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课代表立正的官方Podcast
深度访谈，有用干货，亲身验证的「真本事」
Superlinear Academy创始人，Maven Top AI Instructor
前Statsig布道师（OpenAI收购），腾讯副总监，Meta，Amazon；康奈尔经济学博士
社区：Superlinear.Academy
课程：ai-builders.com
个人：lizheng.ai
最近芯片是一个这个算是红的发子的课题了
因为我们国家发现落后了很大一截
然后最近有很多的投资
希望去这个改英超美对吧
把芯片的这个制作给追上来
但是芯片到底为什么难
以及这些钱投下去
到底是出来另外一个泡沫呢
还是真的可以用钱来买时间
把这个技术真的提升上去
是大家很关心的一个问题
要想搞清楚这些问题
要想搞清楚答案的话
我们了解这前沿芯片的制作流程
其实是这个必不可少的一个环节
我们今天就请来了在Intel
5纳米芯片研发组的陈浩博士
来帮大家讲一下这个制作前沿芯片
到底为什么难这件事情
那那个欢迎陈浩同学
大家好我是陈浩
我是在Intel工作的芯片工程师
来到Intel以前
我在康奈尔大学攻读博士学位
主要做的一些关于固体化学相关的课题
来到Intel已经7年了
我经历了从22纳米到5纳米
制成的这个研发和生产
今天非常高兴能够在这和大家聊一聊
关于芯片的事
好的陈浩同学
我觉得我们今天就是
因为很多同学对芯片这个概念不是很了解
我们今天就先从粗到细或者从高到低
来先讲一下芯片到底是什么
然后这个工艺里边可能我们再展开
到一直到最难的这一部分
最后可能再讲讲我们大家都关心的光刻机
和这个工艺有什么关系
然后难点到底在哪
最后我们可能再讲一些商业应用
和回到我们最开始的问题
就是我们国家到底如何在这方面进行感嘲
好的
首先我们聊一下芯片
芯片其实就是集成电路
它其实就是把很复杂的电路集成到一个很小的面积上
芯片可以分为模拟芯片和数字芯片
而数字芯片是大家比较关心的
比如说像CPU这些
它属于数字芯片当中的逻辑芯片
当然还有比如像内存闪存这类的
它是属于数字芯片当中的储存芯片
他们是根据功用来进行划分的
难的是不是就是逻辑芯片
可以这么说
你比如说大家现在比较关心的中芯国际
他们做的CPU这种产品
它就是逻辑芯片
但是我要强调一点
其实储存芯片的市场也非常的大
它是要超过逻辑芯片的整个的交易量和市场的
像我们国家做的比较好的
像长江存储大家可能都已经知道
还有河菲长青他们都是在储存这个领域里做的非常不错
不知道
但是反正我们了解了储存芯片
我们做的不错的
但是逻辑芯片可能还有很多技术上需要感超的地方
对吧
都需要一些进步
但是做的不是最新的制程
但是你比如说像长江存储
他们现在做闪存做到128层已经是最新的制程了
好的
那我们就来讲逻辑芯片
尤其是CPU
CPU到底是怎么造的
就是我们应该怎么说
CPU它制造过程到底是什么样子的
然后这里边的难点到底是哪里的
其实一般芯片的制作分为三个主要的阶段
一个是设计
然后是制程
最后是封装
封装是其中技术难度最低的
我们也没有必要在这讲了
那芯片的设计相对于芯片的制程是比较轻资产
只是相对于制程来讲
所以有很多公司会更加愿意去做芯片的设计
像NVIDIA
像AMD
像我们国内做的比较好的海思
他们主要是设计芯片的
大家比较关心的
像中芯国际这类的公司
我们把它统一称作是晶圆厂
他们是真正去制程芯片
那也就是我们今天主要聊的也是芯片的制程
我们谈到制程
芯片其实它主要有两个最主要的部分
一个是进行计算的晶体管单元
另外是把这些晶体管单元通过
功能性的设计连接起来的基础线
来实现整体的芯片的运作
所以如果我们把芯片看作一个建筑的话
这些晶体管单元它是在建筑的最底层
然后这个建筑是通过一种叫做电介质材料的
材料进行支撑
然后在每一层电介质材料当中
我们把这个金属线放到当中
然后进行功能性的连接
所以这个芯片是个立体的结构
是个立体的结构
