许多年后,胡伟武想到导师夏培肃院士时,依然满是感慨。
“我这辈子最大的心愿是搞好中国的计算机事业,我们这代人没搞好,你要搞得比我好。”这是夏培肃院士反复和弟子们说得一句话。2014年,主持研制中国第一台电子计算机的夏培肃院士,在北京溘然长逝。
7年后的2021年12月,夏院士的得意门生、“龙芯之父”、龙芯中科董事长胡伟武,带着中国独立自主的通用CPU处理器“龙芯”,在科创板首发上会,上市在即。
龙芯上市是三个月前的新闻,但中国芯片的故事,却得从四十年前讲起。
01、为祖国造芯
中国芯片产业起步,并不算晚,相反在很长一段时间内,世界领先。
新中国成立后,一众世界级的半导体领域大师,回到新中国,奠定了中国半导体行业的基础。
两弹一星的波澜壮阔,至今仍振奋人心,钱学森、邓稼先归国的故事耳熟能详,这些人才,铸造了护卫国家和平的国之重器,耸入云天的东风导弹,静静守护祖国安宁。其实鲜有人知的是,当时历经万难归国的科学家中,还有众多半导体专家,他们沉醉于方寸硅片之上,满怀报国理想,带领着中国半导体产业在五六十年代打出一片蓝天。
谢希德17岁那年,因骨关节结核落下终身残疾,右腿不能弯曲。3年后,谢希德凭借超人的毅力和绝伦的天赋,入读厦门大学物理系。那个时候,中国正处于抗日战争的艰难时期,远在大洋彼岸的英国,刚刚完成了敦刻尔克大撤退。
1947年,谢希德赴美留学,后来获得麻省理工学院理论物理博士学位。毕业后,跟随美国固体物理学家斯莱特从事微波谐振腔中半导体性质的理论研究,这奠定了谢希德在半导体领域的科研基础。
1952年,看着蓬勃新生的祖国,谢希德和英国留学的男友曹天钦商议回国。他们的计划十分周密,谢希德先从美国脱身,到英国成婚,之后一起从英国回国。在科学史专家李约瑟的帮助下,10月,两人抵达上海火车站。谢希德来到复旦大学,担任物理学教授。
后来的故事,就是谢希德为中国物理学和半导体事业鞠躬尽瘁的一生。在当时,中国大学普遍采用苏联教材,但谢希德都是自己编写。1956年,党发出了“向科学进军”的伟大号召,在周恩来总理的主持下,北京大学、复旦大学等5所大学开办了我国第一个半导体专业培训班,“中国半导体之母”谢希德担任副主任。1958年,黄昆与谢希德合编的《半导体物理学》付梓印刷,后来,几乎整个20世纪的中国半导体研究人员,都读过这本教材。
在复旦大学话剧《谢希德》中,谢希德深情地说:“我就像一只大雁,在寒风萧瑟万木凋零的严冬,不得不离开家园,如今春回大地,我要振翅飞回祖国故园,去耕耘,去奋斗!”谢希德心中的火,支撑着她不断前行的路,辛苦耕耘的结果,就是开出了中国半导体产业研究基础班底的花。1983年,谢希德履任复旦大学校长,成为中国第一位大学女校长,这是后话。
在黄昆、谢希德、夏培肃、高鼎三、吴锡九、林兰英、黄敞等爱国科学家的带领下,新中国的半导体产业蓬勃发展。
02、回望灯火意阑珊
1965年,中科院就研发出了65型接触式光刻机。1980年,清华大学推出自研的投影光刻机,达到了和美国光刻机一样的3微米精度。这个时候,中国的光刻技术走在世界前列,足够比肩欧美,领先韩国、荷兰5-15年。
1968年,胡伟武出生于浙江永康。这个由金华市代管的县级市,充满了低山丘陵,这也仿佛映照着胡伟武的人生,充满了起起伏伏。
1986年,胡伟武进入中国科学技术大学攻读计算机。1991年,本科毕业的他,获得直接免试读博的机会,师从著名计算机专家夏培肃院士。
中国半导体行业飞速发展的光辉阶段,震撼着胡伟武的少年时代。但七八十年代,情况急转直下,西方国家签订《瓦森纳协定》,对中国尖端科技全面封锁,用专利和诉讼,扼住了中国半导体的脖子。同时,“造不如买”的思想风潮席卷中国,大量进口产品将中国脆弱的尖端工业杀得片甲不留,当时生产光刻机的武汉三厂,都被迫改制变成食品厂。中国芯片研究直接断崖式掉队,一下子比欧美落后了十几年。
尽管大环境一片惨淡,但还是有一大批民族企业家深知,中国要有中国自己的技术,一大批中国芯片企业璀璨诞生。国家层面也意识到芯片在战略上的重要性,90年代初“908”、“909”项目启动。
1988年,上海贝岭微电子制造有限公司在上海漕河泾成立,组出了中国第一条4英寸生产线。
1992年,老人在南海边画了一个圈,南巡讲话发表,其中有一句话脍炙人口:“科学技术是第一生产力”。少有人知道,这句话正是在总设计师参观上海贝岭的时候所说。
目睹中国芯片跌宕发展的胡伟武,做出了一个艰难的决定,他要为将毕生精力,都献给“中国芯”。
2000年,中科院打算立项芯片项目,但由于过去的“汉芯换标”事件,芯片研发有一个“鉴定会就是追悼会”的魔咒,因此,中科院芯片项目迟迟不能上马。
这个时候,胡伟武站了出来,立下军令状:“做不出通用芯片,提头来见!”
