我们为何会“芯”痛？一文详解芯片基本概念

硅基光电子芯片是目前半导体芯片发展的最高级阶段。本图由作者提供。

电子和光子在半导体中独立运作或者相互作用奠定了不同芯片的基础。芯片不仅扮演了现代产业心脏的角色，也给人类社会带来了各种各样的机会。对这些芯片的了解程度决定了把握这些机会的能力。心痛可能导致休克，甚至死亡；“芯” 痛则可能导致产业停滞，甚至消亡。

本文通过四个简单的概念，介绍四种不同的芯片。希望这些基本知识能够被引伸到对芯片技术以及与之相关的社会发展问题的一个全新了解。以便从基础创新，人才培养，到产业布局，都能够尊重科技发展的自然规律，依靠扎扎实实地耕耘和适当的资源配置，高效率地获得核心芯片，不再 “芯” 痛。

撰文 | 周治平

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芯片是一个既熟悉又生疏的话题。我们每个人都听说过芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特别是最近，除了科研院所，政府机关，资本市场在认真对待以外，在商店里，火车上，猪肉店，水泥厂也有人在讨论芯片，有的还打算去创业造芯片。然而，绝大多数人都没有真正见过芯片长什么样，更不用说了解它们的工作原理并区分不同的芯片了。

大约在60多年前，人们就开始在硅片上进行芯片加工了。当时的芯片非常简单，有的只有一个晶体管，但是已经展现出在尺寸、能耗、和价格方面超越电子管的巨大优势。那个时代叫晶体管时代。

然后到了大家熟悉的集成电路时代，经过光电子时代，又到了现在这个大家生疏的硅基光电子时代。这些不同的时代实际上是借助了半导体芯片的发展而实现更迭的。

正如人体心脏的主要功能是推动血液流动，向其他器官、组织提供充足的血流量，以维持它们正常的代谢和功能一样，在今天的信息社会里，半导体芯片担负着处理信息，并且向各行各业各个角落传递信息的功能。芯片功能的强弱决定了信息社会的强弱。缺乏核心芯片引起的“芯”痛则可能导致信息社会停滞，甚至消亡。

01 四个概念

要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四个基本概念弄清楚。什么是电子？什么是光子？什么是光谱？什么是半导体？这些名词听起来好像非常的玄，但实际上非常好理解。

电子和光子都是构成物质的基本粒子。大量电子形成的电流，通过金属导线传输；大量光子形成光束通过光波导传播。不同的是，电子和电子之间可以相互作用：两束电流相交将形成短路，合为一体；光子之间的相互作用就不那么容易了：两束光相交叉以后，仍然各走各的路。

光谱是光子的特征，表达光子的不同频率分布。可以分别携带不同的信息。因此，在一根电线里只可以传输一路信号；而在一根光波导里则可以同时传输许多路不同的信号，使通信容量和速度大大地增加。

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟等，硅是各种半导体中，在商业应用上最为成功的一种。

在半导体晶体中，人为地掺入特定的杂质元素，使其导电性能可控，这一特性使半导体成为制造电子芯片的最佳材料。

半导体中电子和光子拥有强烈的相互作用：加电可以发光；光照可以发电。它们是光电子芯片的基础。

02 四种芯片

迄今为止，四种不同的芯片都是在半导体材料上发展起来的，也可以被叫做半导体芯片。它们是依赖电子、光子、或者光电相互作用，决定了它们的特征和用途。

自从1897年汤姆森证实电子的存在以来, 电子经历了电真空时代（1905），晶体管时代（1947），来到了集成电路（1958）时代。所谓的集成电路也就是电子芯片的一种，就是我们大家每天都听说的，每天都在用的IC芯片。集成电路主要以硅为材料，它的一个重要特征就是仅仅只利用电子来作为信息载体。

借助于摩尔定律的推动以及芯片公司和仪器设备公司的努力，电子产业目前已经成为了全球经济不可分割的一部分。

光子这个名称是在1927年才被人们所认可。经历了空间光学时代和集成光学时代，专家学者们在30多年以后，借用了电子学发展的路径，利用类似的技术和方法，将大型的光学元器件集成到了一个小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是仅仅利用光子作为信息载体，不需要电子的参与。

