¿Cuánto sabes sobre diseño de chips?
En primer lugar hay que explicar dos conceptos: diseño de chips y fundición de chips.
Son diferentes. Un buen ejemplo: Qualcomm, Samsung y Huawei pueden diseñar chips. Entre ellos, Samsung puede producir sus propios chips, mientras que Qualcomm y Huawei necesitan encontrar fundiciones.
Samsung y TSMC son las dos fundiciones de chips más famosas.
Por ejemplo, Qualcomm en Estados Unidos diseña sus propios chips. Pero no produce chips. Por ejemplo, los chips de alta gama de Qualcomm son fabricados por Samsung y los chips de alta gama diseñados por Huawei son fabricados por TSMC.
¿Por qué China no puede producir actualmente chips de alta gama?
Ya no somos los débiles cuando se trata de diseño de chips. Los chips Kirin de Huawei se desarrollan internamente y ya son muy potentes en chips de alta gama.
Pero la fundición de chips Kirin no encontró un fabricante continental.
Porque incluso SMIC, que actualmente ocupa el puesto número uno en China continental, no puede producir chips Kirin 970.
Chip Huawei Kirin 970, el proceso es de 10nm.
El proceso se presentará en detalle más adelante, es decir, cuanto menor sea el número, más avanzado será el proceso. El rendimiento de los chips de nuestros teléfonos está determinado por la calidad del proceso de fabricación.
Los chips de 7 nm son definitivamente más fuertes que los de 10 nm, y los chips de 10 nm son más fuertes que los de 14 nm.
En 2017, tanto Samsung como TSMC dominaron el proceso de 10 nm más avanzado. Así que ahora el proceso de producción de 10 nm está monopolizado por Intel, Samsung y TSMC.
El SMIC más avanzado de China continental solo puede producir el proceso de 28 nm con la especificación más alta.
¿Por qué la tecnología de producción continental está rezagada?
Principalmente la máquina de fotolitografía: debido a la producción de chips, la máquina de fotolitografía es la clave. Cuando se trata de la industria de las máquinas de litografía, tenemos que mencionar a ASML Holding N.V. en los Países Bajos.
En resumen, alineador de máscaras:
De hecho, el principio de las primeras máquinas de litografía de máscaras es tan simple como un proyector de diapositivas, que consiste en hacer pasar luz a través de una máscara con un diagrama de circuito. Proyectado sobre una oblea recubierta con adhesivo fotosensible (el diseño del chip a continuación presentará la oblea en detalle). A principios de la década de 1960, el tamaño de la máscara era de 1:1 y la oblea medía sólo 1 pulgada.
Por lo tanto, la tecnología de fotolitografía en ese momento no se consideraba de alta tecnología y las empresas de semiconductores generalmente diseñaban sus propias herramientas y herramientas. Por ejemplo, Intel compró originalmente una lente de cámara de 16 mm y la desmanteló. Sólo unas pocas empresas, como GCA, K&S y Kasper, han fabricado algunos equipos relacionados.
A finales de la década de 1960, las japonesas Nikon y Canon comenzaron a entrar en este campo. Después de todo, la litografía en ese momento no era más complicada que una cámara.
En 1978, GCA lanzó al mercado una máquina de litografía paso a paso automática verdaderamente moderna con una resolución 5 veces superior a la de proyección, alcanzando 1 micrón.
Pero en este momento, la industria de las máquinas de fotolitografía sigue siendo un mercado pequeño, y un fabricante que vende decenas de unidades al año se considera un gran fabricante. Como hay tantos fabricantes de semiconductores, una máquina puede utilizarse durante muchos años. Esto hace que su máquina esté un poco desactualizada y nadie quiera comprarla. El liderazgo tecnológico es la clave para ocupar el mercado, y el ganador se lo lleva todo.
A principios de la década de 1980, las máquinas paso a paso de GCA todavía estaban ligeramente por delante, pero Nikon pronto lanzó la primera máquina paso a paso comercial, la NSR-1010G, que aumentó considerablemente la capacidad de producción con un sistema óptico más avanzado. Juntas, las dos empresas comenzaron a quitarle participación a otros fabricantes.
En 1984, Nikon y GCA estaban codo con codo en la industria de la litografía y cada uno disfrutaba de una cuota de mercado del 30%. Ultratech representa alrededor del 10% y las empresas restantes, como Eaton, P&E, Canon e Hitachi, se reparten el 30% restante.