北京的胡伟武在“风萧萧兮易水寒”的悲壮豪迈时,上海那边,张汝京带着400多位德州仪器和台湾世大工程师,举家搬迁,从台湾来到了上海。上海市时任市长徐匡迪亲自带着张汝京,在浦东张江的农田里,划出建设晶圆厂的地皮。
张汝京和谢希德就以一种这样的方式,在这个时空相逢。张汝京来到上海的这一年,谢希德去世。没能看到中国芯片的研发成功,是谢希德的遗憾。
张汝京祖籍河北,1949年随父亲南下台湾。21岁时以优异的成绩毕业于台湾大学后,赴美留学。毕业后进入美国德州仪器,为其在全球范围内开设10家芯片制造厂。有着丰富建厂经验的张汝京,短短一年时间,就筹得10亿元美金,当时举国之力的909工程,也不过12.5亿美金。
张汝京怀着芯片报国的拳拳之心来到上海,给公司起了一个响亮的名字——“中芯国际”。
日后,中芯国际一度成为全球三大晶圆代工厂之一。
胡伟武和张汝京,一面代表着中国科研院所“从实验室到市场”的努力,一面代表着民族企业家“从商品经济反向技术攻坚”的尝试。他们一起,成为中国芯片科技研发突破的缩影。
03、当封锁重现
胡伟武爱穿一件立领中山装,胸前常常佩戴着党章。他是毛主席的坚定粉丝,在龙芯,关于人才培养,有一项基本原则,就是要“又红又专”,先占领思想阵地。胡伟武的头等坚持,是“坚持为人民做龙芯的根本宗旨”。
从2000年龙芯项目启动,到2010年龙芯中科技术有限公司成立,这10年时间,龙芯一直都是以中科院下属的课题组的身份存在。迟迟没有公司化运营的原因,是因为项目组对芯片产业化信心不足。没有人知道,龙芯何时能走上产业化之路,几乎就连胡伟武自己也认为,当时做龙芯,一定会亏钱。
但龙芯的存在,代表着中国芯片研发的香火延续,只要龙芯在,中国芯片就有希望。
中芯国际成立后,在上海市政府的支持下,很快投产。早期的中芯,靠收购二手设备进行生产,同时,非常重视人才的张汝京,开始大规模从台积电和其他半导体产业挖人,新员工入职,张汝京都要亲自培训。
在张汝京的人脉运作下,美国国务院、商务部、国防部和能源部允许中芯国际突破《瓦森纳协议》的禁运规定,让中芯拿到了0.13微米的先进技术。
此后,张汝京一路高歌猛进,3年时间,6座工厂,5条生产线,成为全球第三大代工厂。
风暴也就此展开,上海的张汝京热火朝天,准备一举追上台积电。但台积电也时刻关注着中芯的动态,2003年,在台湾当局和美国的授意下,台积电在美国对中芯国际发起诉讼,声称中芯窃取台积电商业机密。
使用商业竞争的手段,已经不在能满足台湾当局的险恶,当局决定直接下场,要把中芯扼杀在摇篮里。从中芯国际成立的那年起,陈水扁就一连多次对张汝京进行罚款,2005年,干脆直接吊销了张汝京的台湾户口。
在台湾当局和台积电的联合绞杀下,2005年,中芯只能与台积电和解,赔偿台积电1.75亿美金,分6年偿还。2006年,中芯国际突破了45纳米技术,准备上市融资,台积电再度出手,加州法院带着政治因素,2009年判决中芯国际败诉,赔偿2亿美金,再加10%的股份。
当然,台积电还有一个额外的要求,就是:张汝京,出局。
几小时后,中芯国际发布公告,张汝京辞职,且三年内不得从事芯片产业。
04、太阳开始升起
2002年,龙芯1号研发成功,通过鉴定。发布会上,胡伟武坦诚,龙芯1号并不先进,但现在一张白纸,先做起来再说。龙芯要通过三级跳的战略,实现国产芯片的弯道超车,龙芯1号只是起点。
龙芯就是在这样密不透风的专利禁锢和技术封锁中,硬是生生深深扎根。
从在实验室研发成功,到走上产业化,龙芯走了整整10年。
其实对于国产芯片来说,研发不是第一道难关,量产制造才是更大的难题。在实验室里,精工细琢,制造出一枚芯片,只能代表理论物理的成功,如果不能实现大规模量产,国产芯片就毫无意义。
芯片量产有三个难点。第一是良品难,实验室环境是精心布置,各项指标非常严苛,但要放在工厂生产,自然不会有实验室的精巧环境,如果生产工艺跟不上,良品率就会极为惨淡;第二是专利难,尽管芯片是自主研发,但芯片上下游的产业链、芯片生产的机器,到处都是国外企业铜墙铁壁的专利战壕,要想完全绕开,难上加难;第三是生态难,光有芯片,没有相应配套的软件生态,对着一个没有软件的电脑,不会获得市场认可,做出来能用,才有人买。
做半导体,做芯片,硅是至关重要的上游。2014年,上海新成立了一家新昇半导体科技公司,用了两年多时间,制造出中国第一根300毫米单晶硅锭,两年后,实现规模化生产。
2018年,在澳柯玛的投资下,青岛芯恩成立,2021年,宣布8寸厂投片成功,良品率达到90%以上。
这两家公司的创始人,都叫张汝京。
2010年,为了解决龙芯产业化的问题,胡伟武带着中科院龙芯课题组,选择下海,脱离中科院,成立龙芯中科,开始公司化运营。
龙芯中科的班底,都是胡伟武的学生和研究员。这些科学家,都是最顶尖的人才,张戈中科大少年班毕业,18岁在中科院硕博连读,23岁博士毕业,25岁评副研究员,26岁跟随胡伟武辞职下海。还有五位在读博士,为了龙芯产业化,博士都不读了,直接下海。
2021年12月,龙芯在科创板递交招股书,科创板上市委公告:“公司无需要落实的审核意见,无条件过会。”
且让世界听龙吟。2021年,胡伟武在一刻talks的演讲中,不无骄傲的说:“我们已经完成了技术补课,龙芯最新的CPU跟市场主流的CPU比,性能很逼近了,用户体验可能比它还好一点。”
05、新生代枪出如龙
五亿年前,广袤大海,无边无际,一如满是机遇的蓝海。无数细胞蠢蠢欲动,生命孕育,大量无脊椎生物爆发,是为寒武纪。
寒武纪是显生宙的第一个纪。何为“显生宙”?沧海桑田,生物显现,是为“显生”。
随着技术的积累,2021年4月,龙芯的自主指令架构(Loongson Architecture)通过评估,正式对外发布,7月,正是发布基于龙芯架构的新一代纯国产PC处理器“龙芯3A5000”。从性能来看,龙芯3A5000已经接近英特尔i5的水平,过去,中国芯片的性能被远远甩在后面,现在已经能够望其项背了。
除了硬件,国产替代上,最关键的一环,是软件生态。在这颗芯上,已经有电子爱好者成功运行了《红色警戒3》《魔兽争霸3》《仙剑情缘》等多款游戏,国产CPU软件生态,仿佛见到曙光。这得益于胡伟武大力推动的二进制翻译技术,通过软硬件结合的虚拟机方式,将x86程序在龙芯上运行,这在早期软件生态补足上,意义重大。
但时至今日,也很难说龙芯就走在世界前列。龙芯带给中国的意义,更像是一把火种,将中国芯的信念,散放在祖国大地。
龙芯3号的主架构师陈云霁,2010年没有选择下海创建龙芯中科,选择了继续留在中科院从事基础研究。陈云霁没有加入龙芯中科,是因为他有了新的事业。
不得不说,在中国芯片这个行业,从城市的角度来看,上海是产业森林,从高校研究所的角度来看,中科院是人才的摇篮。
陈云霁1983年出生,14岁入读中科大少年班,19岁中科院计算所硕博连读,跟随胡伟武开始龙芯项目,并成为龙芯3号主架构师,24岁取得计算机博士学位。
在科研的道路上,大多数人都是独行者,但陈云霁并不孤独,因为他有弟弟的陪伴。25岁时,陈云霁和弟弟陈天石一起,开始人工智能深度神经网络芯片寒武纪芯片的研发。
和哥哥一样,陈天石也是一位天才少年,16岁就读中科大少年班,在中科院获得博士学位,并担任研究员。同哥哥不一样的是,哥哥陈云霁专注于芯片硬件研发,弟弟陈天石对人工智能算法颇有天赋。也正是这样的组合,让兄弟俩发现,人工智能同芯片的结合,有着巨大的前景。
彼时,人工智能的概念还没有现在这么火热。寒武纪成立后,决心致力于为人工智能算法提供硬件支持。陈云霁曾做过演示,没有搭载寒武纪的芯片进行人工智能图像识别,每秒只能识别一到两张图片,而嵌入寒武纪后,识别速度提升百倍。
2017年9月,华为在德国重磅发布了全球首款人工智能处理器——麒麟970,其背后的AI芯片搭载寒武纪的嵌入式IP,集成了寒武纪的NPU(寒武纪1A处理器)作为神经网络专用处理单元,成为了AI产业发展的一个里程碑。
提到寒武纪,其实是新生代中国芯片制造新思路的重要代表。这种新思路,就是“专用芯片”。通用芯片暂时做不到世界顶级水平,但各行各业有那么多丰富的需求,完全可以针对单个垂直领域,研发专门的芯片,帮助行业提质提效。
寒武纪聚焦于神经网络,致力于提升人工智能的运算水平;收购了展锐、合并了瑞迪科的紫光展锐,在5G芯片深耕已久,是世界上仅有的5家5G基带厂商之一;地平线把核心压在智能驾驶上,为客户提供车规级AI芯片;京东方创始人王东升二次创业,创办专注于物联网芯片的奕斯伟,一年完成20亿融资;恒玄科技主营TWS芯片,成功登陆科创板……
在新生代芯片企业的队伍中,中国芯片企业并不孤独。一大众中国芯片企业正在稳步前行。尽管过去有过荣光,也经历至暗,但无论怎么说,当下,是中国芯片“造芯者”们,最好的时代。
参考资料:
1、陈天石的求学创业之路:如何从“数学学渣”逆袭成为“AI大神”
2、陈云霁:24岁博士毕业,29岁晋升研究员,智能爆发时代为AI装上中国芯
3、在龙芯3A5000上运行Windows程序
4、中国芯片产业发展史
5、风雨四十年,记录中国半导体产业发展历程
6、芯恩在青岛做的事,对中国芯片产业有多重要?
