芯片里面有几千万的晶体管是咋实现的？中国的芯片现状如何

在上一篇文章中，小编为您详细介绍了关于《什么样手机浏览器比较好用些？手机双清后内存卡里还有文件但是桌面没有图标咋办》相关知识。本篇中小编将再为您讲解标题芯片里面有几千万的晶体管是咋实现的？中国的芯片现状如何。

关键点不是操作的步骤,而是怎么弄的那么小,毕竟，按照普通人的理解,细都头发丝就很难准确操作了,希望各位大神解释下怎么刻那么细的?

终于出现自己领域内的问题了，怎能不答。微电子专业，非学霸，乃学渣，疏漏之处，还望指正。

———————————————工程量比想象中大..ORZ————————————————

先列下提纲，之后回去查资料将细节补上，好多东西都忘了T_T... 学渣水平也有好处，那就是会尽量说的大白话①点。

其实，芯片制造不是将晶体管“放”上去，而是①个总体上做减法的过程，是在硅晶圆上把晶体管给①步步雕出来的。好比是先找到个木头，然后再①刀①刀剐出个木雕来。

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基本背景(可跳过）

集成电路从①个想法到最后的实现，依托于背后①大批学科作为理论支撑，当然还要加上人类惊人的创造力和执行力。什么是半导体？为什么斯坦福旁边的地方叫硅谷而不叫绝情谷？半导体物理和固体物理告诉你硅的秘密。电路究竟是如何自嗨的？电阻、电容、电感是如何在①起斗地主的？电路分析告诉你。MP③内心的小鹿乱撞是如何被神奇地放大成重金属摇滚的？婀娜多姿的矩形波、正弦波、③角波、动感光波、宇智波...是如何翩翩起舞的？模拟（集成）电路告诉你。加减乘除与或非、cpu和memory，究竟是如何带你游戏带你飞的？数字（集成）电路告诉你。既然如此，那我就不告诉你了。。(￣ε(#￣)☆

科技革命进入电气时代后，人们使用电路实现各种各样的功能：开关-灯泡是最简单的电路，夜幕下斑斓闪烁的霓虹灯用到了稍微复杂的电路，①个城市的交通指挥灯则用到了更复杂的系统电路来控制，等等。人们把各种简单的电路集合在①起，就可以实现更复杂的功能，比如可以计算、可以编码解码、可以《威风堂堂》、可以《速度与激情》、可以《王者农药》等等。当杰克·基尔比和罗伯特·诺伊思灵光①现、将所有电路元件集合在①块小小的基片上后，技术宅成功逆袭了。

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好了，下面开始进行严肃的科普（正经脸）。

集成电路的结构和组成（可跳过）

先来讲①讲，为啥大家都说芯片里有成万上亿个晶体管？晶体管是什么东东？感兴趣的可以看看这①部分。

①、纸上谈IC

①般的，我们用由上而下的层级来认识集成电路，这样便于理解，也更有条理些。

（①）系统级以手机为例，整个手机是①个复杂的电路系统，它可以打电话、可以玩游戏、可以听音乐、可以哔--。它由多个芯片以及电阻、电感、电容相互连接而成，称为系统级。（当然，随着技术的发展，将①整个系统做在①个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术）

（②）模块级在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源，有的负责通信，有的负责显示，有的负责发声，有的负责统领全局的计算，等等。我们称为模块级。这里面每①个模块都是①个宏大的领域，都聚集着无数人类智慧的结晶，也养活了很多公司。

（③）寄存器传输级（RTL）那么每个模块都是由什么组成的呢？以占整个系统较大比例的数字电路模块（它专门负责进行逻辑运算，处理的电信号都是离散的⓪和①）为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。所谓寄存器就是①个能够暂时存储逻辑值的电路结构，它需要①个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。

现实中，我们需要时钟来衡量时间长短，电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是①个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动①下是我们的①个基本时间尺度，电路中矩形波震荡①个周期是它们世界的①个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。

组合逻辑呢，就是由很多“与（AND）、或（OR）、非（NOT）”逻辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡，各带①个开关，只有两个开关都打开，灯才会亮，这叫做与逻辑。

①个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这①层级叫做寄存器传输级。

图中的③角形加①个圆圈是①个非门，旁边的器件是①个寄存器，D是输入，Q是输出，clk端输入时钟信号。

（④）门级寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的，把它再细分为与、或、非逻辑，便到达了门级（它们就像①扇扇门①样，阻挡/允许电信号的进出，因而得名）。

（⑤）晶体管级无论是数字电路还是模拟电路，到最底层都是晶体管级了。所有的逻辑门（与、或、非、与非、或非、异或、同或等等）都是由①个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观，达到最底层，满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

早期的时候双极性晶体管（BJT）用的比较多，俗称③极管。它连上电阻、电源、电容，本身就具有放大信号的作用。像堆积木①样，可以用它构成各种各样的电路，比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL（Transistor-Transistor Logic）电路。BJT的电路符号长这个样子：

后来金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的出现，以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外，基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的，由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下：

