集成電路淺談
一、集成電路
1.1什么是集成電路？
集成電路，英文為Integrated Circuit，縮寫為IC，是一種微型電子器件或部件。顧名思義，就是把一定數量的常用電子元件，如電阻、電容、晶體管等，以及這些元件之間的連線，通過半導體工藝集成在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內的具有特定功能的電路。其封裝外殼有圓殼式、扁平式或雙列直插式等多種形式。
集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優點，同時成本低，便于大規模生產。
1.2集成電路的發明
那么為什么會產生集成電路？任何發明創造背后都是有驅動力的，而驅動力往往來源于問題。英國雷達研究所的科學家達默，他在1952年的一次會議上提出：如果可以把電子線路中的分立元器件，集中制作在一塊半導體晶片上，一小塊晶片就是一個完整電路，這樣一來，電子線路的體積就可大大縮小，可靠性大幅提高。這就是初期集成電路的構想，而晶體管的發明使這種想法成為了可能。1947年在美國貝爾實驗室制造出來了第一個晶體管，晶體管具有電子管的主要功能，并且克服了電子管的上述缺點，因此在晶體管發明后，集成電路發明者杰克·基爾比和羅伯特·諾伊斯很快便分別發明了鍺集成電路和硅集成電路。當今半導體工業大多數應用的是基于硅的集成電路。
1.3集成電路在現代電子設計領域的作用
集成電路的出現，受摩爾定律推動，一方面大幅縮減電路尺寸、體積、成本，另一方面縮減由尺寸帶來的處理速度、功耗等性能的提升。因此，集成電路大大推動了電子設計領域的發展，并對其產生了深遠影響。
1、減少元器件的使用。集成電路的誕生，小規模的集成電路使內容元器件的數量減少，在零散元器件上有了很大的技術提高。
2、產品性能得到有效提高。將元器件都集合到了一起，不僅減少了外電信號的干擾，也在電路設計方面有了很大的提升，提高了運行速度。
3、更加方便應用。一種功能對應一種電路，將一種功能集中成一個集成電路，如此一來，在以后應用中，要什么功能就可以應用相應的集成電路，從而大大方便了應用。
1.4集成電路在現代電子設計領域的重要地位
集成電路作為電子產業的基礎和核心，其技術水平和產業水平已經成為衡量一個國家或者地區經濟發展、科技進步水平和綜合實力的重要標志。加快發展集成電路產業，有利于電子產業結構的優化升級，有利于推動傳統工業經濟發展方式向新型工業化發展方式轉變，有利于促進信息化和工業化的深度融合，符合中國加快轉變經濟發展方式的主線。
隨著中國科技水平的進一步提高，最后產業發展的高級階段必然是要掌握電子產業的核心即集成電路。只有設計和制造出了電子產品中的集成電路，才能意味著一個國家真正掌握了電子產品的核心技術。
二、設計與制造
2.1集成電路的設計流程
集成電路設計的流程一般先要進行軟硬件劃分，將設計基本分為兩部分：芯片硬件設計和軟件協同設計。其中芯片硬件設計包括：
1．功能設計階段。
設計人員產品的應用場合，設定一些諸如功能、操作速度、接口規格、環境溫度及消耗功率等規格，以做為將來電路設計時的依據。
2．設計描述和行為級驗證
功能設計完成后，可以依據功能將SOC 劃分為若干功能模塊，并決定實現這些功能將要使用的IP 核。決定模塊之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述語言實現各模塊的設計。接著，利用VHDL 或Verilog 的電路仿真器，對設計進行功能驗證。
3．邏輯綜合
確定設計描述正確后，可以使用邏輯綜合工具（synthesizer）進行綜合，邏輯綜合后得到門級網表。
4．門級驗證
門級功能驗證是寄存器傳輸級驗證。主要的工作是要確認經綜合后的電路是否符合功能需求，該工作一般利用門電路級驗證工具完成。
5．布局和布線
布局指將設計好的功能模塊合理地安排在芯片上，規劃好它們的位置。布線則指完成各模塊之間互連的連線。
2.2集成電路的制造流程
2.2.1晶圓生產
集成電路制造的基本材料就是半導體材料，這是一種單晶物質。所以，首先需要做的就是要利用大塊的多晶體來生成大單晶，基本原理就是對多晶體予以確定的晶向，并加入N 型或P 型摻雜。
2.2.2 光刻
光刻是一種緊密度極高的表面加工技術，其結合了圖形印刷與化學腐蝕的雙重原理，通過二氧化硅或金屬膜上將設計的線路刻出來從而使之符合預定的功能。在集成電路制造的整個工藝中，光刻是復雜程度最高的工藝，同時也是最核心的工藝。
2.2.3刻蝕