7、对话胡伟武:和国产CPU一起突围的20年
8、胡伟武 | 誓把强国当己任,敢用青春铸忠魂,待到中华腾飞日,且让世界听龙吟
知识扩展:
芯片介绍
晶体管发明并大量生产之后,各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用,取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件,集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化集成电路代替了设计使用离散晶体管。
集成电路对于离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关,消耗更低能量,因为组件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm²,每mm²可以达到一百万个晶体管。
第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。
根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:
· 小型集成电路(SSI英文全名为Small Scale Integration)逻辑门10个以下或晶体管100个以下。
· 中型集成电路(MSI英文全名为Medium Scale Integration)逻辑门11~100个或 晶体管101~1k个。
· 大规模集成电路(LSI英文全名为Large Scale Integration)逻辑门101~1k个或 晶体管1,001~10k个。
· 超大规模集成电路(VLSI英文全名为Very large scale integration)逻辑门1,001~10k个或晶体管10,001~100k个。
· 极大规模集成电路(ULSI英文全名为Ultra Large Scale Integration)逻辑门10,001~1M个或晶体管100,001~10M个。
· GLSI(英文全名为Giga Scale Integration)逻辑门1,000,001个以上或晶体管10,000,001个以上。
芯片集成电路的发展
最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心,可以控制计算机到手机到数字微波炉的一切。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高,但是当分散到通常以百万计的产品上,每个集成电路的成本最小化。集成电路的性能很高,因为小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。
这些年来,集成电路持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能,见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每1.5年增加一倍。总之,随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了,单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC也存在问题,主要是泄漏电流。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图中有很好的描述。
仅仅在其开发后半个世纪,集成电路变得无处不在,计算机、手机和其他数字电器成为社会结构不可缺少的一部分。这是因为,现代计算、交流、制造和交通系统,包括互联网,全都依赖于集成电路的存在。甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。IC的成熟将会带来科技的大跃进,不论是在设计的技术上,或是半导体的工艺突破,两者都是息息相关。
芯片分类
集成电路的分类方法很多,依照电路属模拟或数字,可以分为:模拟集成电路、数字集成电路和混合信号集成电路(模拟和数字在一个芯片上)。
数字集成电路可以包含任何东西,在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门、触发器、多任务器和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比,有更高速度,更低功耗(参见低功耗设计)并降低了制造成本。这些数字IC,以微处理器、数字信号处理器和微控制器为代表,工作中使用二进制,处理1和0信号。
模拟集成电路有,例如传感器、电源控制电路和运放,处理模拟信号。完成放大、滤波、解调、混频的功能等。通过使用专家所设计、具有良好特性的模拟集成电路,减轻了电路设计师的重担,不需凡事再由基础的一个个晶体管处设计起。
集成电路可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上,以做出如模拟数字转换器和数字模拟转换器等器件。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本,但是对于信号冲突必须小心。
芯片制造
参见:半导体器件制造和集成电路设计
从20世纪30年代开始,元素周期表中的化学元素中的半导体被研究者如贝尔实验室的威廉·肖克利(William Shockley)认为是固态真空管的最可能的原料。从氧化铜到锗,再到硅,原料在20世纪40到50年代被系统的研究。尽管元素周期表的一些III-V价化合物如砷化镓应用于特殊用途如:发光二极管、激光、太阳能电池和最高速集成电路,单晶硅成为集成电路主流的基层。创造无缺陷晶体的方法用去了数十年的时间。
半导体集成电路工艺,包括以下步骤,并重复使用:
· 光刻
· 刻蚀
· 薄膜(化学气相沉积或物理气相沉积)
· 掺杂(热扩散或离子注入)
· 化学机械平坦化CMP
使用单晶硅晶圆(或III-V族,如砷化镓)用作基层,然后使用光刻、掺杂、CMP等技术制成MOSFET或BJT等组件,再利用薄膜和CMP技术制成导线,如此便完成芯片制作。因产品性能需求及成本考量,导线可分为铝工艺(以溅镀为主)和铜工艺(以电镀为主参见Damascene)。主要的工艺技术可以分为以下几大类:黄光微影、刻蚀、扩散、薄膜、平坦化制成、金属化制成。
IC由很多重叠的层组成,每层由视频技术定义,通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层(成为扩散层),一些定义哪里额外的离子灌输(灌输层),一些定义导体(多晶硅或金属层),一些定义传导层之间的连接(过孔或接触层)。所有的组件由这些层的特定组合构成。
· 在一个自排列(CMOS)过程中,所有门层(多晶硅或金属)穿过扩散层的地方形成晶体管。
· 电阻结构,电阻结构的长宽比,结合表面电阻系数,决定电阻。
· 电容结构,由于尺寸限制,在IC上只能产生很小的电容。
· 更为少见的电感结构,可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。
因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换,CMOS设备比双极型组件(如双极性晶体管)消耗的电流少很多。透过电路的设计,将多颗的晶体管管画在硅晶圆上,就可以画出不同作用的集成电路。
随机存取存储器是最常见类型的集成电路,所以密度最高的设备是存储器,但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂-几十年来芯片宽度一直减少-但集成电路的层依然比宽度薄很多。组件层的制作非常像照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光组件层,因为他们太大了。高频光子(通常是紫外线)被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小,对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说,电子显微镜是必要工具。
在使用自动测试设备(ATE)包装前,每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块,每个被称为晶片(“die”)。每个好的die被焊在“pads”上的铝线或金线,连接到封装内,pads通常在die的边上。封装之后,设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本 产品的制造成本的25%,但是对于低产出,大型和/或高成本的设备,可以忽略不计。
在2005年,一个制造厂(通常称为半导体工厂,常简称fab,指fabrication facility)建设费用要超过10亿美元,因为大部分操作是自动化的。
制造过程
芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节,其中晶片制作过程尤为的复杂。
首先是芯片设计,根据设计的需求,生成的“图样”
芯片的原料晶圆
晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄,生产的成本越低,但对工艺就要求的越高。
晶圆涂膜
晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,其材料为光阻的一种。
晶圆光刻显影、蚀刻
