半导体知识及芯片发展史(深度)

智能计算芯世界 2021-06-20 07:55




1、重温半导体飞速发展的半个世纪


什么是半导体?


半导体是导电性介于导体和绝缘体中间的一类物质。与导体和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到 20 世纪30 年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体主要由四个组成部分组成:集成电路、光电器件、分立器件、传感器,由于集成电路又占了器件 80% 以上的份额,因此通常将半导体和集成电路等价。

集成电路按照产品种类又主要分为四大类:微处理器,存储器,逻辑器件,模拟器件。通常我们统称他们为芯片。

提起芯片,很多人可能见过,就是一块黑色类似于小盒子的东西,它是由晶体管组成的。

什么是晶体管呢?

严格意义上讲,晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。

所以我们可以知道:由半导体材料制造出了晶体管,由晶体管组成了芯片。


2、晶体管的诞生

晶体管的发明,最早可以追溯到 1929 年,当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是,限于当时的技术水平,制造晶体管的材料达不到足够的纯度,而使其无法制造出来。

1947 年 12 月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。

1956 年,肖克利、巴丁、布拉顿三人,因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。肖克利也被誉为晶体管之父。

芯片有如此强大的功能,为什么晶体管可以胜任呢?

我们知道对于数字电路来讲,逻辑是其精髓所在,所有的功能归根结底,都可以说是逻辑功能。而逻辑的基本构成元素是逻辑 0 和逻辑 1。

而晶体管恰好具备这种功能--通过电信号来控制自身开合,以开关的断开和闭合来代表 0 和 1。

3、历史中的八卦

当然,一味的讲原理或者讲历史就没意思了,我们来挖掘半导体发展过程中的八卦。

前面有提到过,被誉为「晶体管之父」的肖克利,出生于伦敦,三岁时随父母漂洋过海来到加州。受父母对他科学思想的灌输,考入 MIT,随后获得固体物理学博士,留校任教。

后来,被位于新泽西州的贝尔实验室副主任凯利来麻省「挖墙角」,将肖克利挖走了。当晶体管发明成功后,肖克利并不满足,他依然进行着不断地尝试,希望发明性能更好的晶体管,并将其商品化。

与此同时,高纯硅的工业提炼技术已成熟,用硅晶片生产的晶体管收音机也问世。在贝尔实验室工作的肖克利坐不住了,他看到了未来的商机,而现在只能看着贝尔实验室拿他的发明赚钱,并且晶体管的性能不稳定有损个人声誉。

最后,矛盾爆发了!当然最终还是因为利益。


4、硅谷诞生

1955 年,肖克利回到了自己的家乡圣克拉拉(Santa Clara)谷,并得到了贝克曼的支持,创办了自己的公司。

圣克拉拉位于旧金山湾区南部,地理位置优越环境优美,气候清新宜人,交通便利。从此,这一片狭长的山谷举世闻名。


肖克利在创办了自己的公司后,依靠自身的威望,很快招到了一批学识渊博,技术过硬的人才。此时,我们仿佛看到一家半导体商业巨头正要崛起,屹立于世界之巅,但是,总有意外发生。

硅谷八叛将。

肖克利虽然是一个聪明绝顶的天才,但却不是一个好的管理者。在公司发展方向上,几乎由他一人掌控,专横独裁,而且他不知道自身的缺陷,也不接受同事的合理化建议,最终导致公司在很长一段时间里都没有产品做出来。

在同事关系上,他忽略了最重要的两点 -- 尊重与信任,肖克利通过各种办法,牢牢的将技术专利掌握在自己的手中,这种自私自利的管理方式,终将会让公司走向没落。

1957 年 9 月 18 日,以诺伊斯为首的八位年轻人愤然提出离职,肖克利得知后勃然大怒,骂其曰「八叛逆」(Traitorous Eight)。

硅谷八叛将分别为:诺依斯(N. Noyce)、摩尔(R.Moore)、布兰克(J.Blank)、克莱尔(E.Kliner)、赫尔尼(J.Hoerni)、拉斯特(J.Last)、罗伯茨(S.Boberts)和格里尼克(V.Grinich)



5、传奇的仙童

很快,这八个人就拿到了一笔风险投资,投资人是具有远见卓识的谢尔曼·菲尔柴尔德,成立了仙童半导体(Fairchild),公司是以投资人命名。

公司由谢尔曼·菲尔柴尔德控股,管理人为诺伊斯。在新型的管理模式下,仙童半导体快速发展,不到半年的时间里就已经开始盈利。

与此同时,仙童的两项发名专利,更使其立于世界的半导体之:一,是平面工艺,是一种制造半导体电路的工艺方法,发明人为约翰·霍尔尼(Jean Hoerni)。

另一个发明专利便是集成电路。

顾名思义,集成电路就是用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上。

1958 - 1959 年,来自仙童的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)发明了硅集成电路。事实上,在早些时候,来自德州仪器的杰克·基尔比(Jack Kilby)发明了锗集成电路。由于两人在同一年独立且不知情的情况下分别发明了集成电路,所以两人共享集成电路发明者的荣誉。