具体来讲的话
你比如说在某一层电介质层当中
芯片的设计会非常明确的规定
这个金属线的长度宽度
兼具上下层连接的位置
然后我们可以把这个想象成一个金属线的图案
在制程过程当中
我们首先是用过光刻的方式
把这个图案刻印到电介质材料的表面
然后通过画下的方法
把这个图案刻实到电介质材料当中
最后是把金属填充到刻实处的沟槽当中
实现了这一层芯片的制作
然后我们用类似的方法
一层一层一层的把最终的芯片制作出来
听起来就是一个挺工程的事情
首先它是一个集成电路
对吧
就是一堆线
然后你要想办法把这个线做得足够细
足够小
然后你交由各种各样的复杂的工艺
去在这么小的一个地方把它做出来
那是不是现在我们的所谓的几纳米几纳米
就是说它的中间的什么东西的大小
可以这么想
在这个行业里面我们把这个大家比较说的比较多的
像10纳米
14纳米
10纳米7纳米这种名词
其实我们是叫做技术节点
它是衡量制程度和制程难度的一个名词
以前的技术节点的多少纳米
它是有实际的物理意义的
从最初的经济管单元门的长度
到后来的最密金属线部分
重复单元的尺度的一半是有实际的物理意义的
但是在22纳米这个技术节点以后
因为经济管单元的设计产生巨大的变化
它就慢慢的没有物理意义了
但是我想让大家注意到的是
就是这个下一代技术节点和上一代技术节点的关系
大概是0.7倍
你比如说14纳米乘以0.7是10纳米
10纳米乘以0.7是7纳米
7纳米乘以0.7
5纳米
4.95纳米
它实际上你可以看到把这个0.7的倍率
放到一个平面上
0.7乘以0.7
0.49大概就是0.5
意思是什么呢
就是说我们把经济管的面积
在每一代技术更新之后变成了它的一半
也就是单位
是不是就是摩尔定律的意思
就是我们要性能翻倍
对
它造成结果就是单位面积内
经济管的密度就翻倍了
所以更加有意义的是这个倍率
而不是纳米数本身
明白了
所以说纳米数的0.7倍其实就是跟摩尔定律的
性能翻倍是一一对的
OK
在二二纳米没有任何的失质都不一一了
并不是说这个东西是母纳米的
或者是宜能吸纳米或者量
对
所以说我们大家会想到
就是说现在我们所有的很多科技创新
都是基于摩尔定律的
就虽然它不是一个真正有益的东西
但是其实就是一个这样的规律
那摩尔定律归根结底的原动力
就是芯片几纳米的长度或者宽度
对吧
我们可以把摩尔定律放在一边
因为现在有很多讨论说摩尔定律是不是还活着
等等
但是我们可以看到一点是什么呢
就是随着这个制程的更新
你单位面积比晶体管的密度翻倍
它的好处是什么呢
它的好处首先一点就是算力的增加毫无疑问
第二点实际上就是在某单位的晶体管单元当中
电子锁要穿越的距离减低了
这样的就造成一个直接的好处
就是它的耗电就会降低
热效应降低
另外一点就是说
我们知道芯片的生产
它首先是在一个很大的硅片上面
然后生产好了以后把它切割成无数的芯片的单元来去卖
所以当你的芯片的面积变小了
也就是同样一个硅片
你可以生产出更多的芯片
所以它的成本也就降低了
所以说降低这个几纳米以后
你既可以更快又可以更省电
然后制造成本还更低
相对的
就是你比如说你如果不进行技术优化
你做同样多的晶体管单元
你的成本要高
对就是控制住其他边量以后
那就对
好的
那就好重要的是吧
那这个东西
刚刚我们说它芯片制作过程是设计制成和封装
看起来就是所有的技术
目前决定几纳米几纳米的技术难度
就是在制成这一块对吧
是的
制成本身是因为你随着更新换代
你所要做的晶体管密度增加
也就对你整个制作工艺要求就提高了
你需要这个结构
所以说如何把这个关键元件做得更小
就是技术难度对吧
对的
那我从一个外行的理解
就是说你要把这个东西做小
你需要用刚刚相关你刚刚说的需要用光刻
但是光其实在这个微观世界是有一个玻璃二相性的
对吧
它有一个波长
所以说它可能在一个很微观的地方就不准确了
是不是这个就是它的技术挑战
对的
这是其中一点非常重要的技术挑战
因为我们在最近你可能大家讨论的比较热的EUV
所谓的这个极紫外光出现以前
大家都是用这种Argon fluoride 193纳米的光源