由于光子之间的相互作用非常微弱，无法形成低成本、低能耗的功能器件，产业规模受限到基本上没有。因此，目前光子芯片的研发重点主要聚焦在基础研究，而不是产业发展。

前面讲到的两个芯片，都有自己非常严重的局限性。比如电子芯片，由于受到电子本身在半导体内运动速度的限制，它的主频只有几个GHz。而光子芯片，由于光子本身的弱相互作用，基本上也就是一个无源器件，功能非常受限。

为了解决上述问题，人们自然而然地就想到了将光子和电子结合起来。实际上正是人们在研究光子的过程中，发现它与电子有密不可分的关系：半导体材料可以通过吸收光子而产生电子，也可以通过电子的湮灭而发射光子。由此开启了光电子学的研究，并发明了激光器和光探测器——最简单的光电子芯片。光电子芯片的时代始于上世纪70年代。为了获得更强的光电效应，早期的光电子芯片基本上都是在砷化镓、磷化铟材料上制作的。但是，这些材料既难于加工，也很难做成像硅单晶那么大的尺寸。因此用它来制作的光电子芯片成本很高，且由于集成度不高，功能非常单一。

光电子芯片的出现，给了通信行业，特别是光通信行业，一个高速发展的机会。由于高性能激光器、掺铒光放大器、波分复用器的出现，通信系统不仅由电缆传输切换到光纤传输，而且从单线单路发展到单线多路，大大地提升了通信系统的传输速率和通量，降低了成本，使许多家庭感受到了光纤到户的好处，为即将到来的大数据时代奠定了基础。

通过对上述三种芯片的介绍可以发现：由于电子和光子的固有特性不一样，他们在产业应用方面的发展也是完全不同的。

电子之间有强相互作用，因此形成了 “电子产业”；光子之间基本上没有互动，也就无法形成自己的产业。

而目前与光子相关的产品，除了光波导，基本上都是光电共同作用的产物。“光电产业” 也已经广泛进入消费市场。

“光子产业” 只是个概念，根本无法进入消费市场，除非把“光电产业”改名为 “光子产业”。

纵观半导体芯片的发展历史，电子芯片/集成电路、光子芯片、光电子芯片都仅仅只是其中的一个特殊阶段。而半导体芯片目前的发展趋势就是将它们有机地统一集成到硅衬底上，形成一个崭新的 “硅基光电子芯片”。

众所周知，指导微电子发展的 “摩尔定律” 基本失效，集成电路芯片的发展趋于饱和。在另一方面，由于大数据、云计算、物联网的发展，信息高速公路体系中各层分支线路上的数据流量也大大增加。为了提高芯片的速度，美国等发达国家和地区的科学家在90年代中期就提出了光互连的概念，使 “光进铜退” 延伸到了芯片内部。他们使用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法，将微纳米级的光子、电子、及光电子器件集成在同一硅衬底上，形成硅基光电子芯片。

说的通俗一点，就是为了应对人们对数据流量需求的不断增长，而电子芯片无能为力的情况下，将光子加入到目前的硅基集成电路中间去，形成一个既快速又便宜的新型大规模光电集成芯片。

IBM、英特尔、台积电、格罗方德、思科、Acacia等多家大型公司已经对硅基光电子芯片进行了商业化的批量生产，而且以硅基光电子芯片为核心的光模块也在数据中心和通信系统中获得了大量应用，硅基光电子产业链已经形成。

硅基光电子芯片可以在算力、能耗、成本、尺寸方面带来极大的优势。人们预期，它不仅可以支撑大数据时代的通信设备、数据中心、超级计算、物联传感、人工智能等产业，更有可能在不久的将来进入消费市场。

03 如何不再 “芯” 痛？

人们对电子、光子的了解，对由此产生的技术时代的更迭，导致了信息社会的出现及发展。而信息社会对小巧、廉价、低能耗器件和系统的偏爱催生了各种各样的半导体芯片。

最早出现的电子芯片，或者说，集成电路得益于硅材料和CMOS器件的完美结合，具有尺寸小，成本低，集成度高的优点，目前已经是全球经济不可分割的一部分，也已经成为传统产业，其发展速度也饱和趋缓。