现在,在我们眼里看来,把多个电路集成到一起而减少面积是个自然而然的事情,然后这个简单的想法,却改变了我们的世界。很多伟大的发明,往往源自一个很简单的想法。也许,即使没有这两位,依然有人会想到这个点子,但是历史只会记住最先吃螃蟹的人。

此时的仙童半导体公司风光无限,而半导体行业在那时宛若一个巨大的金矿,任凭仙童肆意挖掘。而仙童的股权大部分都在投资人谢尔曼·菲尔柴尔德的手里,与此同时,仙童半导体公司的利润被不断转移到东海岸,去支持 Fairchild 摄影器材公司,此时仙童的员工开始坐不住了,开始了新一轮的离职创业潮。



6、花开遍地

1968 年,诺依斯(N. Noyce)和摩尔(R.Moore)从仙童离职后创办了我们所熟知的英特尔(Intel),这里的摩尔就是我们所熟知的摩尔定律的提出者。摩尔定律:集成电路芯片上所集成的晶体管数目,每隔 18 个月就翻一倍。

1969 年,杰里·桑德斯(J. Sanders)当时在仙童担任销售部的主任,带着 7 位仙童员工创办 AMD。

还有许多我们所熟知的公司,比如美国国家半导体(现已被 TI 收购),Altera(现已被英特尔收购)等的创始人都出自仙童半导体公司。

正如江湖流传的苹果公司乔布斯形象比喻的那样:「仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英,你一吹它,这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。」

随后,英特尔, TI,三星等巨头开始在世界的舞台大放异彩!

在处理器(CPU)领域,英特尔的发展史代表了处理器的发展史。

1971 年,英特尔推出了它的第一款处理器:4004,这是一款 4 位的处理器,仅包含 2300 个晶体管,现在来看,这款处理器简直就是个小弱,但它的诞生意义重大,实现了从 0 到 1 的突破。

1978 年,英特尔推出了一款 16 位的处理器:i8086。
1979 年,英特尔又推出了 8088,8088 是第一个成功应用于个人电脑的CPU。
1982 到 1989 年,期间又陆续推出了 80286、80386、80486 微处理器。
1993 年奔腾处理器横空出世,2005 年酷睿走进大众的视野,酷睿 i3、i5、i7成为 PC 的主流。

英特尔,AMD 主要做 PC,服务器的芯片。对于现在炙手可热的智能手机,处理器的竞争则更为激烈。苹果、三星、高通一直占领着高端机的市场,国内近几年半导体业强势崛起,海思,展讯可谓国内的代表。


纵观过去的半个世纪,半导体的迅猛发展为我们的科技爆炸提供了基础。当 10 nm 的芯片已经商用,7nm、5nm 制程已经接近极限的情况下,摩尔定律似乎已经开始走向终点,半导体下一个转折点在哪里,我们还不能确定,但目前量子技术的发展似乎给我们指明了方向。

随着量子通信,量子纠缠等新鲜词语开始出现在我们的视野中,量子芯片也横空出世,与传统芯片用 0 和 1 进行运算处理不同,量子芯片具备多个量子位,而不是再只有 0 和 1 两种逻辑状态,这样使得芯片的运算能力成指数增长,从而突破摩尔定律的限制。

回顾半导体发展的辉煌历史,也在一定程度上代表了人类的文明史。如果说机械的发展解放了人类的劳动力,那么半导体的发展则解放了人类的计算力。而且半导体的发展势头绝不会就此停歇,必将随着科技的发展大放异彩,对我们每个人来讲,未来的半导体,未来的世界,值得我们期待。

7、中国的芯片制造究竟处在什么水平?

总结几个关键词:发展很快,落后两代,技术受限,产品低端。

总的来说,中国的芯片制造技术在快速发展,同时存在工艺落后、产能不足、人才紧缺等问题。

中国集成电路行业共分芯片封装、设计、制造三部分,总体呈现高速增长状态。2004 年至 2017 年,年均增长率接近 20%。2010 至 2017 年间,年均复合增长率达 20.82%,同期全球仅为 3% - 5%。


但是另一方面,中国集成电路制造工艺落后国际同行两代,预计现在中国可完成 14 nm 级产品制造,同期国外可完成 7 nm 级产品制造。

高端芯片产能严重不足,50% 的芯片依赖进口,同时中国的产能和需求之间结构失配,实际能够生产的产品,与市场需求不匹配,长期的代工模式导致设计能力和制造能力失配、核心技术缺失。