光刻工艺的基本流程如图1 所示。首先是在晶圆(或衬底)表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上,实现曝光,激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤,即所谓的曝光后烘烤,后烘烤使得光化学反应更充分。最后,把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上,对曝光图形显影。显影后,掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的,曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的,晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的,晶圆不直接暴露在周围环境中,以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响 。
图1:现代光刻工艺的基本流程和光刻后的检测步骤
该过程使用了对紫外光敏感的化学物质,即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂,使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了,而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。
掺加杂质
将晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。
具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式,使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层,但复杂的芯片通常有很多层,这时候将该流程不断的重复,不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似多层PCB板的制作原理。更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层,这时候通过重复光刻以及上面流程来实现,形成一个立体的结构。
晶圆测试
经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的,组织一次针测试模式是非常复杂的过程,这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低,这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。
封装
将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。
测试、包装
经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。
芯片型号
芯片命名方式一般都是:字母+数字+字母
前面的字母是芯片厂商或是某个芯片系列的缩写。像MC开始的多半是摩托罗拉的,MAX开始的多半是美信的。
中间的数字是功能型号。像MC7805和LM7805,从7805上可以看出它们的功能都是输出5V,只是厂家不一样。
后面的字母多半是封装信息,要看厂商提供的资料才能知道具体字母代表什么封装。
74系列是标准的TTL逻辑器件的通用名称,例如74LS00、74LS02等等,单从74来看看不出是什么公司的产品。不同公司会在74前面加前缀,例如SN74LS00等。
芯片相关拓展
一个完整的IC型号一般都至少必须包含以下四个部分:
前缀(首标)-----很多可以推测是哪家公司产品。
器件名称----一般可以推断产品的功能(memory可以得知其容量)。
温度等级-----区分商业级,工业级,军级等。一般情况下,C表示民用级,Ⅰ表示工业级,E表示扩展工业级,A表示航空级,M表示军品级。
封装----指出产品的封装和管脚数有些IC型号还会有其它内容:
速率----如memory,MCU,DSP,FPGA 等产品都有速率区别,如-5,-6之类数字表示。
工艺结构----如通用数字IC有COMS和TL两种,常用字母C,T来表示。
是否环保-----一般在型号的末尾会有一个字母来表示是否环保,如z,R,+等。
包装-----显示该物料是以何种包装运输的,如tube,T/R,rail,tray等。
版本号----显示该产品修改的次数,一般以M为第一版本。
芯片IC命名、封装常识与命名规则:
温度范围:
C=0℃至60℃(商业级);I=-20℃至85℃(工业级);E=-40℃至85℃(扩展工业级);A=-40℃至82℃(航空级);M=-55℃至125℃(军品级)
封装类型:
A—SSOP;B—CERQUAD;C-TO-200,TQFP﹔D—陶瓷铜顶;E—QSOP;F—陶瓷SOP;H—SBGAJ-陶瓷DIP;K—TO-3;L—LCC,M—MQFP;N——窄DIP﹔N—DIP;;Q—PLCC;R一窄陶瓷DIP (300mil);S—TO-52,T—TO5,TO-99,TO-100﹔U—TSSOP,uMAX,SOT;W—宽体小外型(300mil)﹔ X—SC-60(3P,5P,6P)﹔ Y―窄体铜顶;Z—TO-92,MQUAD;D—裸片;/PR-增强型塑封﹔/W-晶圆。
管脚数:
A—8;B—10﹔C—12,192;D—14;E—16;F——22,256;G—4;H—4;I—28 ;J—2;K—5,68;L—40;M—6,48;N—18;O—42;P—20﹔Q—2,100﹔R—3,843;S——4,80;T—6,160;U—60;V—8(圆形)﹔ W—10(圆形)﹔X—36;Y—8(圆形)﹔Z—10(圆形)。
注:接口类产品四个字母后缀的第一个字母是E,则表示该器件具备抗静电功能
芯片封装技术的发展
最早的集成电路使用陶瓷扁平封装,这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装,开始是陶瓷,之后是塑料。20世纪80年代,VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制,最后导致插针网格数组和芯片载体的出现。
表面贴着封装在20世纪80年代初期出现,该年代后期开始流行。它使用更细的脚间距,引脚形状为海鸥翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)为例,比相等的DIP面积少30-50%,厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出,引脚间距为0.05英寸。
Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)和PLCC封装。20世纪90年代,尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP和thin small-outline package(TSOP)成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理从PGA(PineGrid Array)封装转到了平面网格阵列封装(Land Grid Array,LGA)封装。
球栅数组封装封装从20世纪70年代开始出现,90年代开发了比其他封装有更多管脚数的覆晶球栅数组封装封装。在FCBGA封装中,晶片(die)被上下翻转(flipped)安装,通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列(称为I/O区域)分布在整个芯片的表面,而不是限制于芯片的外围。如今的市场,封装也已经是独立出来的一环,封装的技术也会影响到产品的质量及良率。
知识扩展:
芯片介绍
晶体管发明并大量生产之后,各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用,取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件,集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化集成电路代替了设计使用离散晶体管。
集成电路对于离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关,消耗更低能量,因为组件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm²,每mm²可以达到一百万个晶体管。
第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器。
根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:
· 小型集成电路(SSI英文全名为Small Scale Integration)逻辑门10个以下或晶体管100个以下。
· 中型集成电路(MSI英文全名为Medium Scale Integration)逻辑门11~100个或 晶体管101~1k个。
· 大规模集成电路(LSI英文全名为Large Scale Integration)逻辑门101~1k个或 晶体管1,001~10k个。
· 超大规模集成电路(VLSI英文全名为Very large scale integration)逻辑门1,001~10k个或晶体管10,001~100k个。
· 极大规模集成电路(ULSI英文全名为Ultra Large Scale Integration)逻辑门10,001~1M个或晶体管100,001~10M个。