Pero el punto de inflexión también se produjo este año. Este año, Philips desarrolló un prototipo de máquina paso a paso en el laboratorio, pero no estaba lo suficientemente maduro. Debido a que el mercado de la litografía es demasiado pequeño, Philips no pudo confirmar si tenía valor comercial y se dirigió a Estados Unidos y a P&E, GCA, Cobilt, IBM, etc. Después de hablar un rato, nadie estaba dispuesto a cooperar.
Casualmente, Arthur Del Prado, el jefe de la pequeña empresa holandesa ASM International, se enteró de esto y se ofreció a cooperar. Sin embargo, esta empresa, que es agente, solo tiene cierta experiencia en semiconductores y no sabe mucho sobre litografía. Equivale a mitad inversión ángel y mitad distribuidor. Philips dudó durante un año y finalmente aceptó, a regañadientes, formar una empresa conjunta al 50%. Cuando se fundó ASML el 0 de abril de 1984, sólo 31 empleados trabajaban en bungalows de madera fuera del edificio de Philips.
Cuando se estableció ASML, era un bungalow sencillo y el edificio de cristal detrás era Philips. Crédito: ASML
ASML cooperó con Zeiss en 1985 para mejorar el sistema óptico y finalmente lanzó el gran producto de segunda generación PAS-2500 en 1986, que se vendió por primera vez en los Estados Unidos a la startup Cypress. , y el gigante Nor Flash de hoy.
Sin embargo, al año siguiente, el mercado de semiconductores se desplomó en 1986, lo que provocó que un grupo de fabricantes de máquinas de fotolitografía estadounidenses se encontraran con graves problemas financieros. ASML es todavía pequeña, por lo que las pérdidas no son grandes y puede desarrollar nuevos productos de acuerdo con sus planes existentes.
Sin embargo, los fabricantes establecidos como GCA y P&E no pudieron aguantar y el desarrollo de nuevos productos se estancó.
En 1988, GCA tenía una grave escasez de fondos y fue adquirida por General Signal. Unos años más tarde, GCA no pudo encontrar comprador y quebró. En 1990, el departamento de litografía de P&E ya no pudo soportarlo y se lo vendió a SVG.
En 1980, los tres héroes de Estados Unidos todavía ocupaban la mayor parte del país. A finales de la década de 1980, su estatus fue completamente reemplazado por el de los dos héroes de Japón. En este momento, la cuota de mercado de ASML es aproximadamente del 10%.
Ignorar empresas marginadas como la estadounidense SVG. Desde la década de 1990, ASML y Nikon han estado compitiendo, mientras Canon ha estado esperando y observando.
Más tarde, ASML lanzó productos de inmersión de 193 nm y Nikon también anunció la finalización de sus productos de 157 nm y prototipos de productos EPL. Pero la inmersión es una pequeña mejora con grandes efectos y el producto está muy maduro. Nikon parece estar experimentando, por lo que casi nadie encarga los nuevos productos de Nikon.
Esto provocó la posterior derrota de Nikon. En 2000, Nikon era líder, pero en 2009, ASML lideraba con casi el 70% de la cuota de mercado. La inmadurez de los nuevos productos de Nikon también está indirectamente relacionada con el declive colectivo de los fabricantes japoneses de semiconductores que utilizan una gran cantidad de sus equipos.
En cuanto a Canon, después de ver lo duro que estaban jugando Nikon y ASML con máquinas de litografía de alta gama, se retiraron directamente. Desarrollar directamente el mercado de litografía de gama baja. Hasta ahora, todavía venden productos de 350 nm y 248 nm a fabricantes de paneles LCD y equipos analógicos.
Dicho esto, la razón por la que Intel, Samsung y TSMC pueden producir chips de proceso de 10 nm es porque pueden importar máquinas de litografía de alta gama de ASML para producir chips de 10 nm.
China continental no tiene máquinas de litografía de alta gama, y las máquinas de litografía de gama baja carecen de tecnología y, por el momento, solo pueden producir chips con tecnología relativamente atrasada.
Hablemos primero del diseño de chips. Antes de hablar de diseño, debemos comprender los conceptos de CPU, GPU, microarquitectura y conjunto de instrucciones.
