What is a Microchip?

微芯片也称：

• 集成电路（IC）
• 计算机芯片
• 半导体
• 芯片

集成电路已取代了通过电线或印刷电路板（PCB）连接的分立组件的装配体，因为它们是单片器件，所以体积更小，耗电量更低，而且可以更低的成本大规模生产。

半导体材料于1821年由托马斯·约翰·塞贝克发现，1947年，威廉·肖克利研制出了首批可工作的半导体晶体管。1959年，罗伯特·诺伊斯将这些元件及其所有互连结构整合成一个单一器件。 这项发明及其后续所有发展的关键在于平面制造工艺，该工艺利用光刻技术，以精确的方式逐层沉积和去除材料。

集成电路是现代生活不可或缺的一部分，为从玩具到深空探测器等各类电子设备提供电子元件。 2023年，全球微芯片销售额达5269亿美元。该年的销售数据还显示，芯片在计算机以外领域的应用进一步增长：其中32%用于通信领域，17%用于汽车应用，14%用于工业设备，11%用于消费电子产品，而仅有25%用于计算机领域。

受“摩尔定律”的驱动——该定律指出集成电路中的晶体管数量每两年会翻一番——电路日益复杂，元件尺寸不断缩小，使得每一代微芯片的设计和制造都面临更大的挑战。

芯片上各个元件的总体尺寸，即所谓“特征尺寸”，以纳米（nm）为单位，即一米的十亿分之一。目前，半导体制造商采用14纳米、10纳米、7纳米、5纳米和3纳米工艺，2纳米技术也已投入使用。作为参考，一粒米的长度为500万纳米。

2023年，研究人员研制出了一款创下纪录的微处理器，其中包含1.2万亿个晶体管。英特尔2024年的CPU产品线中，单个芯片上集成了超过1亿个晶体管。

集成电路由半导体材料（通常是硅）制成，这些材料以重叠的层状结构堆叠而成。以下是微芯片中最常见的元件：

• 硅基底 ：作为 基础的 纯硅晶体层，其他层是通过去除或沉积其他材料，或对晶体材料进行掺杂而构成的。 

微芯片制造包括三个步骤。每个步骤都经过高度优化和自动化，以最大限度地降低成本、确保质量并提高效率。设计集成电路（IC）的工程师需要对制造工艺有深入的了解，因为每个步骤都会决定元件的尺寸、形状和间距 。

步骤 1：晶圆生产

制造空白硅晶圆是半导体制造的第一步。该工艺首先生长出由半导体材料（通常为纯硅）制成的单晶圆柱形锭，称为“晶锭”。随后将晶锭切片成薄晶圆，经过机械加工使其表面平整，再通过化学蚀刻去除机械加工造成的损伤，最后进行抛光。 电子晶圆的直径通常在100至450毫米之间。最常见的规格是直径300毫米、厚度755微米。

第 2 步：制造

电路及其所有元件和互连结构是在半导体制造工厂中制成的，该工厂通常被称为fab 。电路的每一层及其拓扑结构都是通过一系列严格受控的步骤制成的。机器人以集群形式将晶圆从一台设备运送到另一台设备。大多数芯片制造工艺在处理每一层时都遵循以下步骤：

• 生长一个二氧化硅层，以完全覆盖该层（也称为钝化）。
• 添加一个光刻胶涂层。
• 将光刻胶层按照所需几何图案的形状进行紫外线曝光。随后对光刻胶层进行显影，去除受光部分的材料。这一过程称为光刻。
• 使用化学试剂（通常是强酸）去除光刻胶被去除部位的氧化层。这一过程被称为蚀刻 。
• 去除未显影的光刻胶材料。
• 如果需要对该层进行掺杂，则将污染物离子注入晶体结构，创造出所需的半导体行为，以用于晶体管和其他组件。
• 对于其它材料，各种形式的化学或蒸汽沉积可用于创建互连、过孔和其它组件。

第 3 步：包装

每层结构构建完成、晶圆经过清洗和测试后，将其切割成单独的芯片，称为“晶粒”。随后，通过键合将一个或多个晶粒固定到基板上，并根据具体应用，使用不同的材料对集成电路进行封装。有些封装中只包含一个芯片，但目前的趋势是将多个晶粒集成到单个封装中。 