· GLSI(英文全名为Giga Scale Integration)逻辑门1,000,001个以上或晶体管10,000,001个以上。
芯片集成电路的发展
最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心,可以控制计算机到手机到数字微波炉的一切。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高,但是当分散到通常以百万计的产品上,每个集成电路的成本最小化。集成电路的性能很高,因为小尺寸带来短路径,使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。
这些年来,集成电路持续向更小的外型尺寸发展,使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量,可以降低成本和增加功能,见摩尔定律,集成电路中的晶体管数量,每1.5年增加一倍。总之,随着外形尺寸缩小,几乎所有的指标改善了,单位成本和开关功率消耗下降,速度提高。但是,集成纳米级别设备的IC也存在问题,主要是泄漏电流。因此,对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显,制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步,在半导体国际技术路线图中有很好的描述。
仅仅在其开发后半个世纪,集成电路变得无处不在,计算机、手机和其他数字电器成为社会结构不可缺少的一部分。这是因为,现代计算、交流、制造和交通系统,包括互联网,全都依赖于集成电路的存在。甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。IC的成熟将会带来科技的大跃进,不论是在设计的技术上,或是半导体的工艺突破,两者都是息息相关。
芯片分类
集成电路的分类方法很多,依照电路属模拟或数字,可以分为:模拟集成电路、数字集成电路和混合信号集成电路(模拟和数字在一个芯片上)。
数字集成电路可以包含任何东西,在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门、触发器、多任务器和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比,有更高速度,更低功耗(参见低功耗设计)并降低了制造成本。这些数字IC,以微处理器、数字信号处理器和微控制器为代表,工作中使用二进制,处理1和0信号。
模拟集成电路有,例如传感器、电源控制电路和运放,处理模拟信号。完成放大、滤波、解调、混频的功能等。通过使用专家所设计、具有良好特性的模拟集成电路,减轻了电路设计师的重担,不需凡事再由基础的一个个晶体管处设计起。
集成电路可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上,以做出如模拟数字转换器和数字模拟转换器等器件。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本,但是对于信号冲突必须小心。
芯片制造
参见:半导体器件制造和集成电路设计
从20世纪30年代开始,元素周期表中的化学元素中的半导体被研究者如贝尔实验室的威廉·肖克利(William Shockley)认为是固态真空管的最可能的原料。从氧化铜到锗,再到硅,原料在20世纪40到50年代被系统的研究。尽管元素周期表的一些III-V价化合物如砷化镓应用于特殊用途如:发光二极管、激光、太阳能电池和最高速集成电路,单晶硅成为集成电路主流的基层。创造无缺陷晶体的方法用去了数十年的时间。
半导体集成电路工艺,包括以下步骤,并重复使用:
· 光刻
· 刻蚀
· 薄膜(化学气相沉积或物理气相沉积)
· 掺杂(热扩散或离子注入)
· 化学机械平坦化CMP
使用单晶硅晶圆(或III-V族,如砷化镓)用作基层,然后使用光刻、掺杂、CMP等技术制成MOSFET或BJT等组件,再利用薄膜和CMP技术制成导线,如此便完成芯片制作。因产品性能需求及成本考量,导线可分为铝工艺(以溅镀为主)和铜工艺(以电镀为主参见Damascene)。主要的工艺技术可以分为以下几大类:黄光微影、刻蚀、扩散、薄膜、平坦化制成、金属化制成。
IC由很多重叠的层组成,每层由视频技术定义,通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层(成为扩散层),一些定义哪里额外的离子灌输(灌输层),一些定义导体(多晶硅或金属层),一些定义传导层之间的连接(过孔或接触层)。所有的组件由这些层的特定组合构成。
· 在一个自排列(CMOS)过程中,所有门层(多晶硅或金属)穿过扩散层的地方形成晶体管。
· 电阻结构,电阻结构的长宽比,结合表面电阻系数,决定电阻。
· 电容结构,由于尺寸限制,在IC上只能产生很小的电容。
· 更为少见的电感结构,可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。
因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换,CMOS设备比双极型组件(如双极性晶体管)消耗的电流少很多。透过电路的设计,将多颗的晶体管管画在硅晶圆上,就可以画出不同作用的集成电路。
随机存取存储器是最常见类型的集成电路,所以密度最高的设备是存储器,但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂-几十年来芯片宽度一直减少-但集成电路的层依然比宽度薄很多。组件层的制作非常像照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光组件层,因为他们太大了。高频光子(通常是紫外线)被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小,对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说,电子显微镜是必要工具。
在使用自动测试设备(ATE)包装前,每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块,每个被称为晶片(“die”)。每个好的die被焊在“pads”上的铝线或金线,连接到封装内,pads通常在die的边上。封装之后,设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本 产品的制造成本的25%,但是对于低产出,大型和/或高成本的设备,可以忽略不计。
在2005年,一个制造厂(通常称为半导体工厂,常简称fab,指fabrication facility)建设费用要超过10亿美元,因为大部分操作是自动化的。
制造过程
芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节,其中晶片制作过程尤为的复杂。
首先是芯片设计,根据设计的需求,生成的“图样”
芯片的原料晶圆
晶圆的成分是硅,硅是由石英沙所精练出来的,晶圆便是硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成硅晶棒,成为制造集成电路的石英半导体的材料,将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄,生产的成本越低,但对工艺就要求的越高。
晶圆涂膜
晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力,其材料为光阻的一种。
晶圆光刻显影、蚀刻
光刻工艺的基本流程如图1 所示。首先是在晶圆(或衬底)表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上,实现曝光,激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤,即所谓的曝光后烘烤,后烘烤使得光化学反应更充分。最后,把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上,对曝光图形显影。显影后,掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的,曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的,晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的,晶圆不直接暴露在周围环境中,以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响 。
图1:现代光刻工艺的基本流程和光刻后的检测步骤
该过程使用了对紫外光敏感的化学物质,即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂,使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了,而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。
掺加杂质
将晶圆中植入离子,生成相应的P、N类半导体。
