第44章芯片設備
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第44章 芯片設備
制造芯片首先需要進行IC設計，IC設計需要工程師擁有很強的專業能力，需要無數的實驗。
有時候為了驗證一個猜想就需要進行上百次的實驗，每一次實驗需要進行一次芯片的制造，所需要花費的資金無以計數，並不是一朝一夕可以實現的。
但是方浩擁有完整的芯片設計圖，這些圖紙在23世紀科技星球都是古董般的存在，但是在這個世界都是一等一的頂尖科技。
輝煌科技準備制造一款嵌入式處理器，代號輝煌一號，這種芯片采用ARM架構，仿制23世紀的型號彩虹處理器，是23世紀科技星球兩百年前有名的主控芯片，甚至超過了PC端的CPU，它的推出當時震撼了整個科技界。
裏面的一些硬件設計原理都是非常新的東西，比如阻抗匹配，放大參數設計等等，這款芯片比現在地球上的芯片設計技術先進十多年左右。
雖然有圖紙，但是將這些圖紙變成現實還需要這些工程師的努力研究，電路裏面的參數還需要他們一一計算。
方浩並不打算直接把這些圖紙送給輝煌科技，而是通過暗中傳輸記憶傳授的方式啟發裏面有潛力的人，讓他們共同參與，完成IC版圖的設計。
國產芯片中比較有代表性的是龍芯，2001年由中科院計算機所成立課題組研制，花了16年時間，耗費了1.8萬億資金，在2017年發布龍芯3號，但由於微結構上的差距，龍芯基本只能達到英特爾和AMD芯片性能的35%左右。
性能差距如此大，耗費時間如此長，但龍芯還不算完全自主研發的CPU。
龍芯是花錢買了MIPS公司的結構授權，在此基礎上實現自主研發創新。
世界上有能力設計生產電腦CPU的國家僅有美國、臺灣省，有能力設計生產手機SOC芯片的國家數量會在中國、美國的基礎上增加韓國。
國產CPU還沒有完全自主研發設計的，如果追根溯源，國產CPU的設計大致有以下幾種：
破解、打磨別人的CPU，典型的如漢芯，當初的始作俑者騙了政府十幾個億，然後移民美國做了漢奸。
獲得別人授權，在此基礎上加入自己的設計，典型如華為海思，獲得ARM授權後，再自行設計，蘋果、三星、高通和聯發科也是如此，但蘋果、高通的二次”魔改“能力要高一些。
直接買全套方案，代表有超算太湖之光用的申威系列CPU，購買結構授權，再從上到下自主設計，比如龍芯CPU，雖然不是完全自主研發設計，但絕大部分是自己的東西。
還有一個問題，造出芯片之後需要占據市場，更重要的是可以建立市場生態，而芯片是一種精密元件，一個芯片的性能可以直接影響一款產品，如果沒有100%的可靠性，市場是不會采購這種芯片的。
英特爾之所以成為X86架構CPU霸主，關鍵是因為它成功構建了X86架構的生態系統，競爭對手想另起爐竈搞其它架構的CPU，沒有人會買，產品賣不出去，賺不到錢，企業只能關門。
這也是國產芯片需要購買授權的原因，加入對方市場生態的原因，可是需要繳納高額的授權費。
可以這麽說，如果沒有專利權和授權費，歐美國家的高福利社會將會難以為繼，因為他們的福利大都是通過技術授權和專利掠奪窮國而來的
芯片只要加入市場生態，設計就不算難，全球芯片設計公司最多曾超過100家，經過優勝劣汰，現在也有五六十家。
而芯片制造的廠家，現在不超過十家，第一梯隊三家：英特爾、臺積電和三星，基本形成寡頭壟斷格局。
國產芯片的短板不在設計、封裝和測試，就在生產上。
和臺積電等巨頭相比，國產芯片生產制程工藝至少落後三代，在芯片代工生產市場，落後一代就意味著淘汰，落後三代就等於是廢物。
其次還有瓦森納協定，瓦森納協定卡住了全世界的脖子，中國雖然科技實力雄厚，人才不缺乏，可是沒有下面五家設備制造商的設備，是不可能制造出先進芯片的。
中國的廠商向五大設備制造商下單，購買到的也只是五年前的設備。
可以這麽說，雖然新中國成立了快八十年，但是仍舊沒有從國外的壓迫中脫離，而罪魁禍首就是百年前的滿清政府和國共戰爭。
滿清閉關鎖國，國共戰爭自相殘殺，使得國家落後了發達國家幾十年，產生的惡果由子孫後代來買單。
如今的百姓薪水僅僅只有歐美的五分之一，生活也十分困苦，並不是國家的問題，而是因為財富被歐美掠奪。
僅僅進口芯片就是兩千億美元，而整個國家的財富才三十萬億美元，如果加上精密儀器，高端材料，耗費的將會是天文數字。
由於瓦森納協定限制，中國只能購買五年前的設備，如果拿到的是是技術落後五年的設備，想要制造先進芯片就是做夢。
全球瓦森納協定一共有五大半導體設備制造商：