所以这个光的波长是193纳米
但是我们要在这个基础之上做一个22纳米的东西
或者说甚至是10纳米的东西
或者在制程当中
我们是有办法来通过科技实现我们需要的尺寸
但是你可以把光刻这个过程想象成
光刻机显然成一个笔
光刻的过程就是把这个字写出来
那你这个大笔写大字比较方便
当你写的字的尺寸逐渐变小的时候
你就需要更小的笔来写这个字
这样可以直观的理解光刻机带当中的作用
你比如说我刚才说了现在用的光刻机是193纳米光源
我们有一些办法你比如把它进入到放到这个介绍当中
这样它的光的波长会进一步缩小一些
但是EUV的波长是13.4纳米
这两个东西不是一个数量集的
所以可以这么讲在7纳米的制程以后
基本上你是需要EUV的
我想再稍稍理解一下
就是193纳米到193纳米的波长
去刻一个22纳米的东西
能不能稍稍解释一下是怎么做到的
因为我自己对这个很好奇
首先我们要知道
你一定的波长下所能刻印的最小尺度是有限制的
这个东西我也没必要在这里讲
对
我们可以通过一些其他的方式
让每一次刻印的尺度并不那么小
但是把它叠加起来就形成一个比较小的尺度
你比如说我在刻印金属线的时候
你比如说123456这样一个金属线的一排金属线
我们可以在刻印的时候通过两次刻印
第一次刻金属线13557
这样的尺寸就相当于比较大
然后第二次刻2468
然后再把两次加起来的话
你就可以做出了比现有尺度小一半的尺寸
这个在我们这个行业里有个专业术语叫Double Pattern
当然后来又有一些更好的方式
你比如Self Align Double Pattern
它相当于一次曝光
曝光之后产生的结构
它本身的性质在通过化学的方式
把它的尺寸缩小到一半
其实是有一些办法
但是问题是什么
问题是你使用这些办法
你无疑就会让整个制作的这个工序
变得一个本身就很复杂的
制作过程变得更复杂了
听起来我们想要实现更小的尺寸
无非两种方法
或者说两种方法相结合也行
第一就是要有一个更强的工具
EUV的光刻机
比如说另外就是要叠加更复杂的工艺
当然这个叠加的工艺
这个叠加工艺是不是也不是免费的
就除了会让它更复杂
可能导致生产成本更高
是不是还有什么其他的副作用
主要是对量率造成一些影响
一个是因为叠加的工序
它并不是直接刻印
所以它很可能在前后会有一些
你比如说当我们做两次刻印的时候
当第二次刻印
它发生的位置并不是第一次刻印的正中间的时候
那你这个性能就会受到影响
另外一点就是说你每一步都会有一个量率的问题
你比如说一个芯片的制作过程
可能是上百步一个过程
你每一步损失1%的芯片
你100步之后假设这么加
你就损失了很多
基本上可能很多
我没有具体去算过
但是可能就是你感兴趣的朋友可以自己算一下
100步200步的这种工艺
如果你每一步损失1%
这个结果是不堪设想
我们重新来算一遍
然后那个0.2
0.299
100次
就只剩36%了
36%
听起来光刻是这中间非常重要的一个技术挑战
除了光刻之外还没有其他的难点呢
刚才我们只是谈了一下大家比较关心的光刻机的问题
但是芯片制作它本身其实有它很独特的地方
首先我们知道芯片制作的结构尺寸是非常小的
所以在制作过程当中
金元厂实际上是把工具的性能推向了它的极限
很多时候需要很多工序之间形成互补
来实现设计的要求
这就引入了第二个问题
检测问题和优化工序的问题本身的困难
因为问题往往不是由一个工序自己造成的
而优化过程当中
你有时候很多时候是要对很多工序同时进行调整
才能达到优化的效果
前一发动全身是吧
我觉得这可能出了问题
但是我动一下
结果导致别的地方出了问题
结果反而效果会变差
那好难
第三点就是检测问题本身就很难
甚至有的时候
很多时候我们在设计芯片过程当中
加入了一些和芯片本身没有关系的结构
这个结构就是为了帮助我们去更好的检测问题在哪
对的
最后我想说的芯片的制作是需要
金元厂和设计公司之间非常紧密的协作才可以完成
有的时候
一些设计在制作过程当中会争生
非常容易争生一些缺陷
这个时候金元厂把这个反馈给设计公司
他们会对设计进行一些改进来避免这个问题
所以是一个非常复杂的过程