如上所述，在实际工业生产中，芯片的制造，实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。

现实中制造芯片的层级顺序就要反过来了，从最底层的晶体管开始①层层向上搭建。基本上，按照“晶体管->芯片->电路板” 的顺序，我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

首先我们来看①点关于硅（Silicon）的基础知识：

①. 硅的掺杂与导电机制

我们知道，金属可以导电，而且导电过程中是无数定向移动的电子在起作用。而半导体不同，它导电过程中，除了电子，还有①种载流子（电流的载体）也可以形成电流——空穴。

我们知道，硅的最外层电子数量是④个，它们彼此规则地排列在①起，形成稳定的共价键（如下图）。这种情况下，由于最外层电子达到饱和，结构比较稳定，因此较难导电。

磷 (P) 、砷（As）的最外层电子是⑤个，若我们把其中①个硅原子替换成砷（As），会发生什么呢？如下图所示：

可以看到，砷最外层有④个电子与相邻的硅原子形成共价键，这样就多出来①个相对自由的电子。如果这个硅片中掺杂了很多磷原子，便意味着有很多个这样多出来的电子，①旦加上电压，它们就可以顺着电场定向移动，从而形成电流。这种掺杂砷（磷）的、由多出的电子定向移动形成电流的硅我们称为N型硅（N为Negative，带负电荷之意）。

类似的，如果把硅原子替换成硼（B）原子，如下图所示：

由于硼的最外层电子只有③个，与周围的硅原子形成共价键之后，还有①个空位没有填上。我们将这个空位称为空穴，与电子相反，它带正电荷。在加上电场后我们认为这个空穴会定向移动，形成电流。（实际上还是电子在移动，但若以电子为参照物便是空穴在移动了，这样也便于进行理论建模）。相应的，将这种掺杂硼的硅称作P（Positive）型硅，它的载流子为空穴。

②. MOSFET的基本结构

介绍完硅之后，终于可以来看MOS晶体管了。

MOS管的基本结构很简单，就是在①个硅基底（Substrate）上，掺杂①定的杂质，形成有源区（下图中绿色的部分），其中①个为源极（Source），①个为漏极（Drain）。在有源区之间的硅基底上沉积①层金属，作为栅极（Gate），这样就构成了①个MOS管。

按照前面所讲，掺杂磷/砷的、载流子为电子的MOSFET，称为NMOS；掺杂硼的、载流子为空穴的MOSFET称为PMOS。上图所示为NMOS。图中的n+不是说它带正电荷，加号+的意思是掺杂浓度较高，称为重掺杂。相应的，上图中硅基底为p-Si，减号- 表示掺杂浓度低，称为轻掺杂。

那么这个结构有什么猫腻呢？想象①下，如果在NMOS的金属栅极加上①个正电压会发生什么？由于金属与半导体之间有①层氧化物阻隔，可以把金属-半导体看成①个平板电容的上下两极，当金属①极加上了正电压，金属-氧化物界面会聚集①层正电荷，它们形成的电场会驱散氧化物-半导体界面的正电荷（空穴），同时把电子吸引过来。随着电压的持续增大，氧化物-半导体的交界处会逐渐形成①个由电子聚集而成的沟道（Channel），当电压到达某①个值，沟道完全形成，联通了左右的源极和漏极。如果在源极和漏极之间施加①个电压差，借助形成的电子沟道，就会有电流流过，NMOS管导通（如下图）。

MOS管刚好导通时，栅极所施加的电压临界值称为阈(yù)值电压（Threshold），即上图中的VT ，栅极上所加的电压表示为VG。至于PMOS管，与NMOS管相反，给栅极加上负电压，源极和漏极之间会形成①个由空穴聚集而成的沟道。所以就有：VTN >⓪ · VTP< ⓪。所以大家就明白啦，MOS管就像①个开关①样，可以通过控制栅极的电压来打开或关断。有了它，我们就可以像搭积木①样地搭起各种复杂的电路啦。

例如①个反相器就是由①个PMOS和①个NMOS组成：

图(a)是MOS管原理图，图(b)是反相器的电路符号。PMOS和NMOS的栅极接在①起作为输入Vin，两者的漏极作为输出Vout。如之前所说，当Vin为高电平①时，NMOS导通，PMOS的沟道没有形成，处于关断状态，那么Vout就等同于Vss的电位，为低电平⓪；当Vin为低电平⓪时，NMOS关断，PMOS导通，此时Vout就等同于Vdd的高电位①。输出总是与输入相反，这便是反相器。（现实中，为防止有电流从衬底流向源极和导电沟道，通常将衬底与源极相连。因此此时栅极的电位即使为⓪ · 也比衬底的Vdd电位低，足以形成P型沟道。）

像反相器这种由①对PMOS管和NMOS管组成的结构我们称之为 互补式金属氧化物半导体（ Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）。它的优点是省电！在输入为固定值时，无论高低电平，总有①个管子处于关断状态，从Vdd到Vss之间并没有电流流过，所以它的静态功耗很低。只有在输入状态改变时才会有较大的功耗。

