“芯片設(shè)計之母”—— EDA

EDA（電子設(shè)計自動化）是電子設(shè)計的基石產(chǎn)業(yè)，在精密制造領(lǐng)域，更是精密器件生產(chǎn)、加工和測試的基礎(chǔ)?？梢哉f，掌握了最優(yōu)的EDA，就有了高端工業(yè)領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)。

EDA 被稱為“芯片設(shè)計之母”，是利用計算機輔助設(shè)計軟件完成芯片的功能設(shè)計、綜合、驗證等流程的設(shè)計方式。EDA 是芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)源頭，也是中國芯片產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

EDA 布局布線設(shè)計是其中重要一環(huán)，就像房屋裝修前，要讓各種家具家電、電線網(wǎng)絡(luò)布局在最合適的地方，做到既美觀又節(jié)省空間，還能完美互聯(lián)互通。這就需要一個最優(yōu)的“施工圖”。芯片等精密器件只有指甲蓋大小，卻要加載百億個單元，相互聯(lián)結(jié)的線路更復(fù)雜，只能通過算法去設(shè)計最優(yōu)“施工圖”實現(xiàn)。

在2021 年計算機輔助設(shè)計國際會議上，華中科技大學(xué)計算機學(xué)院呂志鵬教授團隊摘得電子設(shè)計自動化布局布線算法競賽全球冠軍。

圖7 呂志鵬教授（中）及其團隊成員（圖/長江云）

必須翻越的高峰——光刻機

光刻機是制造芯片最重要的設(shè)備之一，是迄今為止人類所能制造的最精密的裝備，被譽為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈“皇冠上的明珠”。

光刻也被稱作“微影制程”，是將光罩上具有各種電子特性的區(qū)域圖即電路圖形，微縮并曝光成像在晶圓上，為流程中的后續(xù)步驟打好基礎(chǔ)。光刻機的投影物鏡被譽為成像光學(xué)的最高境界，其波像差需要控制到亞納米量級，甚至接近零像差，這對投影物鏡的生產(chǎn)、檢測與控制都提出了極為嚴苛的要求。

光刻機在工作時，需要工件臺和掩模臺在高速運動過程中始終保持幾納米的同步精度。

圖8 荷蘭ASML 是全球光刻機領(lǐng)域的龍頭企業(yè) (圖/ASML)

能否靠“碳”超車

碳基芯片是基于納米碳材料晶體管制造的芯片，被認為是最有可能代替硅基芯片的次時代技術(shù)。

石墨烯和納米碳管特殊的幾何結(jié)構(gòu)，使得電子在材料中的傳輸速度大大超出了目前的硅基材料。同時，納米碳結(jié)構(gòu)中沒有金屬中那種可以導(dǎo)致原子運動的低能缺陷或位錯，使得其能承受的電流強度遠遠高出目前集成電路中銅互連能承受的電流上限，這些性質(zhì)使得納米碳成為最理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。

圖9 我國碳基半導(dǎo)體制備材料研制取得突破(圖/央視新聞網(wǎng)截圖)

我國科研團隊在10.16 厘米的基底上制備出密度高達每微米120 根、半導(dǎo)體純度超過99.999 9%的碳納米管平行陣列，并在此基礎(chǔ)上首次實現(xiàn)了性能超越同等柵長硅基CMOS 的晶體管和電路，成功突破了長期以來阻礙碳納米管電子學(xué)發(fā)展的瓶頸。

相比傳統(tǒng)硅基技術(shù)，碳基半導(dǎo)體具有成本低、功耗小、效率高的優(yōu)勢，因此也被視為性能更好的半導(dǎo)體材料。與國外硅基技術(shù)制造的芯片相比，我國碳基技術(shù)制造的芯片在處理大數(shù)據(jù)時不僅速度更快，而且至少能節(jié)約30%左右的功耗。這或?qū)⑹刮覈酒圃煨袠I(yè)在新賽道上突破“卡脖子”技術(shù)成為可能。