1.韓國AM公司，前身是阿爾法精工株式會社，全球領先的半導體、平板顯示和太陽能光伏行業精密材料工程解決方案供應商，是韓國高精度機械設備的領導者，產品應用於工件的精磨、研磨、切割、和拋光，保持著低故障率和易維護性。
2.荷蘭ASML高端光刻機制造商，集合近乎完美的德國機械工藝以及世界頂級光學廠商德國蔡司鏡頭，再加上美國提供的光源，ASML迅速發展，高端光刻機市場基本被壟斷，為半導體生產商提供光刻機及相關服務，在極紫外光(EUV)領域，目前處於壟斷地位，曾經一臺高端設備賣到了5億歐元，而且有錢都要排隊到十年後。
3.LamResearch，電漿蝕刻設備商，主要設計、制造、銷售、維修及服務使用於積體電路制造的半導體處理設備，包括客戶服務、備用零件的供應、產品升級、產品蝕刻、沈積、去除光阻及清潔等服務，並還制造、銷售一系列的研磨、疊置及精密拋光等設備。
4.KLA-Tencor，圖案光罩檢測的主要供應商，為半導體制造商提供光罩檢測系統，用於工藝開發和批量生產過程中的缺陷檢測、原料檢測、設備監控和進程控制。
5.DainipponScreen，後道檢測設備領先企業，致力於集成電路測試技術的開發，擁有種類完善的半導體後道測試臺和分選機，在主要的三種清洗設備市場中，迪恩士都是當之無愧的龍頭。在單晶圓清洗設備市場，迪恩士市場占有率高達54.9%；自動清洗臺由於技術門檻相對較低，市場參與者較多，但是迪恩士市場占有率仍達到了50%以上；而在洗刷機市場迪恩士也有著60%-70%的市場占有率，可以說迪恩士是清洗設備市場中當之無愧的龍頭。
如果沒有主神空間，方浩技術再強也沒有信心制造世界一流的芯片，打造一個壟斷全世界的芯片產業，光是瓦森納協定就可以卡住輝煌科技的脖子。
光刻機這些設備在現代社會是有錢都買不到的高科技物品，可是在23世紀中並不算什麽，有很多設備可可以替代，比如1納米工藝的3D打印機，這種可以打印1納米大小的設備完全可以打印出7納米制程的CPU，只是效率無法比得上光刻機，不過打印芯片做研究是可以了。
IC芯片全名積體電路，它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來，藉由這個方法，我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。
由此可見，芯片制造其實就是進行原子級別的制造，精度要求非常苛刻，這也是為什麽國內無法生產CPU的原因。
芯片在結構上分為三層。
第一，晶圓層。
從IC芯片的3D剖面圖來看，底部的部分就是晶圓，晶圓基板在芯片中扮演地基的角色。
第二，邏輯閘層。
在IC電路中，晶圓上面的部分叫做邏輯閘層，它是整顆IC中最重要的部分，藉由將多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的IC芯片，結構非常覆雜。
第三，連接層。
邏輯閘上面還有一層連接層，不會有太覆雜的構造，這一層的目的是將邏輯閘需要連接的部分相連在一起，相當於導線。
芯片中通常需要很多層連接層，是因為有太多線路要連結在一起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中，不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。
如果要以油漆噴罐做精細作圖時，我們需先割出圖形的遮蓋板，蓋在紙上，接著再將油漆均勻地噴在紙上，待油漆乾後，再將遮板拿開。
不斷的重覆這個步驟後，便可完成整齊且覆雜的圖形。制造IC就是以類似的方式，藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。
芯片在制造過程中分為四種步驟，雖然實際制造時，制造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆采用類似的原理。
這個流程和油漆作畫有些許不同，IC制造是先塗料再加做遮蓋，油漆作畫則是先遮蓋再作畫。
第一步，金屬濺鍍：將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上，形成一薄膜。
第二步，塗布光阻：先將光阻材料放在晶圓片上，透過光罩，將光束打在不要的部分上，破壞光阻材料結構。接著，再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。
第三步，蝕刻技術：將沒有受光阻保護的矽晶圓，以離子束蝕刻。
第四步，光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。
