集成电路浅谈

集成电路浅谈
一、集成电路
1.1什么是集成电路？
集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC，是一种微型电子器件或部件。顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内的具有特定功能的电路。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。
集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。
1.2集成电路的发明
那么为什么会产生集成电路？任何发明创造背后都是有驱动力的，而驱动力往往来源于问题。英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：如果可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想，而晶体管的发明使这种想法成为了可能。1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，集成电路发明者杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯很快便分别发明了锗集成电路和硅集成电路。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。
1.3集成电路在现代电子设计领域的作用
集成电路的出现，受摩尔定律推动，一方面大幅缩减电路尺寸、体积、成本，另一方面缩减由尺寸带来的处理速度、功耗等性能的提升。因此，集成电路大大推动了电子设计领域的发展，并对其产生了深远影响。
1、减少元器件的使用。集成电路的诞生，小规模的集成电路使内容元器件的数量减少，在零散元器件上有了很大的技术提高。
2、产品性能得到有效提高。将元器件都集合到了一起，不仅减少了外电信号的干扰，也在电路设计方面有了很大的提升，提高了运行速度。
3、更加方便应用。一种功能对应一种电路，将一种功能集中成一个集成电路，如此一来，在以后应用中，要什么功能就可以应用相应的集成电路，从而大大方便了应用。
1.4集成电路在现代电子设计领域的重要地位
集成电路作为电子产业的基础和核心，其技术水平和产业水平已经成为衡量一个国家或者地区经济发展、科技进步水平和综合实力的重要标志。加快发展集成电路产业，有利于电子产业结构的优化升级，有利于推动传统工业经济发展方式向新型工业化发展方式转变，有利于促进信息化和工业化的深度融合，符合中国加快转变经济发展方式的主线。
随着中国科技水平的进一步提高，最后产业发展的高级阶段必然是要掌握电子产业的核心即集成电路。只有设计和制造出了电子产品中的集成电路，才能意味着一个国家真正掌握了电子产品的核心技术。
二、设计与制造
2.1集成电路的设计流程
集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两部分：芯片硬件设计和软件协同设计。其中芯片硬件设计包括：
1．功能设计阶段。
设计人员产品的应用场合，设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环境温度及消耗功率等规格，以做为将来电路设计时的依据。
2．设计描述和行为级验证
功能设计完成后，可以依据功能将SOC 划分为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的IP 核。决定模块之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计。接着，利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器，对设计进行功能验证。
3．逻辑综合
确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具（synthesizer）进行综合，逻辑综合后得到门级网表。
4．门级验证
门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。
5．布局和布线
布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。
2.2集成电路的制造流程
2.2.1晶圆生产
集成电路制造的基本材料就是半导体材料，这是一种单晶物质。所以，首先需要做的就是要利用大块的多晶体来生成大单晶，基本原理就是对多晶体予以确定的晶向，并加入N 型或P 型掺杂。