具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始,放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式,使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层,但复杂的芯片通常有很多层,这时候将该流程不断的重复,不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似多层PCB板的制作原理。更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层,这时候通过重复光刻以及上面流程来实现,形成一个立体的结构。
晶圆测试
经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的,组织一次针测试模式是非常复杂的过程,这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低,这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。
封装
将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。
测试、包装
经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。
芯片型号
芯片命名方式一般都是:字母+数字+字母
前面的字母是芯片厂商或是某个芯片系列的缩写。像MC开始的多半是摩托罗拉的,MAX开始的多半是美信的。
中间的数字是功能型号。像MC7805和LM7805,从7805上可以看出它们的功能都是输出5V,只是厂家不一样。
后面的字母多半是封装信息,要看厂商提供的资料才能知道具体字母代表什么封装。
74系列是标准的TTL逻辑器件的通用名称,例如74LS00、74LS02等等,单从74来看看不出是什么公司的产品。不同公司会在74前面加前缀,例如SN74LS00等。
芯片相关拓展
一个完整的IC型号一般都至少必须包含以下四个部分:
前缀(首标)-----很多可以推测是哪家公司产品。
器件名称----一般可以推断产品的功能(memory可以得知其容量)。
温度等级-----区分商业级,工业级,军级等。一般情况下,C表示民用级,Ⅰ表示工业级,E表示扩展工业级,A表示航空级,M表示军品级。
封装----指出产品的封装和管脚数有些IC型号还会有其它内容:
速率----如memory,MCU,DSP,FPGA 等产品都有速率区别,如-5,-6之类数字表示。
工艺结构----如通用数字IC有COMS和TL两种,常用字母C,T来表示。
是否环保-----一般在型号的末尾会有一个字母来表示是否环保,如z,R,+等。
包装-----显示该物料是以何种包装运输的,如tube,T/R,rail,tray等。
版本号----显示该产品修改的次数,一般以M为第一版本。
芯片IC命名、封装常识与命名规则:
温度范围:
C=0℃至60℃(商业级);I=-20℃至85℃(工业级);E=-40℃至85℃(扩展工业级);A=-40℃至82℃(航空级);M=-55℃至125℃(军品级)
封装类型:
A—SSOP;B—CERQUAD;C-TO-200,TQFP﹔D—陶瓷铜顶;E—QSOP;F—陶瓷SOP;H—SBGAJ-陶瓷DIP;K—TO-3;L—LCC,M—MQFP;N——窄DIP﹔N—DIP;;Q—PLCC;R一窄陶瓷DIP (300mil);S—TO-52,T—TO5,TO-99,TO-100﹔U—TSSOP,uMAX,SOT;W—宽体小外型(300mil)﹔ X—SC-60(3P,5P,6P)﹔ Y―窄体铜顶;Z—TO-92,MQUAD;D—裸片;/PR-增强型塑封﹔/W-晶圆。
管脚数:
A—8;B—10﹔C—12,192;D—14;E—16;F——22,256;G—4;H—4;I—28 ;J—2;K—5,68;L—40;M—6,48;N—18;O—42;P—20﹔Q—2,100﹔R—3,843;S——4,80;T—6,160;U—60;V—8(圆形)﹔ W—10(圆形)﹔X—36;Y—8(圆形)﹔Z—10(圆形)。
注:接口类产品四个字母后缀的第一个字母是E,则表示该器件具备抗静电功能
芯片封装技术的发展
最早的集成电路使用陶瓷扁平封装,这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装,开始是陶瓷,之后是塑料。20世纪80年代,VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制,最后导致插针网格数组和芯片载体的出现。
表面贴着封装在20世纪80年代初期出现,该年代后期开始流行。它使用更细的脚间距,引脚形状为海鸥翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)为例,比相等的DIP面积少30-50%,厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出,引脚间距为0.05英寸。
Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)和PLCC封装。20世纪90年代,尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP和thin small-outline package(TSOP)成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理从PGA(PineGrid Array)封装转到了平面网格阵列封装(Land Grid Array,LGA)封装。
球栅数组封装封装从20世纪70年代开始出现,90年代开发了比其他封装有更多管脚数的覆晶球栅数组封装封装。在FCBGA封装中,晶片(die)被上下翻转(flipped)安装,通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列(称为I/O区域)分布在整个芯片的表面,而不是限制于芯片的外围。如今的市场,封装也已经是独立出来的一环,封装的技术也会影响到产品的质量及良率。
台湾积体电路制造股份有限公司,中文简称:台积电,英文简称:tsmc,属于半导体制造公司。成立于1987年,是全球第一家专业积体电路制造服务(晶圆代工foundry)企业,总部与主要工厂位于中国台湾的新竹市科学园区。
2017年,领域占有率56%。2018年一季度,合并营收85亿美元,同比增长6%,净利润30亿美元,同比增长2.5%,毛利率为50.3%,净利率为36.2%,其中10纳米晶圆出货量占据了总晶圆营收的19%。截止2018年4月19日,美股TSM,市值2174亿美元,静态市盈率19。 [1-3]
2018年8月3日晚,台积电传出电脑系统遭到电脑病毒攻击,造成竹科晶圆12厂、中科晶圆15厂、南科晶圆14厂等主要厂区的机台停线等消息。台积电证实,系遭到病毒攻击,但并非外传遭黑客攻击。 [4] 8月4日,台积电向外界通报已找到解决方案。
2020年7月16日,在台积电二季度业绩说明会上,发言人在会上透露,未计划在9月14日之后为华为技术有限公司继续供货。而美国政府5月15日宣布的对华为限制新规于9月15日生效。2020年7月13日,台媒钜亨网曾报道,台积电已向美国政府递交意见书,希望能在华为禁令120天宽限期满之后,可继续为华为供货。 [5]
2020年8月26日,台积电(南京)有限公司总经理罗镇球在2020世界半导体大会上表示,台积电的5纳米产品已经进入批量生产阶段,3纳米产品在2021年面世,并于2022年进入大批量生产。 [6]
扩展知识:台积电简介
台湾积体电路制造股份有限公司,中文简称:台积电,英文简称:tsmc,属于半导体制造公司。成立于1987年,是全球第一家专业积体电路制造服务(晶圆代工foundry)企业,总部与主要工厂位于中国台湾的新竹市科学园区。
2017年,领域占有率56%。2018年一季度,合并营收85亿美元,同比增长6%,净利润30亿美元,同比增长2.5%,毛利率为50.3%,净利率为36.2%,其中10纳米晶圆出货量占据了总晶圆营收的19%。截止2018年4月19日,美股TSM,市值2174亿美元,静态市盈率19。
2018年8月3日晚,台积电传出电脑系统遭到电脑病毒攻击,造成竹科晶圆12厂、中科晶圆15厂、南科晶圆14厂等主要厂区的机台停线等消息。台积电证实,系遭到病毒攻击,但并非外传遭黑客攻击。8月4日,台积电向外界通报已找到解决方案。
2020年7月16日,在台积电二季度业绩说明会上,发言人在会上透露,未计划在9月14日之后为华为技术有限公司继续供货。而美国政府5月15日宣布的对华为限制新规于9月15日生效。2020年7月13日,台媒钜亨网曾报道,台积电已向美国政府递交意见书,希望能在华为禁令120天宽限期满之后,可继续为华为供货。
2020年8月26日,台积电(南京)有限公司总经理罗镇球在2020世界半导体大会上表示,台积电的5纳米产品已经进入批量生产阶段,3纳米产品在2021年面世,并于2022年进入大批量生产。
发展历史
1987年,张忠谋创立台积电,几乎没有人看好。但张忠谋发现的,是一个巨大的商机。在当时,全世界半导体企业都是一样的商业模式。Intel,三星等巨头自己设计芯片,在自有的晶圆厂生产,并且自己完成芯片测试与封装——全能而且无可匹敌。而张忠谋开创了晶圆代工(foundry)模式,“我的公司不生产自己的产品,只为半导体设计公司制造产品。”这在当时是一件不可想象的事情,因为那时还没有独立的半导体设计公司。
截至2017年3月20日,台积电市值超Intel成全球第一半导体企业。
2018年6月5日,董事长张忠谋宣告正式退休。
2018年7月19日,全球同步《财富》世界500强排行榜发布,台湾积体电路制造股份有限公司排名368位。
2018年12月,世界品牌实验室发布《2018世界品牌500强》榜单,台积电排名第499。 2019年,台积电Q1季度营收71亿美元,同比下滑了16%。整体行业排名第三名。