最後便會在一整片晶圓上完成很多IC芯片，接下來只要將完成的方形IC芯片剪下，便可送到封裝廠做封裝。
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制造芯片首先需要進行IC設計，IC設計需要工程師擁有很強的專業能力，需要無數的實驗。
有時候為了驗證一個猜想就需要進行上百次的實驗，每一次實驗需要進行一次芯片的制造，所需要花費的資金無以計數，並不是一朝一夕可以實現的。
但是方浩擁有完整的芯片設計圖，這些圖紙在23世紀科技星球都是古董般的存在，但是在這個世界都是一等一的頂尖科技。
輝煌科技準備制造一款嵌入式處理器，代號輝煌一號，這種芯片采用ARM架構，仿制23世紀的型號彩虹處理器，是23世紀科技星球兩百年前有名的主控芯片，甚至超過了PC端的CPU，它的推出當時震撼了整個科技界。
裏面的一些硬件設計原理都是非常新的東西，比如阻抗匹配，放大參數設計等等，這款芯片比現在地球上的芯片設計技術先進十多年左右。
雖然有圖紙，但是將這些圖紙變成現實還需要這些工程師的努力研究，電路裏面的參數還需要他們一一計算。
方浩並不打算直接把這些圖紙送給輝煌科技，而是通過暗中傳輸記憶傳授的方式啟發裏面有潛力的人，讓他們共同參與，完成IC版圖的設計。
國產芯片中比較有代表性的是龍芯，2001年由中科院計算機所成立課題組研制，花了16年時間，耗費了1.8萬億資金，在2017年發布龍芯3號，但由於微結構上的差距，龍芯基本只能達到英特爾和AMD芯片性能的35%左右。
性能差距如此大，耗費時間如此長，但龍芯還不算完全自主研發的CPU。
龍芯是花錢買了MIPS公司的結構授權，在此基礎上實現自主研發創新。
世界上有能力設計生產電腦CPU的國家僅有美國、臺灣省，有能力設計生產手機SOC芯片的國家數量會在中國、美國的基礎上增加韓國。
國產CPU還沒有完全自主研發設計的，如果追根溯源，國產CPU的設計大致有以下幾種：
破解、打磨別人的CPU，典型的如漢芯，當初的始作俑者騙了政府十幾個億，然後移民美國做了漢奸。
獲得別人授權，在此基礎上加入自己的設計，典型如華為海思，獲得ARM授權後，再自行設計，蘋果、三星、高通和聯發科也是如此，但蘋果、高通的二次”魔改“能力要高一些。
直接買全套方案，代表有超算太湖之光用的申威系列CPU，購買結構授權，再從上到下自主設計，比如龍芯CPU，雖然不是完全自主研發設計，但絕大部分是自己的東西。
還有一個問題，造出芯片之後需要占據市場，更重要的是可以建立市場生態，而芯片是一種精密元件，一個芯片的性能可以直接影響一款產品，如果沒有100%的可靠性，市場是不會采購這種芯片的。
英特爾之所以成為X86架構CPU霸主，關鍵是因為它成功構建了X86架構的生態系統，競爭對手想另起爐竈搞其它架構的CPU，沒有人會買，產品賣不出去，賺不到錢，企業只能關門。
這也是國產芯片需要購買授權的原因，加入對方市場生態的原因，可是需要繳納高額的授權費。
可以這麽說，如果沒有專利權和授權費，歐美國家的高福利社會將會難以為繼，因為他們的福利大都是通過技術授權和專利掠奪窮國而來的
芯片只要加入市場生態，設計就不算難，全球芯片設計公司最多曾超過100家，經過優勝劣汰，現在也有五六十家。
而芯片制造的廠家，現在不超過十家，第一梯隊三家：英特爾、臺積電和三星，基本形成寡頭壟斷格局。
國產芯片的短板不在設計、封裝和測試，就在生產上。
和臺積電等巨頭相比，國產芯片生產制程工藝至少落後三代，在芯片代工生產市場，落後一代就意味著淘汰，落後三代就等於是廢物。
其次還有瓦森納協定，瓦森納協定卡住了全世界的脖子，中國雖然科技實力雄厚，人才不缺乏，可是沒有下面五家設備制造商的設備，是不可能制造出先進芯片的。
中國的廠商向五大設備制造商下單，購買到的也只是五年前的設備。
可以這麽說，雖然新中國成立了快八十年，但是仍舊沒有從國外的壓迫中脫離，而罪魁禍首就是百年前的滿清政府和國共戰爭。
滿清閉關鎖國，國共戰爭自相殘殺，使得國家落後了發達國家幾十年，產生的惡果由子孫後代來買單。
如今的百姓薪水僅僅只有歐美的五分之一，生活也十分困苦，並不是國家的問題，而是因為財富被歐美掠奪。
僅僅進口芯片就是兩千億美元，而整個國家的財富才三十萬億美元，如果加上精密儀器，高端材料，耗費的將會是天文數字。
由於瓦森納協定限制，中國只能購買五年前的設備，如果拿到的是是技術落後五年的設備，想要制造先進芯片就是做夢。