这就听起来就必须是专家中的专家
然后很多
他们要在各自的领域和各自的负责这一块是特别强的专家
所以说他可能知道了问题
有的时候可能还要凭感觉对吧
凭经验和凭感觉
很多时候需要经验
这样听起来
上下游就特别重要
因为我们这些上下游的这种厂商是不是也不是一夜之间可以积累起来的
听起来
是
我觉得你想问我关于金元厂和供应商之间的关系
对
刚才我也讲了
芯片的制作过程它对工艺的要求非常高
而它的工序又非常复杂
这就造成了一个必然的结果
也就是大家都去做自己擅长的
也就是所谓的分工明确
在这个基调下
金元厂它主要专注于生产流程
它要提供一个合适的生产流程
来制作出设计所需要的结构
而供应商他们是专注于生产工具
也就是这些仪器
他们来优化这些仪器或者是提供更新的仪器
来完成生产工具的需要
这其实我觉得在平时这是一个很好的合作方式
大家做自己擅长的东西
最后我们可以一起把它做出来更好的事情
但是比如说在贸易战的背景之下是不是会产生问题
因为它本身是一个特别复杂的工艺
然后你中间一个环节出了问题
可能就会导致整个工艺
就是最后短板出现
你能做什么大倒退
我们听说中芯国际它已经能做出14纳米了
是不是也是基于在这种国际合作的基础之上
大家都是一样
因为芯片生产制作
它是一个非常大的产业链
它需要方方面面
所以每个方面的市场可能也不大
所以我不可能说
我一个公司把所有东西都做了
那是不可能的
所以硬是需要大家合作的
好的
那我们刚才我觉得把工艺制作的
制程中的难点给讲清楚了
讲的差不多了
就是首先光刻
然后再就是其他工具和整个流程的复杂程度
就导致了做芯片是一个非常难的工程问题
在这个工程问题里边也会有各种各样的瓶颈
接下来我想问两个
一个就是你觉得我们现在国家
大家现在比较感兴趣的
我们国家可能会有万亿的投资
投到芯片产业
科上班也上市了很多公司
也上市了很多芯片公司
在你看来这些芯片公司到底能不能把真正
比如说给他们几年时间很多钱
能实现我们国家芯片的自主研发
这个问题是这样的
因为芯片的制程是需要大资本的介入
而资本又是主力的
所以经济效益实际上是
尤其对这种芯片行业是非常重要的
当然了你比如像中信国际这种公司
它的制程实际上已经很先进了14纳米
但是它和顶尖的晶圆铁厂
你比如说台积电是有代差的
而这个代差就造成它的市场份额实际上很小
它就是不到10%
但是它解决的是一个有与没有的问题
所以它有很多是超过经济效益的考量
我比从一个工程师的角度
我可能更加关注于一些小的晶圆厂
他们可能专注于某些特种
或者是专门行业当中芯片的生产
随着这个行业逐渐成熟
他们也会积累更多的经验工程师
这样帮他们成为这个行业里的独角兽
这样一来他们就可以占有更多的市场份额
从而提高自己的经济效益
也随着这个行业本身的发展
慢慢具备更好的竞争力
明白了
所以说其实我们这是分了两类芯片厂
一个是你说芯片有各种各样的种类
然后可能你在这个细分领域还是有可能做好的
只要你有足够多的积累足够多的工程师
也许是能做好的
但是在这种最一线最前沿最重要的逻辑芯片CPU
可能因为我们已经比别人落后了几十年了积累
中间这个代差
像你刚刚一开始提的
如果你技术上有优势的话
你不但会更快更省电还更便宜
所以说代差可能很难利用市场的力量去弥补
可能还这个时候真的需要一些
就是政策的扶持之类的
才有可能去解决这个核酶的问题
不然的话可能我们如果没有钱没有市场的话
就直接就被淘汰掉了
就完全没有办法生存
这个东西确实是比较复杂
但是可以肯定的是什么呢
就是芯片的一个成熟的晶圆厂
它其实无论是晶圆厂也好
或者是其他行业也好
最终其实就是生产工具和使用生产工具的人
也就是仪器和工程师
仪器我们可以去买
这都是我们需要慢慢培养
尤其是这个经验
当两者都很好的时候
我觉得早晚会做出更先进的制程
好的
那我们国家软件行业
你看这个软件行业总就弯道车车
或者说是在成立开始
国际新兵还是跟着国际新兵走的
那这个硬件行业
你觉得有没有这种弯道车车的机会
或者说我们有没有什么其他的重大发明
可以让我们赶上国际新兵