集成電路的制造，需要將各種不同的元件（晶體管、電阻、電容）做在同一塊芯片上去，需要在芯片上做出不同的圖形。把光刻確定的圖形轉移到構成器件的薄膜上，把不需要的薄膜去除，這一過程稱為刻蝕。
2.2.4 離子注入與沉積
離子注入事實上就是一種摻雜技術，運用這種技術使得帶有較高能量的雜質離子，通過靜電場對其實施加入，然后進入半導體襯底。當前應用較為廣泛的薄膜淀積法主要有兩種，一種是物理氣相法，另外一種是化學氣相法。
2.2.5 CMP
CMP具體指化學機械拋光，是集成電路生產制造過程中實現晶圓表面平坦化的核心技術。
2.2.6測試、封裝、成品出廠
測試是通過測試儀器，對芯片上每個電路和性能進行檢測，有問題的及時排除。最后晶圓上的芯片被切成單個芯片進行封裝，經過成品檢測手段，對芯片進行出廠前的最后檢測，符合要求即可出廠。
2.3世界上較為先進的半導體加工制造技術
半導體加工設備基本被日本，荷蘭，美國霸占。目前蝕刻設備精度最高的是日立。半導體材料，生產半導體芯片需要19種必須的材料，缺一不可。而日本企業在硅晶圓、合成半導體晶圓、等14種重要材料方面均占有50%及以上的份額，日本半導體材料行業在全球范圍內長期保持著絕對優勢。全球70%的半導體硅材料，都是由日本信越化學提供。9月，產業鏈消息，臺積電2nm工藝的研發進展超出預期，甚至快于原計劃。在3nm工藝節點上，臺積電選擇了采用FinFET而放棄了GAA，率先來到2nm工藝路口，其作出的選擇也基本意味著接下來半導體行業整體的到前進方向。光刻技術：ASML 研發下一代 EUV 光刻機：分辨率提升70％ 逼近 1nm 極限像臺積電在晶圓代工領域的地位，在光刻機領域，荷蘭ASML公司也占據了行業鰲頭。與之前的光刻機相比，新一代光刻機意味著分辨率提升了70％左右，可以進一步提升光刻機的精度。中科院低維半導體技術：納米畫筆“畫”芯片中科院宣布研發出了一種簡單的制備低維半導體器件的方法——用“納米”勾勒未來光電子器件，它可以“畫出”各種需要的芯片。
三、我國集成電路產業發展限制以及突破方法
3.1我國集成電路產業發展所遇困難
一、市場嚴重依賴進口
從中國海關的進出口統計數據可以看到，最近幾年中國集成電路產品進口額快速上漲，成為中國進口額第一大商品，而年度逆差也連創新高，國內集成電路產業規模與市場規模之比始終未超過20％。
二、缺乏高端領軍企業
要做大做強集成電路產業，就必然需要有大而強的龍頭企業，國際經驗證明，企業是集成電路產業發展的基礎。目前中國大陸還缺乏像英特爾、高通、三星、博通、臺積電這樣具有國際競爭力的龍頭企業。
三、工藝水平差距較大
集成電路制造業是支撐集成電路設計業和形成產業鏈閉環發展的重要基礎。中國的集成電路制造業及其相關的設備業，經過多年的發展，制造工藝技術取得了很大突破，但是與世界先進水平相比，依然有著巨大的差距。
目前中國實現量產的工藝（40nm）與國際先進工藝（2xnm）相比還有兩代工藝的差距，而且國際先進工藝正在向著1xnm層級快速演進。集成電路制造業的發展，不僅比拼智力，還比拼著財力。隨著制造工藝的不斷升級，整個集成電路制造業的技術門檻和資金門檻已經高到一般企業無法承受的程度。
四、基礎技術積累不足
在對產業發展有巨大影響的基礎技術方面，嚴重依賴國外技術，自主可控的基礎技術積累不足。同時，近年來國外專利權人申請的中國專利數量增多，特別是日本、美國、韓國企業，這實際上加強了國外企業對基礎技術的掌控力度。
五、配套技術發展滯后
集成電路產業的發展，離不開產業配套技術的支撐，但目前來看，不論是集成電路設計業所需的EDA技術，還是集成電路制造封裝所需的關鍵設備和關鍵原材料，中國在這些配套技術上依然受制于人，長期依靠進口。在EDA技術領域，全球市場基本上都被美國三大EDA廠商壟斷，占據了95％以上的市場份額，特別是在主流的EDA工具方面更是占據了絕對的統治地位。目前中國僅有華大九天、概倫電子等少數幾家企業在從事EDA工具研發工作，相關產品也僅在某些應用點上有所突破，只是作為主流EDA工具的補充，還沒有形成系統的集成電路設計解決方案。
六、芯片產業人才缺口大
芯片產業人才隊伍難成體系是當前芯片發展中遇到的主要困難。最后，美國技術封鎖不斷升級，我國被技術封鎖的企業數量不斷增加，使得“卡脖子”現象貫穿芯片產業鏈全過程。
3.2我國集成電路產業如何突破“封鎖”
自20世紀60年代起，美國政府意識到芯片工業發展將會對全球格局產生重大影響，并制定了以集中指導、協議采購、廉價融資為方略的多項半導體科技發展激勵政策與產業貿易措施，打下了其芯片產業的基礎。此后，美國便主張，要使中國的半導體整體技術落后于歐美兩代，同時提議國會控制中方購買生產超級計算芯片所需技術設備，對中國半導體芯片生產技術收緊瓶頸并控制供應。