全球瓦森納協定一共有五大半導體設備制造商：
1.韓國AM公司，前身是阿爾法精工株式會社，全球領先的半導體、平板顯示和太陽能光伏行業精密材料工程解決方案供應商，是韓國高精度機械設備的領導者，產品應用於工件的精磨、研磨、切割、和拋光，保持著低故障率和易維護性。
2.荷蘭ASML高端光刻機制造商，集合近乎完美的德國機械工藝以及世界頂級光學廠商德國蔡司鏡頭，再加上美國提供的光源，ASML迅速發展，高端光刻機市場基本被壟斷，為半導體生產商提供光刻機及相關服務，在極紫外光(EUV)領域，目前處於壟斷地位，曾經一臺高端設備賣到了5億歐元，而且有錢都要排隊到十年後。
3.LamResearch，電漿蝕刻設備商，主要設計、制造、銷售、維修及服務使用於積體電路制造的半導體處理設備，包括客戶服務、備用零件的供應、產品升級、產品蝕刻、沈積、去除光阻及清潔等服務，並還制造、銷售一系列的研磨、疊置及精密拋光等設備。
4.KLA-Tencor，圖案光罩檢測的主要供應商，為半導體制造商提供光罩檢測系統，用於工藝開發和批量生產過程中的缺陷檢測、原料檢測、設備監控和進程控制。
5.DainipponScreen，後道檢測設備領先企業，致力於集成電路測試技術的開發，擁有種類完善的半導體後道測試臺和分選機，在主要的三種清洗設備市場中，迪恩士都是當之無愧的龍頭。在單晶圓清洗設備市場，迪恩士市場占有率高達54.9%；自動清洗臺由於技術門檻相對較低，市場參與者較多，但是迪恩士市場占有率仍達到了50%以上；而在洗刷機市場迪恩士也有著60%-70%的市場占有率，可以說迪恩士是清洗設備市場中當之無愧的龍頭。
如果沒有主神空間，方浩技術再強也沒有信心制造世界一流的芯片，打造一個壟斷全世界的芯片產業，光是瓦森納協定就可以卡住輝煌科技的脖子。
光刻機這些設備在現代社會是有錢都買不到的高科技物品，可是在23世紀中並不算什麽，有很多設備可可以替代，比如1納米工藝的3D打印機，這種可以打印1納米大小的設備完全可以打印出7納米制程的CPU，只是效率無法比得上光刻機，不過打印芯片做研究是可以了。
IC芯片全名積體電路，它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來，藉由這個方法，我們可以減少連接電路時所需耗費的面積。
由此可見，芯片制造其實就是進行原子級別的制造，精度要求非常苛刻，這也是為什麽國內無法生產CPU的原因。
芯片在結構上分為三層。
第一，晶圓層。
從IC芯片的3D剖面圖來看，底部的部分就是晶圓，晶圓基板在芯片中扮演地基的角色。
第二，邏輯閘層。
在IC電路中，晶圓上面的部分叫做邏輯閘層，它是整顆IC中最重要的部分，藉由將多種邏輯閘組合在一起，完成功能齊全的IC芯片，結構非常覆雜。
第三，連接層。
邏輯閘上面還有一層連接層，不會有太覆雜的構造，這一層的目的是將邏輯閘需要連接的部分相連在一起，相當於導線。
芯片中通常需要很多層連接層，是因為有太多線路要連結在一起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中，不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。
如果要以油漆噴罐做精細作圖時，我們需先割出圖形的遮蓋板，蓋在紙上，接著再將油漆均勻地噴在紙上，待油漆乾後，再將遮板拿開。
不斷的重覆這個步驟後，便可完成整齊且覆雜的圖形。制造IC就是以類似的方式，藉由遮蓋的方式一層一層的堆疊起來。
芯片在制造過程中分為四種步驟，雖然實際制造時，制造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆采用類似的原理。
這個流程和油漆作畫有些許不同，IC制造是先塗料再加做遮蓋，油漆作畫則是先遮蓋再作畫。
第一步，金屬濺鍍：將欲使用的金屬材料均勻灑在晶圓片上，形成一薄膜。
第二步，塗布光阻：先將光阻材料放在晶圓片上，透過光罩，將光束打在不要的部分上，破壞光阻材料結構。接著，再以化學藥劑將被破壞的材料洗去。
第三步，蝕刻技術：將沒有受光阻保護的矽晶圓，以離子束蝕刻。
第四步，光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。
最後便會在一整片晶圓上完成很多IC芯片，接下來只要將完成的方形IC芯片剪下，便可送到封裝廠做封裝。
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