比如说你刚刚说的EUV的绑克机
特别重要
那我们国家有没有可能发明这种东西呢
但是首先我说一下
就是像你刚才说的这些公司
其实它是属于信息时代产生的产物
而信息时代我们国家从头就没有落下
我们实际上是跟着世界一起在进步的
新时代
到你比如现在华为他们5G做的
已经是世界先进毫无疑问了
所以我们从头其实就没有落下
而像这种芯片制程
这种比较工业化的这种行业
其实我们是起步很晚的
所以需要慢慢积累经验和人才
所以我个人觉得这个是没有什么可以弥补的
这个就需要实验科学
你就需要做更多的实验
积累更多的经验
从而产生更好的设计更好的办法
所以这些都属于一些经验的积累
在工业化过程当中
但是这种创新精神也是非常重要的
你比如说我们现在期待着
我们引入更多的EUV来加速我们的制程
但是与此同时很多公司在尝试
难道我们一定要用EUV吗
我们可不可以用别的方式来同样实现更小的制程
你比如说有的公司他们已经开始用电子素
直接来对结构进行修饰
另外一些公司通过高分子聚合物的自组装
在一个比较大的结构当中实现更小的结构
当然了这些都属于实验阶段
但是正是这些小公司或者这些人从事这些探索
最终能够给我们提供一个另外的结
或者是提供一个更好的结
所以说这是工业化的积累
工业化工程能力的积累和创新探索必须同步走
才有可能真正的走到最前一眼
是的
好的我们把制程的难点
和我们现在面临的问题和挑战给讲清楚了
在你看来我们国家芯片上没有什么新的引用
或者说我们现在是不是解决了制程就可以了
当然不是这样的
你比如说
当然不是这样的
这个行业是需要
刚才我也讲了
是一个很复杂的产业界
需要大家合作来实现
你比如说上海微电子这个公司
他们现在已经能够生产28纳米的光刻机
但是一些核心的部件
你比如说光杉还是来自于美国
镜头是瑞典的还是欧洲某个公司的
实际上它是需要整个产业链互相合作来实现的
因此就是说
这个东西会受到方方面面的影响
另外一个例子你可能比较关心的
最近ARM被NVIDIA收购这件事情
因为NVIDIA是一家美国公司
它现在把ARM收购了
大家知道ARM它是很多芯片设计的基础语言
一个美国公司把它收购走了以后
很有可能会像光刻机一样
在以后对我们造成一定的限制
虽然NVIDIA宣称它会把ARM的总部保留在英国
这样的话不会受美国金融合作管制
但是像等等这些都是前代的隐患
如果大家不是很了解情况的话
ARM它到底是干嘛的
为什么会造成隐患呢
就在哪个环节造成隐患呢
ARM它是一种基础语言
我们很多芯片的设计是基于ARM这个语言
你比如说ARM的基础语言里面规定了
也是一棵树
然后我们的设计公司就会
对基于这个基础语言进行一些改进
来适应它的功用
比如说可以把它修饰成
这是一棵绿色的树
这是一棵很小的树之类的
树结构
如果远程通常还树结构
但是这些都是基于基础语言
所以如果基础语言受到了限制
那必然会影响整个的设计
当然了现在就像我们刚才讨论的
创新意志都在
现在还有其他的基础语言
你比如说RISC-V
RIC-V它也是现在一个比较流行的基础语言
ARM被收购以后
会不会会更多的人来使用新的开源的基础语言
这些也都是一些很有意思的事情
明白了
所以我觉得观察始终的
我们如果总结一下今天我们说的所有事情
观察始终就是芯片的设计和制造
是一个特别复杂
特别所谓高科技
但是我觉得应该是说高工程
它是人类工业的结晶
的这样一件事情
所以它很难
但是其实这个东西不是一个可以被垄断的
就是它的技术是有高门槛
但是它在原理上没有被垄断
对吧
它是一个有解的东西
大家都可以去做
可是你想把它做好就要有很多的积累
不是可以一簇而就的
这可能对我们的歧视就是说
第一我们还是要有一个良好的国际环境
然后大家去合作
把这个东西去做好
这样才有经济效益
我们的经济才可以往前走
但是另外一方面就是在一些环境
比如说不利的国际条件之下
可能我们也要有一些保留一些自主原汉的能力
这样的话才不会被别人卡住脖子
然后把整个未来给
限制掉
对了
今天感谢陈浩博士来给我们提供了特别权威的
关于千元芯片研发和制造的第一手资料
谢谢大家