2019年7月,日本宣布限制三种半导体材料,台积电未雨绸缪,也开始排查供应链风险,成立了由晶圆厂、资产管理、风险管理及质量管理等单位组成的小组,首先协助台积电的供应商就潜在的风险制定运营可持续计划,提升供应链的抗风险能力。
2019年10月,在福布斯全球数字经济100强榜排第19位。
2021年上半年,台积电宣布在此后三年内投资1000亿美元提高芯片产能,应对市场对新工艺日益增长的需求。10月,台积电竹南厂正进入试机阶段。
股份构成
荷兰飞利浦公司持股14%,中国台湾当局“行政院”持股12%。
台积电
2002年,由于全球的业务量增加,台积公司是第一家进入半导体产业前十名的晶圆代工公司,其排名为第九名。台积公司预期在未来的数年内,这个趋势会持续的攀升。
除了致力于本业,台积公司亦不忘企业公民的社会责任,常积极参与社会服务,并透过公司治理,致力维护与投资人的关系。台积公司立基台湾,客户服务与业务代表的据点包括上海、新竹、日本横滨、荷兰阿姆斯特丹、美国加州的圣荷西及橘郡、德州奥斯汀,以及波士顿等地。台积公司股票在中国台湾证券交易所挂牌上市。其股票凭证同时也在美国纽约证券交易所挂牌上市,以TSM为代号。
2010年中,台积公司为全球四百多个客户提供服务,生产超过七千多种的芯片,被广泛地运用在计算机产品、通讯产品与消费类电子产品等多样应用领域。2011年,台积公司所拥有及管理的产能预计达到1360万片八吋约当晶圆。
台积公司2010年全年营收为新台币4195.4亿元,再次缔造新高纪录。台积公司的全球总部位于中国台湾新竹市科学园区,在北美、欧洲、日本、中国大陆、韩国、印度等地均设有子公司或办事处,提供全球客户实时的业务和技术服务。
社会责任
台积电2014年9月27日在高雄市三信家商举办餐会,并邀请参与气爆重建项目的4家协力厂、20家参与企业以及接受公司修缮民宅的462位居民参加,台积电志工社社长张淑芬说:“从气爆当时的不舍、感伤与震撼,在经过协助灾区重建过程,今天则是感触良多、内心充满感谢。”
张淑芬中午到灾区施工现场关心工程进度,沿途受到灾区住民的欢迎及感谢。在餐会上,张淑芬对来参加餐会的居民说,气爆后台积电到现场勘察后,决定要造桥铺路建议第2天就获台积电主管通过,董事长张忠谋也说经费无上限,尽力去做,有长官支持就没有障碍。同时,在台积电成立救灾平台后陆续有很多企业加入,因此她强调,荣誉是属于大家的不是台积电。
台积电在第1天决定要协助灾区后,第2天马上与高雄市政府连络,第3天大型机器就开进现场施工,第4天就开工了。台积电自2014年8月5日进驻高雄气爆现场,在公司与协力厂商快速且合作之下,已为当地完成道路钢板桩施作570公尺,临时道路铺设4576公尺,搭建临时便桥5座。此次重建经费预计8000万元,其中台积电出资4000万元,包括台积电内部的i公益平台出资1500万元、鸿海集出资1000万元以及SEMI会员和其他企业出资3000万元。
行业竞争
被英特尔挑战
据国外媒体报道,像硅谷大多数芯片专业设计公司一样,Altera一直坚持一个可信的方案:在国内设计芯片,在亚洲生产芯片。对这家位于圣何塞(加州)销售电话设备芯片的公司来说,这就意味着要将芯片生产外包给台积电,其尖端芯片制造工厂可为客户节省资金,因为如果客户要自己建造同样的工厂至少需要投入40亿美元。
芯片代工行业规模每年达到393亿美元,台积电是其中领先的公司,每销售一部智能手机其可获得7美元。但2013年2月下旬,Altera宣布将其先进芯片订单给了英特尔,传统上英特尔只专注自己生产微处理器而不是为其他公司代工。随着PC销售低迷,这家全球最大的芯片制造商为其过剩的产能寻找新的出路。英特尔代工业务副总裁苏尼特·里克希(Sunit Rikhi)表示,赢得Altera的业务“极大地提高了我们团队的信心”。
英特尔还与小的设计公司如Tabula和Achronix半导体签署合同。2位未被授权公开披露的消息人士称,英特尔为思科系统生产芯片。这些胜利只是英特尔为与台积电和其他代工厂争夺更大的客户——苹果,所做的热身。中国香港汇丰银行的分析师史蒂文·佩拉约(Steven Pelayo)称,IC Insights的数据显示,这家iPhone制造商从三星电子购买了39亿美元定制芯片,苹果希望扩大芯片采购来源,避免让其竞争对手变得更强。
佩拉约称,台积电有着先到优势,因为其在采用苹果需要的先进技术生产芯片上是领先者,尤其是移动芯片。他估计年底台积电获得约三分之一的苹果芯片订单,1年后可获得50%的订单。在尺寸减少1半的下一代芯片上,英特尔会有更大的机会。至于全球第三大代工商和最大的智能手机制造商三星,已经在努力扩大客户,以防苹果订单的减少。佩拉约称,其手机业务(使其成为最大的零部件采购商),在获得芯片制造商的订单上起到作用,“这有点像你给我好处,我也不会亏待你”。
随着芯片制造商之间的竞争加剧,尚不清楚英特尔能获得多少新客户。很多更大些的芯片设计公司不与台积电竞争,但与英特尔争夺设计合同,这限制了这家位于圣克拉拉(加州)芯片制造商的空间。Ji Asia分析师史蒂夫·迈尔斯(Steve Myers)表示:“我预计英伟达或高通或博通可能会寻找与英特尔合作的机会,但台积电客户群很大一部分不一定会对英特尔感兴趣”。
英特尔潜在的客户也需要这家美国芯片制造商保证长期致力于代工业务。台积电长期以来一直为外包客户服务,但英特尔没有。Bloomberg Industries分析师阿南德·斯里尼瓦桑(AnandSrinivasan)称,当谈到超越其核心芯片市场时,英特尔已“试过多次,而且可以肯定没有成功”。过去10年该公司投入了数十亿美元开发手机芯片,但截至2012年底,占不到1%的市场。
英特尔的里克希承认,要赢得大多数代工客户依然有很长的路。Altera的合同“只是一张纸上的签名。我们需要将其转变为领先的芯片”。
荣誉评鉴
2006 获中国台湾经济事务主管部门产业科技发展奖之卓越创新成就奖。 连续十年获选为天下杂志之最佳声望标杆企业。
2005 全球科技100强第68名(美国商业周刊)。 全球500大139名(伦敦金融时报)。 亚洲最佳公司,管理最佳公司第一名、最佳公司治理第一名、最佳投资人关系第一名。
2004 张董事长获选为亚洲25位最具影响力的企业家之一( Fortune Magazine )。TSMC获得台湾最佳公司治理奖 ( Asia money )。
2003 名列“2003亚洲最佳雇主”TOP20,为排行榜上唯一的集成电路制造商,同时也是唯一连续两年荣登“台湾最佳雇主”的企业 (Finance Asia )
2002 名列美国福布斯(Forbes)杂志全世界A榜四百大公司之一,并特别指出TSMC为亚洲公司中公司管理罕见得分很高的公司之一。张忠谋董事长连续三年获选台湾天下杂志最佳企业CEO,被推崇为“现代高科技企业的典范”。 荣获国际电机电子工程师学会(IEEE)颁发2002年企业创新奖。
2001 连续六年荣获亚洲货币杂志(Asia Money)台湾最佳管理企业第一名、最佳法人关系第一名、最佳企业策略、最佳公司治理。
2000 名列美国商业周刊(Business Week)全球一百大最佳科技公司排行第五名,2000年全球二百大新兴市场企业排行第二名。 台湾Career杂志调查出台积电为“大学生最爱的100家民营企业”,台积电已连续5年夺得台湾天下杂志标竿企业第一名殊荣。
龙芯.国产CPU,于2002年09月29日研制成功。由中国科学院计算技术所授权的北京神州龙芯集成电路设计公司研发,前期批量样品由台积电生产。
2018年
2018年12月,世界品牌实验室发布《2018世界品牌500强》榜单,台积电排名第499。
2019年
2019年7月,《财富》世界500强排行榜发布,台湾积体电路制造股份有限公司位列363位。
2019年7月22日,台积公司以12043.9(百万美元)的利润,荣获2019年世界500强最赚钱的50家公司第39名。
2019年8月,美国知识产权所有者协会(IPO)公布了2018年美国实用新型专利授予机构的300强名单,台积电名列第8。
2020年
2020年1月,2020年全球最具价值500大品牌榜发布,台积电排名第218位。
2020年5月10日,“2020中国品牌500强”排行榜发布,台积电排名第80位。
2020年5月13日,台积电名列2020福布斯全球企业2000强榜第108位。
2020年8月10日,台积公司(TAIWAN SEMICONDUCTORMANUFACTURING)名列2020年《财富》世界500强排行榜第362位。
2021年
2021年5月,台积电位列“2021福布斯全球企业2000强”第66位。
相关报道
台积电30亿美元在南京建厂
台积电日前宣布与南京市政府签订投资协议书,斥资30亿美元在南京市成立百分之百控股的台积电(南京)有限公司,下设一座12吋晶圆厂以及一个设计服务中心。
台积电在南京建立的12吋晶圆厂位于浦口经济开发区,规划月产能为2万片12吋晶圆,预计于2018年下半年开始生产16纳米制程。台积电已于去年开始量产16纳米制程,目前占有全球14/16纳米晶圆一半以上的市场,预计今年在16纳米制程市场的占有率还会大幅增加。
目前台积电在大陆拥有超过100个以上的客户。台积电董事长张忠谋表示,近年来大陆半导体市场成长迅速,台积电在南京市设立12吋晶圆厂与设计服务中心就是为了就近协助客户并进一步增加商机。
业内分析人士认为,全球半导体行业去库存已经在今年第一季度接近尾声,预计第二季度景气度开始升温,而台积电的营运指标在半导体行业继续处于领先位置,预估台积电今年运营收入增长5%至10%,好于整体半导体产业2%的增长。
台积电抢下苹果A10全部代工
iPhone 6S A9处理器上闹出的代工门事件,让苹果很是无语,对于接下来的A10,他们一定杜绝同样的事情发生,那就全部交给台积电了?
