还是太小。可以说，芯片制造过程中的硅片产能问题，是国产芯片发展道路上的一座大山。

 

    无论是电脑芯片，还是手机、汽车芯片等，都需要设计规划，而芯片的设计，不仅需要人才研发能力的创新，更离不开EDA工具软件的辅助。

    这里我们首先举个例子，画家绘画除了需要自身的本领外，更离不开颜料、图纸和画板，好的绘画工具可以让绘画的效率事半功倍。可以说，EDA工具软件就如同画家的绘画工具。

    具体来讲，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。

  

    要说集成电路发展初期，电路设计还并非太复杂，即使不借助EDA软件也能实现电路设计。但随着电路集成度越来越高，不依靠软件单纯靠人力就不可能完成设计。况且，芯片早已是纳米级别的电路设计，EDA软件更是不可或缺，正是如此，EDA软件也被称为“芯片设计之母”。

 

    目前，全球最有名的三大EDA软件公司，分别是美国的Synopsys、Cadence 和西门子旗下的 Mentor Graphics ，三大EDA软件巨头几乎垄断了全球 90%以上的EDA市场份额。而且，中国还是三巨头最看重的业务增长市场。

    某种意义上讲，三大EDA巨头都属于美企，Mentor所属的西门子工业软件总部也在美国。受限于EDA管制，从一开始的芯片设计，芯片落地前的第一步可能就要被卡脖子。

 

EDA软件

    当然，国内也有EDA软件公司，其中最有实力的当属华大九天，华大九天继承国产最早的熊猫EDA系统，技术积累还是相当成熟的。但是，纵观国内整个EDA行业，大多数企业很难做到全流程，因此还有很远的路要走。

    EDA工具的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了芯片工程师的负担，给电子系统设计带来了革命性的变化。没有EDA软件设计，高端芯片就没有办法设计，芯片设计要想实现完全自主化，EDA软件就是一个绕不开的问题。

    生产芯片原材料、设计芯片，到真正生产制造芯片就需要用到光刻机了。众所周知，无论是苹果还是联发科、高通等手机芯片，都需要台积电或三星代工生产，而目前用于制造这类高端芯片就需要用到极紫外（EUV）光刻机，而当下也仅有荷兰ASML一家可提供可供量产用的EUV光刻机。

 

荷兰的ASML在光刻机市场上占据了80%的份额

    据悉，一台ASML光刻机重量可达180吨，内部零件多达10万个，其中主要零部件来自于欧美几十个发达国家。荷兰的光刻机德国提供蔡司镜头设备，日本提供特殊复合材料，瑞典提供工业精密机床，美国提供控制软件等等。

 

一台ASML光刻机内部零件多达10万个

    荷兰ASML也不可能仅靠自己就能造出高端光刻机，因为它涉及了全球的供应链体系，汇集了全世界各国的顶尖技术，缺少任何一个组件和环节都不行。

    那么，中国可以自主生产光刻机吗？其实早在去年，中国最强的光刻机生产商上海微电子已经攻破了28nm光刻机，虽然国内光刻机企业对比荷兰ASML有着不小的差距，但作为独立自主研究的成果，意义非凡。总之，国内发展光刻机技术，需要政策支持、资金投入和人才培养，同时更需要时间。


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