光子芯片利用光子作为信息载体。由于光子之间的相互作用非常微弱，无法形成低成本、低能耗的功能器件，也就无法形成自己的产业。

光电子芯片注重光子与电子之间的相互作用，拥有多通道，大带宽，高速率的特点，是支撑高速通信的关键技术。但由于是在砷化镓、磷化铟材料上制作，因此，很难做到低成本和高集成度。

硅基光电子芯片是目前半导体芯片发展的最高级阶段。是将上述三种芯片中的基本元素在硅衬底上异质集成而获得的一款大规模光电集成芯片。被公认为是后摩尔时代的核心技术，大数据时代的基石。

作为宇宙万物中的一员，芯片也是遵循着自然规律、分阶段、循序渐进地形成和发展的。特别地，芯片乃人智精气之汇聚，是人们对前沿科学技术进行长期研究与开发而凝练出来的一件艺术品，不是利用大量的金钱就能在短时间内获得的低门栏产品。

特定阶段的芯片都会扮演特定的角色，都有它的优点和不足。

在当今这个以大数据、人工智能为特点的信息社会，单纯的电子芯片/集成电路已经不能够满足在数据传输和处理方面的需要，更不能带来更上一层楼的时代更迭。

单纯地强调光子的多路传输特点、光子芯片的概念，不仅不会做大光子产业，还有可能把 “强化国家战略科技力量” 的努力引入歧途。

脱离电子芯片的基础，忽略光子与电子之间的相互作用，而把硅基光电子芯片当作光子芯片来研究，那是想要建造空中楼阁；而没有一定的电子芯片制造条件和产业积累，那也是造不出先进的硅基光电子芯片的。

硅基光电子芯片是建立在电子芯片的基础上的。它不仅可以替代部分的高端集成电路，而且可以开辟一些新的应用领域，正在形成一个比集成电路产业更大的硅基光电子产业。

唯有真正了解芯片，了解芯片的发展过程，了解芯片发展的不同阶段，从基础创新、人才培养、到产业布局，都尊重芯片发展的自然规律，依靠扎扎实实地耕耘和适当的资源配置，才能高效率地获得核心芯片，不再 “芯” 痛。

2020.12.22 于北京中关园

本文由知识分子和中国激光微信公众号联合发布。

作者简介

周治平，乔治亚理工学院博士，北京大学教授。OSA Fellow, SPIE Fellow, IET Fellow；中国光学学会荣誉理事，中国光学工程学会常务理事；Photonics Research创刊主编。亲身参与、见证了中国微电子产业的早期发展、中期努力、以及目前的缺“芯”之痛；深入研究过光电子技术在加工、娱乐、传感、通信、计算、人工智能等领域的应用；针对微纳光电子集成技术，发表论文、书籍章节、专利、特邀报告600余篇/次，指导中外学生逾百名。编著国内第一本《硅基光电子学》，定义它为利用硅基集成电路工艺和方法，将光子、电子、及光电子器件大规模异质集成在同一硅基芯片上的一项崭新技术，是将光子学、电子学、光电子学、通信技术统一在硅衬底上的一门交叉学科。

芯片中有100多亿个晶体管，如此多晶体管，究竟是如何安上去的？

如今随着芯片制程的不断提升，芯片中可以有100多亿个晶体管，如此之多的晶体管，究竟是如何安上去的呢？

这是一个Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看见CPU内部的层状结构，越往下线宽越窄，越靠近器件层。

这是CPU的截面视图，可以清晰的看到层状的CPU结构，芯片内部采用的是层级排列方式，这个CPU大概是有10层。其中最下层为器件层，即是MOSFET晶体管。

Mos管在芯片中放大可以看到像一个“讲台”的三维结构，晶体管是没有电感、电阻这些容易产生热量的器件的。最上面的一层是一个低电阻的电极，通过绝缘体与下面的平台隔开，它一般是采用了P型或N型的多晶硅用作栅极的原材料，下面的绝缘体就是二氧化硅。平台的两侧通过加入杂质就是源极和漏极，它们的位置可以互换，两者之间的距离就是沟道，就是这个距离决定了芯片的特性。