中国台湾媒体称,苹果悄悄与台积电达成共识,即用于iPhone7上的A10处理器全部由后者来代工,依然是基于16nm工艺制程。
2018年8月3日晚,台积电传出电脑系统遭到电脑病毒攻击,造成竹科晶圆12厂、中科晶圆15厂、南科晶圆14厂等主要厂区的机台停线等消息。台积电证实,系遭到病毒攻击,但并非外传遭黑客攻击。8月4日下午,台积电向外界通报了具体经过。该公司称,“台积公司于8月3日傍晚部分机台受到病毒感染,非如外传之遭受骇客攻击,台积公司已经控制此病毒感染范围,同时找到解决方案,受影响机台正逐步恢复生产。受病毒感染的程度因工厂而异,部分工厂在短时间内已恢复正常,其余工厂预计在一天内恢复正常。”
2019年8月13日,中国台湾地区半导体制造商台积电(TSM.US)今日公布了7月营收报告。报告显示,台积电2019年7月合并营收约为新台币847亿5,800万元(约合人民币191亿元),较上月减少了1.3%,较去年同期增加了14.0%。累计2019年1至7月营收约为新台币5,444亿6,100万元,较去年同期减少了2.0%。
2019年10月9日,台积电(TSM.US)公布了其9月份营业收入报告,数据显示,台积电2019年9月的营收约为1021.7亿新台币,环比下降3.7%,同比增长7.6%。2019年1月至9月的总收入为7527.5亿新台币,同比增长1.5%。
2019年12月10日,据最新文件披露,台积电(TSM.US)今年11月营收为新台币1078.84亿元(约合人民币249亿元),同比增长9.7%,环比增长1.7%。数据显示,台积电今年1至11月累计营收约为新台币9666.7亿元,同比增长2.7%。
5纳米产品已进入批量生产
2020年8月26日,台积电(南京)有限公司总经理罗镇球在2020世界半导体大会上表示,台积电的5纳米产品已经进入批量生产阶段,3纳米产品在2021年面世,并于2022年进入大批量生产。
罗镇球介绍,台积电的7纳米产品目前进入了第三年的量产期,有140个以上的产品做批量生产,预计2020年底超过200个。除7纳米产品外,台积电还做了N7+,即7纳米产品的强小化,包括6纳米产品。
罗镇球表示,台积电的3纳米产品、2纳米产品、1纳米产品的研发都没有什么太大问题。其中,3纳米产品在性能上可以再提升10%-15%,功耗上可以再降低25%-30%。
2021年5月,台积电官宣两个消息:第一个消息,芯片制造技术已经全球领先的台积电,其正式宣布加入美国半导体联盟;第二个消息,台积电在1nm芯片方面取得重大进展。IBM公布了2nm技术路线,让人倍感振奋。虽然摩尔定律速度放缓,但硅晶片微缩的前景依然广阔。
企业事件
2020年3月18日,台积电在当天发布消息称,该公司一名员工被确诊感染了新冠病毒,目前这名员工已经住院治疗,30名接触者也开始进行14天居家隔离。
台积电强调员工被确诊新冠一事“不会影响公司营运”,并表示扩大办公区消毒范围,针对员工工作场所和公共区域进行加强消毒。此外,台积电还决定启动“分组办公”营运模式,并要求台湾地区员工在参加会议、训练或身处公共区域期间一律全程佩戴口罩。
2020年7月16日,在台积电二季度业绩说明会上,其透露,未计划在9月14日之后为华为技术有限公司继续供货。2020年7月13日,台媒钜亨网曾报道,台积电已向美国政府递交意见书,希望能在华为禁令120天宽限期满之后,可继续为华为供货。
2020年12月,前台积电营运长蒋尚义已正式加入中芯国际,日前台积电也正面回应了此事。台积电董事长刘德音表示:“对蒋尚义的选择表示尊重”。“基本上尚义也是我们的老同事了,尊重他个人的决定、他要去哪里是个人本来的权利。”
英特尔介绍:
产业创新,与中国同行远行
英特尔一路走来,是探索者、参与者和贡献者,价值不断深化。
l 第一阶段,扶持中国PC产业的形成和崛起,培养了本地ODM产业链。
l 第二阶段,应用先进技术,全方位推动中国互联网以及云计算应用落地。比如,投资中国第一批互联网公司;支持全球领先的电子商务平台和搜索引擎的发展。
l 现在,中国企业具备了引领全球的实力,英特尔致力于做可信赖的性能领导者,释放数据无限潜能,在中国客户的成功中发挥更大作用。
英特尔35年与中国共同发展,产业协作和产业贡献得到认可,这也是英特尔成为可信和长远伙伴的根基。英特尔构建了全面的产业协同创新、拉动发展的模式,为产业链的建设输出全面的生态价值。
l 在推动创新方面,主要包括前瞻洞察、研究开发、行业标准、知识产权、参考设计、方案蓝图、人才教育、技术贡献等。
l 在拉动发展方面,主要包括供应链带动、产业对接、产学研合作、风险投资、孵化加速、品牌效应、示范效应等。
英特尔基于履责、包容、可持续、赋能的“RISE”战略和2030目标,在中国积极履行企业社会责任——将环境可持续作为长期承诺,制定了企业整体环境目标,持续投资节能减排;将员工视为宝贵财富和创新资源,建设多元化和包容性文化;鼓励并支持员工积极参与志愿服务,释放社会价值。
人才培养,与中国同行远行
过去、现在和未来,英特尔一直致力于建立人才培养的生态系统。
l 培养创新人才。英特尔连续24年被教育部认可为最佳合作伙伴,通过与教育界合作,大力推动创新人才培养,把基础工作做好,前后共培训270万名教师,支持100多万青少年参加各种竞赛、提升科学素养。
l 培养产业人才。英特尔大力推动产学研合作,通过大学合作和各类大赛,为ICT产业培养人才后备军。比如:英特尔中国与100余所大学合作,每年均有10余万大学生受益;2018年,共有12,000多名学生直接参与英特尔举办的各类创新大赛。
l 培养前沿人才。英特尔瞄准AI等前沿人才缺口做出努力,培养能引领创新的人才。比如:英特尔AI百佳创新激励计划将分期选拔100+优秀AI创新团队,为其提供技术辅导、开发费用补贴、市场推广、生态对接等全方位支持;英特尔携手合作伙伴,三年将培训一万名FPGA开发人员。
精尖制造,与中国同行远行
英特尔在中国的制造布局,与国家发展议程深度契合:一路支持了浦东开发、西部大开发、振兴东北等战略;英特尔的龙头作用吸引上下游企业纷纷落地,形成当地的产业集群效应,带动区域经济的发展。特别是在抗“疫”过程中,英特尔工厂保持正常运转,对稳定相关产业链起到积极作用。
英特尔大连工厂和成都工厂,在技术领先性和英特尔全球制造网络中的地位显著提升,从制造体系的重要一环,达到精尖制造的顶级水平。
l 英特尔最顶尖的“高端测试技术”水平。英特尔成都工厂于2003年宣布建立,并在2005年建成投产,是英特尔全球最大的芯片封装测试中心之一和英特尔全球三大晶圆预处理工厂之一。2014年12月,英特尔宣布在未来15年内投资16亿美元,对成都工厂的晶圆预处理、封装及测试业务进行全面升级,并首次把高端测试技术引入中国,成为美国境外重要的高端测试技术工厂之一。
l 英特尔存储制造的最高水平。英特尔2007年宣布投资25亿美元建设大连工厂,2010年正式投产,是英特尔在亚洲的第一家晶圆制造厂。2015年10月,英特尔宣布投资55亿美元,将大连工厂转产为“非易失性存储器”制造。目前,英特尔的96层3D NAND存储芯片制造技术正在大连工厂应用,并将在2020年向合作伙伴提供采用144层堆叠的3D NAND产品。
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