2.2.2 光刻
光刻是一种紧密度极高的表面加工技术，其结合了图形印刷与化学腐蚀的双重原理，通过二氧化硅或金属膜上将设计的线路刻出来从而使之符合预定的功能。在集成电路制造的整个工艺中，光刻是复杂程度最高的工艺，同时也是最核心的工艺。
2.2.3刻蚀
集成电路的制造，需要将各种不同的元件（晶体管、电阻、电容）做在同一块芯片上去，需要在芯片上做出不同的图形。把光刻确定的图形转移到构成器件的薄膜上，把不需要的薄膜去除，这一过程称为刻蚀。
2.2.4 离子注入与沉积
离子注入事实上就是一种掺杂技术，运用这种技术使得带有较高能量的杂质离子，通过静电场对其实施加入，然后进入半导体衬底。当前应用较为广泛的薄膜淀积法主要有两种，一种是物理气相法，另外一种是化学气相法。
2.2.5 CMP
CMP具体指化学机械抛光，是集成电路生产制造过程中实现晶圆表面平坦化的核心技术。
2.2.6测试、封装、成品出厂
测试是通过测试仪器，对芯片上每个电路和性能进行检测，有问题的及时排除。最后晶圆上的芯片被切成单个芯片进行封装，经过成品检测手段，对芯片进行出厂前的最后检测，符合要求即可出厂。
2.3世界上较为先进的半导体加工制造技术
半导体加工设备基本被日本，荷兰，美国霸占。目前蚀刻设备精度最高的是日立。半导体材料，生产半导体芯片需要19种必须的材料，缺一不可。而日本企业在硅晶圆、合成半导体晶圆、等14种重要材料方面均占有50%及以上的份额，日本半导体材料行业在全球范围内长期保持着绝对优势。全球70%的半导体硅材料，都是由日本信越化学提供。9月，产业链消息，台积电2nm工艺的研发进展超出预期，甚至快于原计划。在3nm工艺节点上，台积电选择了采用FinFET而放弃了GAA，率先来到2nm工艺路口，其作出的选择也基本意味着接下来半导体行业整体的到前进方向。光刻技术：ASML 研发下一代 EUV 光刻机：分辨率提升70％ 逼近 1nm 极限像台积电在晶圆代工领域的地位，在光刻机领域，荷兰ASML公司也占据了行业鳌头。与之前的光刻机相比，新一代光刻机意味着分辨率提升了70％左右，可以进一步提升光刻机的精度。中科院低维半导体技术：纳米画笔“画”芯片中科院宣布研发出了一种简单的制备低维半导体器件的方法——用“纳米”勾勒未来光电子器件，它可以“画出”各种需要的芯片。
三、我国集成电路产业发展限制以及突破方法
3.1我国集成电路产业发展所遇困难
一、市场严重依赖进口
从中国海关的进出口统计数据可以看到，最近几年中国集成电路产品进口额快速上涨，成为中国进口额第一大商品，而年度逆差也连创新高，国内集成电路产业规模与市场规模之比始终未超过20％。
二、缺乏高端领军企业
要做大做强集成电路产业，就必然需要有大而强的龙头企业，国际经验证明，企业是集成电路产业发展的基础。目前中国大陆还缺乏像英特尔、高通、三星、博通、台积电这样具有国际竞争力的龙头企业。
三、工艺水平差距较大
集成电路制造业是支撑集成电路设计业和形成产业链闭环发展的重要基础。中国的集成电路制造业及其相关的设备业，经过多年的发展，制造工艺技术取得了很大突破，但是与世界先进水平相比，依然有着巨大的差距。
目前中国实现量产的工艺（40nm）与国际先进工艺（2xnm）相比还有两代工艺的差距，而且国际先进工艺正在向着1xnm层级快速演进。集成电路制造业的发展，不仅比拼智力，还比拼着财力。随着制造工艺的不断升级，整个集成电路制造业的技术门槛和资金门槛已经高到一般企业无法承受的程度。
四、基础技术积累不足
在对产业发展有巨大影响的基础技术方面，严重依赖国外技术，自主可控的基础技术积累不足。同时，近年来国外专利权人申请的中国专利数量增多，特别是日本、美国、韩国企业，这实际上加强了国外企业对基础技术的掌控力度。
五、配套技术发展滞后
集成电路产业的发展，离不开产业配套技术的支撑，但目前来看，不论是集成电路设计业所需的EDA技术，还是集成电路制造封装所需的关键设备和关键原材料，中国在这些配套技术上依然受制于人，长期依靠进口。在EDA技术领域，全球市场基本上都被美国三大EDA厂商垄断，占据了95％以上的市场份额，特别是在主流的EDA工具方面更是占据了绝对的统治地位。目前中国仅有华大九天、概伦电子等少数几家企业在从事EDA工具研发工作，相关产品也仅在某些应用点上有所突破，只是作为主流EDA工具的补充，还没有形成系统的集成电路设计解决方案。
六、芯片产业人才缺口大
芯片产业人才队伍难成体系是当前芯片发展中遇到的主要困难。最后，美国技术封锁不断升级，我国被技术封锁的企业数量不断增加，使得“卡脖子”现象贯穿芯片产业链全过程。
3.2我国集成电路产业如何突破“封锁”