当然，芯片中的晶体管不仅仅只有Mos管这一种类，还有三栅极晶体管等，晶体管不是安装上去的，而是在芯片制造的时候雕刻上去的。

在进行芯片设计的时候，芯片设计师就会利用EDA工具，对芯片进行布局规划，然后走线、布线。

如果我们将设计的门电路放大，白色的点就是衬底, 还有一些绿色的边框就是掺杂层。

晶圆代工厂就是根据芯片设计师设计好的物理版图进行制造。

芯片制造的两个趋势，一个是晶圆越来越大，这样就可以切割出更多的芯片，节省效率，另外就一个就是芯片制程，制程这个概念，其实就是栅极的大小，也可以称为栅长，在晶体管结构中，电流从Source流入Drain，栅极（Gate）相当于闸门，主要负责控制两端源极和漏级的通断。电流会损耗，而栅极的宽度则决定了电流通过时的损耗，表现出来就是手机常见的发热和功耗，宽度越窄，功耗越低。而栅极的最小宽度（栅长），也就是制程。缩小纳米制程的用意，就是可以在更小的芯片中塞入更多的电晶体，让芯片不会因技术提升而变得更大。

但是我们如果将栅极变更小，源极和漏极之间流过的电流就会越快，工艺难度会更大。

芯片制造过程共分为七大生产区域，分别是扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化，光刻和刻蚀是其中最为核心的两个步骤。

而晶体管就是通过光刻和蚀刻雕刻出来的，光刻就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光罩上的图形复印到薄片上，从而使薄片具有电子线路图的作用。这就是光刻的作用，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是电路图和其他电子元件。

刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。通常的晶圆加工流程中，刻蚀工艺位于光刻工艺之后，有图形的光刻胶层在刻蚀中不会受到腐蚀源的显著侵蚀，从而完成图形转移的工艺步骤。刻蚀环节是复制掩膜图案的关键步骤.

而其中，还涉及到的材料就是光刻胶，我们要知道电路设计图首先通过激光写在光掩模板上，然后光源通过掩模板照射到附有光刻胶的硅片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学效应，再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域，使掩模板上的电路图转移到光刻胶上，最后利用刻蚀技术将图形转移到硅片上。

而光刻根据所采用正胶与负胶之分，划分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺。在正性光刻中，正胶的曝光部分结构被破坏，被溶剂洗掉，使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。相反地，在负性光刻中，负胶的曝光部分会因硬化变得不可溶解，掩模部分则会被溶剂洗掉，使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。

我们可以简单地从微观上讲解这个步骤。

在涂满光刻胶的晶圆（或者叫硅片）上盖上事先做好的光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对晶圆进行一定时间的照射。原理就是利用紫外线使部分光刻胶变质，易于腐蚀。

溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

“刻蚀”是光刻后，用腐蚀液将变质的那部分光刻胶腐蚀掉（正胶），晶圆表面就显出半导体器件及其连接的图形。然后用另一种腐蚀液对晶圆腐蚀，形成半导体器件及其电路。

清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

而100多亿个晶体管就是通过这样的方式雕刻出来的，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。

晶体管越多就可以增加处理器的运算效率；再者，减少体积也可以降低耗电量；最后，芯片体积缩小后，更容易塞入行动装置中，满足未来轻薄化的需求。

芯片晶体管横截面

到了3nm之后，目前的晶体管已经不再适用，目前，半导体行业正在研发nanosheet FET（GAA FET）和nanowire FET（MBCFET），它们被认为是当今finFET的前进之路。

三星押注的是GAA环绕栅极晶体管技术，台积电目前还没有公布其具体工艺细节。三星在2019年抢先公布了GAA环绕栅极晶体管，根据三星官方的说法，基于全新的GAA晶体管结构，三星通过使用纳米片设备制造出MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET，多桥-通道场效应管)，该技术可以显著增强晶体管性能，取代FinFET晶体管技术。

此外，MBCFET技术还能兼容现有的FinFET制造工艺的技术及设备，从而加速工艺开发及生产。

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