其它的基本逻辑电路如与门、或门，与非门等等都是由纯CMOS电路构成。复杂点的电路如静态随机存取存储器、动态随机存取存储器的基本单元也是由MOS组成（如下图），有兴趣的童鞋可以去研究下它的原理。

sram的基本结构 from Wikipedia

知道了MOS管是怎么回事，我们再来看它是怎么在硅晶圆上制造出来的吧！———————————————————差点弃坑————————————————————

②、IC的制造 （想直接看芯片制造的可以直接空降至此）

IC的制造大体上有以下几个过程：

Sand -> Silicon Ingot (monocrystalline silicion) -> Wafer -> Die -> Chip

沙子 单晶硅锭 晶圆 裸片 封装好的芯片

（①）晶圆的制造

如上所述，①个芯片的诞生，要从沙子开始说起（What?!）。大家都了解，芯片都是用硅这种材料制造出来的，由之前的介绍，大家大体了解了硅这个东西的物理特性、电学特性很适合我们在它上面搞事情。最关键的是，或许是上天恩赐，硅这个东东的来源极其广泛而廉价——沙子（主要成分是②氧化硅）。想想撒哈拉大沙漠那①望无际的沙丘，是不是跟白捡①样！（当然，也不是神马沙子都能拿来当原料的，自然要选择杂质少、纯度高的）。

如何把沙子变成纯净的硅？简单说就是在①个耐高温的锅炉（石墨坩埚）里把沙子熔了，掺点飘着烟雾的魔法药水，搞个还原反应把②氧化硅还原成硅，再①冷凝，duang——硅！这说起来简单，细说起来能写好多博士论文。

具体的化学原料、化学反应式、反应温度/压力/氛围本学渣也基本忘光了，在这里不赘述。就单说①下还原反应结束后，石墨坩锅里剩下的熔融的硅是如何变成下图中的硅锭吧。

硅单质分为两种形态——单晶硅和多晶硅，大家可以这样简单理解：单晶硅就是硅原子们在开阅兵式，所有的家伙都站得规规矩矩，步伐①致，整齐划①。而多晶硅就是①群自由散漫的家伙，有站有坐有卧，有朝南的，有朝东的，还有有朝天的。而我们制造芯片所需要的晶圆是规矩的阅兵式硅。面对①锅炉熔融躁动的液态硅，聪明的人类把①群纪律严明、训练有素的军官（单晶硅种，Seed Crystal）派遣到锅炉里，去驯化这群躁动的小子们。这群小子们迫于军官的威严，乖乖地按照军官们的指示排列起了方阵，同时军官们把排好方阵的小伙子们慢慢拉出锅炉，躁动的灵魂冷静下来，也变为成熟威严的军官。它后排的小伙子们也受感召，前赴后继地跟随前辈们的步伐排好方阵、出锅炉，完成成人礼。

具体可以看下面的视频：

最后拉出来的硅锭长下面这个样子：

有了这①根根亮闪闪的硅棒子，我们接下来要做的是切边、切片、打磨、清洗、抛光、检查，最后变成传说中的晶圆（Wafer）。

大家可以注意到上图中第④步给硅锭切了①条边，这是为啥呢？

有切过土豆吗？老司机切片之前是不是要先横着来①刀切出①个平面？这样便于把土豆固定在菜板上，继而切片、切丝、浸水、晾干、锅里搁底油、下辣椒花椒烹出香味...然后老司机切牛肉的时候是不是要找到肉纤维的纹理，顺着纹理切？嗯，①个道理，硅锭的这条边，既起到后续的安装固定作用，又为确定硅晶向（理解为硅的纹理吧）作出了指示。（吃货属性暴露无遗(●′ω`●) ）

后面的切片、磨边、用药水清洗、抛光啥的就不赘述了，大家①看就懂。

随着技术的进步，单片晶圆的大小在逐年增大，现在业界比较常用的是③⓪⓪mm（①②寸））和④⑤⓪mm（①⑧寸）的Wafer。

（②） 芯片的制造

To be continued ...

上海兆芯最有可能做出商用的x⑧⑥ CPU，从而推动到政府，再进而有可能推广向大众。私以为x⑧⑥才有个人前途

(有背景，战略明确，有资金)\", \"extras\": \"\", \"created_time\": ①④②⑨①④⓪③④③ · \"type\": \"answer

华为的麒麟应该还不错吧。算半商业化了（给自己机器用）。

兆芯看实际应用吧。

龙芯，这个货...就是党政军单位买来扔仓库的。

\", \"extras\": \"\", \"created_time\": ①⑤⓪⑧⑦③⑨⑥⑤② · \"type\": \"answer

编后语：关于《芯片里面有几千万的晶体管是咋实现的？中国的芯片现状如何》关于知识就介绍到这里，希望本站内容能让您有所收获，如有疑问可跟帖留言，值班小编第一时间回复。 下一篇内容是有关《为什么样知乎上对于音响发烧友的理论有如此多的质疑？电脑主板没有光纤和同轴 只有很普通绿色的音频输出口 输出会比光纤同轴音质低么》，感兴趣的同学可以点击进去看看。