El significado de CPU, es decir, unidad central de procesamiento, es el componente responsable de las principales tareas informáticas del ordenador. Funciona como el cerebro humano. Es posible que haya escuchado que las CPU se dividen en x86 y ARM. La primera se usa principalmente en PC y la segunda se usa principalmente en teléfonos móviles, tabletas y otros dispositivos.
La CPU debe seguir ciertas especificaciones al realizar tareas informáticas y el programa debe traducirse a un lenguaje que la CPU pueda entender antes de su ejecución. Este lenguaje se llama arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA). El proceso en el que un programa se traduce en un código subyacente que la CPU puede reconocer según las especificaciones de un determinado conjunto de instrucciones se denomina compilación. X86, ARM v8, MIPS, etc. Todos son nombres en clave para conjuntos de instrucciones. Y el conjunto de instrucciones se puede ampliar. Los fabricantes necesitan la autorización del titular de la patente del conjunto de instrucciones para desarrollar una CPU compatible con un determinado conjunto de instrucciones. Un ejemplo típico es que Intel autoriza a AMD a desarrollar CPU compatibles con el conjunto de instrucciones x86.
La unidad básica de la CPU es el núcleo. La implementación del núcleo se denomina microarquitectura, que es similar a un conjunto de instrucciones. Haswell, Cortex-A15 son todos nombres en clave para microarquitectura. El diseño de la microarquitectura afecta la frecuencia máxima que puede alcanzar el kernel, la cantidad de cálculos que el kernel puede realizar a una determinada frecuencia, el nivel de consumo de energía del kernel en un determinado nivel de proceso, etc.
Pero vale la pena señalar que la microarquitectura y el conjunto de instrucciones son dos conceptos diferentes: el conjunto de instrucciones es el lenguaje elegido por la CPU y la microarquitectura es la implementación específica.
Tomemos como ejemplo los chips compatibles con el conjunto de instrucciones ARM: ARM denomina a su propio conjunto de instrucciones conjunto de instrucciones ARM. También desarrolla microarquitecturas específicas, como la serie Cortex, y autoriza su uso.
Sin embargo, sólo porque una CPU utilice el conjunto de instrucciones ARM no significa que utilice la microarquitectura desarrollada por ARM. Fabricantes como Qualcomm y Apple han desarrollado sus propias microarquitecturas que son compatibles con el conjunto de instrucciones ARM. Al mismo tiempo, muchos fabricantes utilizan la microarquitectura desarrollada por ARM para fabricar CPU, como los chips Kirin de Huawei. En términos generales, la industria cree que solo se puede considerar que las empresas con capacidades independientes de I + D en microarquitectura tienen capacidades de I + D de CPU, y no importa si utilizan conjuntos de instrucciones de desarrollo propio. La investigación y el desarrollo de la microarquitectura es también uno de los campos más técnicos de la industria de TI.
Tomemos Kirin 980 como ejemplo, las partes principales son CPU y GPU. Cortex-A76 y Mali-G76 son licencias de microarquitectura compradas por Huawei a ARM. ¿Podrá Huawei desarrollar su propia microarquitectura? Por supuesto que es posible, pero todavía queda un largo camino por recorrer antes de que se pueda aplicar a sistemas de telefonía móvil como Apple, al menos por ahora, además de varios problemas de investigación y desarrollo propios, porque el desarrollo de chips y el desarrollo de software requieren. Las herramientas EDA, el uso de la microarquitectura ARM proporcionarán muchas herramientas, y estas cosas también son bastante básicas, por lo que una vez que comience una nueva, debe considerar todos los aspectos.
Teniendo esto en cuenta, podemos empezar a diseñar el chip, pero este paso también es muy complicado y engorroso.
El proceso de fabricación de chips es como construir una casa. Primero se colocan las obleas como base y luego se apilan capa por capa. Después de una serie de procesos de fabricación, se pueden producir los chips CI necesarios.
Entonces, ¿qué es la oblea?
Las obleas son la base para la fabricación de diversos chips. Podemos pensar en la fabricación de chips como en la construcción de una casa, con obleas como base sólida. Entre los materiales sólidos, existe una estructura cristalina especial: el monocristal. Se caracteriza por la disposición cercana de los átomos uno tras otro, que pueden formar una superficie atómica plana.
Por eso utilizamos monocristales para hacer obleas. Sin embargo, para producir dicho material, hay dos pasos principales, a saber, la purificación y la extracción de cristales, y luego se puede completar dicho material.