投资混乱、研发投入和人才不足等问题,导致中国集成电路产业目前总体还处于「核心技术受制于人、产品处于中低端」的状态,并且在很长的一段时间内无法根本改变。

再具体一点的,数字电路部分的芯片设计我们还可以赶上来,但是在模拟电路部分,我们的晶振、AD 采集卡等产品的精度还不够高,积累得还不够,核心技术还没有把握到手里。

8、国内缺少关键节点的关键技术

有三大主要关键技术或者说流程上有三大节点,「EDA、芯片设计、芯片制造」,最后才是封装测试。
 
这三个关键节点,缺一不可并且每一个环节都是被卡脖子的对象,我们先看一下三个领域里的公司分布。
 
EDA(Electronics Design Automation),是集成电路产业的基础,处于芯片产业链上游的子行业。它就相当于设计房子时所用到的 CAD 软件,有了 EDA 才能对芯片进行设计,举个例子,如果你想写字 EDA 就如同一支笔。
 
全球著名的 EDA 厂商有:

  • 美国的新思科技(Synopsys);
  • 美国的楷登电子科技(Cadence);
  • 2016 年,被德国西门子收购的明导国际(Mentor Graphics)。

这三家公司是业内主流,并瓜分了 70% 以上的市场份额。


9、芯片设计


1. 华为海思

毫无疑问海思已经是芯片巨头。犹记得曾经在海思办公室呆了一段时间,印象深刻。

在2020年Q1的全球半导体 TOP10 榜单出现了两个「新面孔」,分别是华为海思(HiSilicon)和英伟达(Nvidia)。但是海思 90% 以上销售额都来自母公司华为的内部采购,应用到了自家的产品上。

而麒麟 9000 系列处理器和高通骁龙 865 比起来也不遑多让。当然,台积电无法为海思代工对其打击巨大。


2. 紫光展锐

紫光展锐是有展讯和锐迪科合并而来,隶属于紫光集团。

紫光展锐是我国集成电路设计产业的龙头企业,最近公司进军 5G 和 AI 领域,拥有超过超过 3700 个专利,每年出货芯片量超 15 亿颗。目前看起来展锐紧跟时代方向,但成为巨头还有很长的一段路要走。

3. 中兴微电子

中兴微电子在全球设有多个研发机构,研发人员超过 2000 人。经过十多年的发展,中兴微电子掌握了国际一流的 IC 设计与验证技术,拥有先进的 EDA 设计平台、COT 设计服务、开发流程和规范。

目前中兴微电子已申请的芯片专利超过 4000 件,其中 PCT 国际专利超过 1800 件,5G 芯片专利超过 200 件。 

4. 联发科MTK

联发科总部位于台湾,在上海北京苏州等多地有分公司,主要产品包含手机CPU,无线通信以及多媒体等芯片。因为其CPU主打中低端市场,基本用在2000元以下的手机上。

5. 寒武纪

寒武纪是国内AI芯片第一股,颇受资本青睐,已经完成了5轮融资,海思和展锐也是其客户。

7. 平头哥

平头哥是阿里巴巴收购中天微后成立的半导体公司,2019年7月25日,发布了第一个成果,基于RISC-V的处理器 IP 核玄铁 910,其可用于设计制造高性能端上芯片,应用于 5G、人工智能以及自动驾驶等领域。

其余行业内比较优秀的公司还有,华大半导体,豪威科技,比特大陆,澜起科技,长江存储,大唐微电子,海康威视等,都发展的不错。


10、芯片制造


1. 台积电

台积电就不多说了,妥妥的巨头。

2. SMIC

SMIC 第一代 14 nm FinFET 技术取得了突破性进展,并于 2019 年第四季度进入量产,代表了中国大陆自主研发集成电路的最先进水平。当然和第一梯队的台积电,三星和 Intel 有一定的差距,但是 14nm 也足够优秀了。

3. 三星

三星同样是世界级的芯片制造商,和台积电二者几乎垄断了高端芯片制造市场。

所以从以上分析来看,芯片的几大环节,EDA - 芯片设计 - 芯片制造,到封测与国际水平对比,差距最小的是封测,其次是设计。

差距最大的是芯片制造和 EDA,目前三星、台积电商用芯片 7nm 已经投入使用, 5 nm 正在路上。而 EDA 也基本被 Synopsys,Cadence,Mentor 三家垄断。

对于华为而言,只是拥有了设计能力,这也是被卡脖子的原因,简单理解就是,华为目前拥有世界顶级的芯片设计能力,但没法生产,就像建筑师拥有一套非常厉害的设计图纸,但没办法盖房子一样。
 
了解这些,可以帮助我们进一步了解,华为在自动驾驶系统推出后,为什么还会有巨大风险的原因。

国内芯片发展自主之路,任重而道远。

参考文章:《半导体「芯片」的发展史》

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RAID技术概述
SSD与HDD混合RAID解决方案
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