能不能造出又好又便宜的芯片?这是国投集团中国电子工程设计院股份有限公司(以下简称中国电子院首席技术官杨光明长期攻坚的问题。
芯片被称作“数字世界的心脏”,一台普通饮水机内就藏有一颗芯片,一部手机内有几十颗芯片,一辆新能源汽车需要1500-3000颗芯片……能源革命、智能制造等科技创新都离不开芯片的支撑。但芯片,也是我国进口排名第一的商品。
杨光明深耕行业数十年,在他看来,芯片的“卡脖子”,主要体现在消费领域市场竞争力的不足,关键要解决从实验室推向大规模量产中的问题,打通产业化的“最后一公里”。
中国电子院首席技术官杨光明介绍如何推动半导体产业化“最后一公里”。受访者供图
“一颗指甲盖大的芯片,集成了300亿颗晶体管,里面的导线公里。”杨光明说,这种加工精度,难度可想而知。
生产芯片的半导体生产厂,是一套复杂而庞大的精密制造系统。自动化程度高、工业设备昂贵,投资巨大,对环境要求极其严苛,需要超高精度的洁净室、不含任何金属离子和杂质的超纯水、恒温恒湿的生产条件,工艺设备的高精密性也对微振动环境控制要求极为严格。
杨光明以他们曾参与的一条半导体生产线多个足球场大。每年耗费约18亿度电,接近一个200万人口的城市每年居民的耗电量。半导体生产需经多道清洗,每年耗水约1500万立方米,相当于一个西湖的水量,天行体育app“这还是我们想了各种措施,让一滴水在工厂里循环使用三次后的结果”。
“节省10%或者浪费10%,关乎企业的市场竞争力,很可能决定了这家企业是盈利还是亏损。”杨光明介绍,他们为生产线进行全方位规划并不断优化,持续降低企业的制造成本,寻求最优解。
中国电子院振动技术研究中心负责人金春峰介绍,半导体产业中的芯片制造核心工艺就是光刻,如果光刻时受到轻微振动干扰,造成偏离,整个芯片都将毁于一旦。
随着精密设备对微振动控制要求不断提高,传统的被动防微振模式已无法满足精度需求,主动控制隔振成为必要手段。
金春峰说,此前这项技术一直被国外垄断,国际上能够实现的最低振动速度大约是0.1um/s。中国电子院经过多年技术积累,研制出了中国第一套大型主动控制隔振装置,能够实现在1-100HZ频段内0.05um/s的振动速度,一举打破国外垄断,达到了世界领先水平,为解决“卡脖子”问题奠定了技术基础。
半导体芯片生产和加工要在洁净室中进行,需要去除灰尘颗粒,要捕捉比头发丝直径还要小100倍的灰尘。中国电子院在洁净技术领域已有数十年积累,不仅能对洁净环境要求高的部分进行精准控制,还能降低洁净室的建设投资,此外,自主研发的平板式化学过滤器和化学过滤机组,是国内首台商用的化学过滤设备,处理效率达到98%,填补了国内技术空白。
该院洁净技术专家阎冬表示,除了对项目前期的精准设计和建设,在项目运行期间,还可提供智能诊断服务的全周期服务保障,进一步提升良品率。
中国电子院数字化技术中心员工白帆记得,4年前的一天,一部原本下单就能提货的最新款国产手机,由于美国政府升级制裁措施,一下子就陷入有价、有市、却没货的境况,那是他原本打算送给父亲七十大寿的生日礼物。
作为一名普通消费者,白帆第一次真切感受到西方技术封锁对生活造成的影响。而作为半导体领域的科研工作者,国家高端芯片受人掣肘的现状使他感到紧迫。
看似小小的芯片,生产制造极为复杂。如果能在工厂建设之前,就能通过模型呈现工厂建成后的真实生产状况,就能避免不必要弯路,极大提升生产效率。
他想出一份力。白帆所在的数字化技术中心就承担着这一工作——以数字化形式模拟真实工厂的生产,以此加快半导体工厂建设速度、优化产线布局、节约投资。彼时,这支由40名成员构成、人均不到34岁的年轻团队争分夺秒地投入技术攻坚。
现在,他们的科研成果已应用于具体项目中,为半导体企业提供更加先进的工程设计方案。
最新的数字孪生工厂解决方案,解决了工艺源头与厂务系统断点难题。中国电子院总经理夏连鲲介绍,实践后经测算,工厂运行效率提升5%以上,系统优化8%以上,降低投资12%以上,局部环节优化后可年运行成本降低近千万元。
“国家需要什么,我们就往哪里攻坚。”中国电子院的老一辈科学家还记得,当时他们的科研课题都是根据国家的重大需求来定的。中国电子院诞生于国家“一五”计划期间,那时,中国工业基础薄弱,有些甚至是空白。作为中国电子工业工程技术的开创者,筚路蓝缕,拿下电子工业领域的多项“第一”,让硬核电子工业成为国家的底气。
从最初几十人的设计团队,到如今6000多人,集设计、科研为一体的队伍,工程师精神激励着一代代青年科技工作者接力,服务国家科技创新。如今,芯片产业的“最后一公里”不断优化畅通。杨光明说,实现芯片自主可控任重道远,但他怀有强烈的信心,相信未来几年内将迎来更大的突破。
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