自20世纪60年代起，美国政府意识到芯片工业发展将会对全球格局产生重大影响，并制定了以集中指导、协议采购、廉价融资为方略的多项半导体科技发展激励政策与产业贸易措施，打下了其芯片产业的基础。此后，美国便主张，要使中国的半导体整体技术落后于欧美两代，同时提议国会控制中方购买生产超级计算芯片所需技术设备，对中国半导体芯片生产技术收紧瓶颈并控制供应。
第一，提高芯片产业战略地位，加大对芯片产业的全方位扶持力度。党的十九届五中全会提出，芯片为科技发展中的重中之重，国家需进一步提高芯片产业的战略地位，鼓励各地政府部门出台一系列优惠政策支持芯片产业的发展。同时，加大对芯片产业的财政支持和补贴力度，向芯片企业提供税收优惠政策、研发补贴以及国家半导体产业基金的投资。
第二，加大培养芯片产业人才，加大对“产、学、研、用”整体支持。人才是高新技术的基石，要完善国内集成电路人才培育机制，进一步强化集成电路企业、高等院校和科研院所之间的合作，着重培养高级、复合型人才，推动生产、教育与科技前沿的密切融合。
第三，继续保持对外开放合作、对内专业务实的芯片产业发展方略。习近平总书记指出，我们要秉持开放、融通、互利、共赢的合作观，拒绝自私自利、短视封闭的狭隘政策。主动开展国际合作，保持与韩日以及以色列、欧盟等国家和地区组织的重要芯片企业的紧密联系，逐步缩小与世界龙头企业之间的技术差距。
第四，建立独立可控安全的国产芯片产业链和供应链体系。习近平总书记强调，只有把关键核心技术掌握在自己手中，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。要积极建设自主可控的芯片产业链和供应链体系，以稳步提高国内各行各业所需芯片的自给率，提升本土上游厂商对下游的服务能力，增加客户黏性。同时，减少对非友好国家、地区和实体企业的芯片技术和产品的依赖性，以实现国家芯片产业科技自立自强。
第五，建立半导体产业链应对风险预警防范机制。由于我国半导体产业在美国遏制中国高新科技特别是半导体科技发展之前高度依赖海外高新技术企业，因此，为了确保今后国家半导体产业链平稳安全，需要以政府为主导，积极发挥集中力量办大事优势，通过组建半导体产业供应链风险预警议事协调机构，建立应对全球半导体风险的整体预警防范机制。
3.3我国集成电路产业未来的发展趋势
集成电路设计产业所占的比重逐渐提升，表明我国自主创新的能力的提升。积极推动发展新型集成电路产业发展，加快技术创新，将是未来集成电路产业发展的重点。
(1)政策资金持续加码，吸纳高级人才
在集成电路行业发展的过程中，一定要重视人才的培养，吸纳高级人才。只有进行正确的价值引导，才能吸引更多的人才，吸引更多的资本，并且让岗位的价值匹配程度提高，形成一个复合型的团队。
(2)集成电路国产化进程加速
为解决我国集成电路产业依赖进口的问题，同时减少贸易逆差，国家提出到2025年我国集成电路芯片自给率增至70%的目标，我国迅速掀起了集成电路国产化的热潮。
(3)重视研发，持续投入
在研发的过程中，一定要持续的投入资本，加强高科技产业的发展，形成一种较为宽松的发挥空间，只有如此才能让研发团队灵感激发出来，创造出与市场情况下吻合的产品。
(4)立足全球化，面向市场化
中国在集成电路发展的过程中，一定要从全球化的角度分析和问题，加强全球化的合作，在未来发展的过程中开放与合作是集成电路发展的主流，避免闭门造车的现象出现。
(5)重在积累，克服急功近利
设计业的复杂度很高，需要强大的稳定的团队、深厚的积累。积累是一个不可逾越的发展过程。中国集成电路产业的发展如同下围棋，不能只争一时之长短。
(6)促进企业间合作，促进产业链合作
国内企业之间的横向联系少，设计企业要与方案商、通路商、系统厂商形成紧密的战略合作伙伴关系。
(7)摒弃理想化的产学研模式
产学研一体化一直被各界视为促进高新技术产业发展的良方，但实地调研结果暴露出人们在此方面存在着不切实际的幻想。
四、结语
当下，受限于历史基础的薄弱以及国际形势的严峻，我国集成电路产业正面临着前所未有的机遇和挑战。加快创新，提高集成电路产品国产化速度，健全我国自主的集成电路产品供应链是当务之急。
集成电路产业作为国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业，具有极强的创新力和融合力，已经渗透到人民生活、生产以及国防安全的方方面面。国际金融危机后，世界各国都在努力探寻经济转型之路，加快培育发展战略性新兴产业，力争在后危机时代的全球经济发展和竞争中赢得先机。拥有强大的集成电路技术和产业，已成为迈向创新型国家的重要标志。回顾过去，中国集成电路产业迅速壮大并已具备较好基础；展望未来，新形势下产业发展机遇与挑战并存。对此，发展集成电路产业需要有新的思路、新的举措，以实现其跨越式发展。