第一，提高芯片產業戰略地位，加大對芯片產業的全方位扶持力度。黨的十九屆五中全會提出，芯片為科技發展中的重中之重，國家需進一步提高芯片產業的戰略地位，鼓勵各地政府部門出臺一系列優惠政策支持芯片產業的發展。同時，加大對芯片產業的財政支持和補貼力度，向芯片企業提供稅收優惠政策、研發補貼以及國家半導體產業基金的投資。
第二，加大培養芯片產業人才，加大對“產、學、研、用”整體支持。人才是高新技術的基石，要完善國內集成電路人才培育機制，進一步強化集成電路企業、高等院校和科研院所之間的合作，著重培養高級、復合型人才，推動生產、教育與科技前沿的密切融合。
第三，繼續保持對外開放合作、對內專業務實的芯片產業發展方略。習近平總書記指出，我們要秉持開放、融通、互利、共贏的合作觀，拒絕自私自利、短視封閉的狹隘政策。主動開展國際合作，保持與韓日以及以色列、歐盟等國家和地區組織的重要芯片企業的緊密聯系，逐步縮小與世界龍頭企業之間的技術差距。
第四，建立獨立可控安全的國產芯片產業鏈和供應鏈體系。習近平總書記強調，只有把關鍵核心技術掌握在自己手中，才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全。要積極建設自主可控的芯片產業鏈和供應鏈體系，以穩步提高國內各行各業所需芯片的自給率，提升本土上游廠商對下游的服務能力，增加客戶黏性。同時，減少對非友好國家、地區和實體企業的芯片技術和產品的依賴性，以實現國家芯片產業科技自立自強。
第五，建立半導體產業鏈應對風險預警防范機制。由于我國半導體產業在美國遏制中國高新科技特別是半導體科技發展之前高度依賴海外高新技術企業，因此，為了確保今后國家半導體產業鏈平穩安全，需要以政府為主導，積極發揮集中力量辦大事優勢，通過組建半導體產業供應鏈風險預警議事協調機構，建立應對全球半導體風險的整體預警防范機制。
3.3我國集成電路產業未來的發展趨勢
集成電路設計產業所占的比重逐漸提升，表明我國自主創新的能力的提升。積極推動發展新型集成電路產業發展，加快技術創新，將是未來集成電路產業發展的重點。
(1)政策資金持續加碼，吸納高級人才
在集成電路行業發展的過程中，一定要重視人才的培養，吸納高級人才。只有進行正確的價值引導，才能吸引更多的人才，吸引更多的資本，并且讓崗位的價值匹配程度提高，形成一個復合型的團隊。
(2)集成電路國產化進程加速
為解決我國集成電路產業依賴進口的問題，同時減少貿易逆差，國家提出到2025年我國集成電路芯片自給率增至70%的目標，我國迅速掀起了集成電路國產化的熱潮。
(3)重視研發，持續投入
在研發的過程中，一定要持續的投入資本，加強高科技產業的發展，形成一種較為寬松的發揮空間，只有如此才能讓研發團隊靈感激發出來，創造出與市場情況下吻合的產品。
(4)立足全球化，面向市場化
中國在集成電路發展的過程中，一定要從全球化的角度分析和問題，加強全球化的合作，在未來發展的過程中開放與合作是集成電路發展的主流，避免閉門造車的現象出現。
(5)重在積累，克服急功近利
設計業的復雜度很高，需要強大的穩定的團隊、深厚的積累。積累是一個不可逾越的發展過程。中國集成電路產業的發展如同下圍棋，不能只爭一時之長短。
(6)促進企業間合作，促進產業鏈合作
國內企業之間的橫向聯系少，設計企業要與方案商、通路商、系統廠商形成緊密的戰略合作伙伴關系。
(7)摒棄理想化的產學研模式
產學研一體化一直被各界視為促進高新技術產業發展的良方，但實地調研結果暴露出人們在此方面存在著不切實際的幻想。
四、結語
當下，受限于歷史基礎的薄弱以及國際形勢的嚴峻，我國集成電路產業正面臨著前所未有的機遇和挑戰。加快創新，提高集成電路產品國產化速度，健全我國自主的集成電路產品供應鏈是當務之急。
集成電路產業作為國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性和先導性產業，具有極強的創新力和融合力，已經滲透到人民生活、生產以及國防安全的方方面面。國際金融危機后，世界各國都在努力探尋經濟轉型之路，加快培育發展戰略性新興產業，力爭在后危機時代的全球經濟發展和競爭中贏得先機。擁有強大的集成電路技術和產業，已成為邁向創新型國家的重要標志。回顧過去，中國集成電路產業迅速壯大并已具備較好基礎；展望未來，新形勢下產業發展機遇與挑戰并存。對此，發展集成電路產業需要有新的思路、新的舉措，以實現其跨越式發展。