La purificación se divide en dos etapas. El primer paso es la purificación de grado metalúrgico, que implica principalmente agregar carbono para convertir el óxido de silicio en silicio con una pureza superior al 98% mediante oxidación y reducción. Pero el 98% todavía no es suficiente para la fabricación de chips y aún se necesitan más mejoras. Por lo tanto, el proceso Siemens se utilizará aún más para la purificación y obtener el polisilicio de alta pureza necesario para los procesos de semiconductores.
Luego, va tirando del cristal.
En primer lugar, el polisilicio de alta pureza obtenido anteriormente se funde para formar silicio líquido. Luego, el cristal semilla de silicio monocristalino entra en contacto con la superficie del líquido y se tira lentamente mientras gira. En cuanto a por qué se necesitan semillas de silicio monocristalino, es porque la disposición de los átomos de silicio es como si las personas hicieran cola, y la primera fila es necesaria para que las personas que están detrás sepan cómo organizarlas correctamente. La semilla de silicio es la primera línea importante, que permite que los átomos siguientes sepan cómo alinearse. Finalmente, después de que los átomos de silicio que abandonan la superficie del líquido se solidifican, se completan los pilares de silicio monocristalino cuidadosamente dispuestos.
Sin embargo, no es posible convertir pilares de silicio completos en sustratos para la fabricación de chips. Para producir obleas de silicio una por una, se utilizan cuchillos de diamante para cortar transversalmente los pilares de silicio en obleas, y luego las obleas se pulen para formar las obleas de silicio necesarias para la fabricación de chips.
¿Qué representan las obleas de 8 y 12 pulgadas? Obviamente, se refiere al diámetro después de que la superficie ha sido procesada y cortada en rodajas circulares. Cuanto mayor sea el tamaño, mayores serán la velocidad y la temperatura de extracción del cristal y mayor será la dificultad de producción.
Después de tantos pasos, finalmente se completa la fabricación del sustrato del chip, y el siguiente paso es la fabricación del chip. ¿Cómo hacer un chip?
Chip IC, el nombre completo es circuito integrado, como se puede saber por su nombre, es una combinación apilada de circuitos diseñados.
Como puede ver en la imagen de arriba, la parte azul en la parte inferior es la oblea, y las partes roja y caqui son los lugares que se diseñarán al hacer IC, al igual que el estilo que se diseñará cuando construyendo una casa.
Luego nos fijamos en la parte roja. En el circuito IC, es la parte más importante de todo el IC. Se combina con varias puertas lógicas para completar un chip IC completamente funcional, por lo que también puede considerarse como la base.
La parte amarilla no tiene una estructura demasiado complicada y su función principal es conectar las puertas lógicas de la parte roja entre sí. La razón por la que se necesitan tantas capas es porque hay muchos cables que deben conectarse entre sí. Si una sola capa no puede acomodar todas las líneas, se deben apilar varias capas más para lograr este objetivo. Durante este proceso, se conectan líneas en diferentes capas hacia arriba y hacia abajo para cumplir con los requisitos de cableado.
Luego comience a fabricar estas piezas:
Al fabricar IC, se puede dividir simplemente en cuatro pasos. Aunque los pasos de fabricación reales serán diferentes y los materiales utilizados serán diferentes, generalmente se utilizan principios similares.
Después de completar estos pasos, muchos chips IC finalmente se completan en una oblea completa. Luego, simplemente corte el chip IC cuadrado completo y envíelo a la fábrica de embalaje para su embalaje.
Embalaje:
Después de un largo proceso, finalmente obtuve un chip IC. Pero un chip es bastante pequeño y delgado, si no está protegido en el exterior, puede rayarse y dañarse fácilmente. Además, debido al pequeño tamaño del chip, no es fácil colocarlo en la placa de circuito sin una carcasa más grande, por lo que se requiere un embalaje final.
Existen muchos métodos de empaquetado, los más comunes son el empaquetado dual en línea; DIP), el empaquetado con matriz de rejilla de bolas (BGA), el empaquetado SoC (sistema en chip) y el empaquetado SiP (sistema en paquete).
Una vez completado el embalaje, debemos entrar en la fase de prueba. En esta etapa, queremos confirmar si el IC empaquetado puede funcionar correctamente. Después de las pruebas, se pueden enviar a plantas de ensamblaje para fabricar los productos electrónicos que vemos.
En este punto se completa todo el proceso productivo.