集成电路的种类和用途逐年增加。早期的集成电路通常只执行单一功能。但随着制造技术和设计工具的进步，芯片已逐渐转向多功能化。

智能手机是一个很好的例子，展示了如何将多种类型的芯片整合到单一设备中以满足不同的用途。它们包含用于5G无线通信和GPS的射频（RF）芯片、用于摄像头的光电芯片、用于显示屏的LED芯片、用于处理单元的数字集成电路（IC）、用于加速度计的微机电系统（MEMS）芯片，以及十余种其他集成电路，用于感知、控制和调整海量的应用场景。

不同类型的芯片可按其执行的信号传输进行分类。

模拟集成电路

模拟信号在连续的电压范围内携带电压，而不仅仅是高电压或低电压信号。它们用于放大、进行频率滤波以及混合信号。模拟集成电路的频率和功率可能差异很大，而更高的频率和更大的功率会带来重大的设计挑战。

模拟IC的常见用途包括：

• 光学、热和音频传感器
• 电源管理电路
• 运算放大器（op-amp）
• 音视频信号处理
• 电信，包括无线电通信和光信号处理
• RF电路
• 信号调节
• 机器控制器

数字集成电路

数字集成电路是一种逻辑器件，由数百万或数十亿个由晶体管构成的逻辑门组成。以固定时钟频率运行的信号会被转换或检测为高电平或低电平、0或1。通过组合不同的逻辑器件，可以在极低的功耗下完成非常复杂的计算。

数字IC一些最常见的应用包括：

• 逻辑IC或处理器
  • 微处理器
  • 微控制器
  • 专用集成电路（ASIC）
• 存储芯片
• 现场可编程门阵列（FPGA）
• 数字电源管理器件
• 片上系统（SoC）器件
• 多裸片芯片

混合信号集成电路

某些集成电路将处理模拟信号和数字信号的电路结合在一起，并在两者之间进行转换，从而形成混合信号集成电路。当检测或生成模拟信号，且需要进行逻辑运算来读取、生成或修改该信号时，就会使用这类集成电路。

混合信号IC的一些最常见用途包括：

• SoC器件
• 数据采集芯片
• RF CMOS电路
• 时钟/定时IC
• 开关电容器电路
• 电光器件
• MEMS器件

微芯片的未来与过去如出一辙：在体积更小的情况下具备更多功能，同时成本也在不断降低。制造技术的进步还将为提升性能和开拓新应用创造新的机遇。

不久的将来推动电气工程设计及仿真发展的趋势包括：

向无晶圆厂设计和代工厂转型

多年来，该行业已转向一种模式：企业可以自主设计集成电路（IC），然后将制造环节外包给专门生产芯片的公司。这种模式被称为“无晶圆厂设计”，而这些合同制造商则被称为“代工厂”。这使得苹果和高通等公司能够设计创新的 新产品，而无需投入巨资建设自己的晶圆厂。工程师在设计时必须遵循所选代工厂（代工厂 ）的制造工艺和标准。

特性尺寸更小

器件尺寸持续缩小，由此引发了电源和信号完整性 方面的问题。为了保持竞争力，电气工程师需要在设计中运用这些新功能，同时借助仿真技术并遵循设计最佳实践，以避免出现问题。

电子器件的复杂性和组合功能

随着时间的推移，越来越多的电子设备设计师希望在单个芯片中实现更强大的功能。物联网（IoT ）设备、新型固态长期存储器以及GPU 芯片，都是集成电路的典型代表——这些芯片不仅能在同一芯片中增加新功能和能力，而且这些功能之间的交互也将变得更加复杂。 工程师需要设计和仿真工具来推动设计，以跟上行业对技术发展的需求。植入式微芯片等生物医学电子设备将成为另一个需要在单个芯片上集成多种功能的领域。

更高的时钟速度和频率

日益增长的性能需求以及射频技术的进步，正推动着数字集成电路的时钟频率和模拟及混合信号芯片的工作频率不断提升。这两者都给信号完整性 和电源管理带来了挑战。

更高的能源效率带来更强大的计算机功能

为支持人工智能、加密货币挖矿和IoT 等应用趋势而发展的高性能计算数据中心，正推动着对微处理器更高性能的需求。这些应用正促使业界在FPGA、固态硬盘、内存和GPU等方面进行改进，同时还需要各种芯片来以越来越快的数据传输速度连接所有设备。

除计算之外的更多应用

在汽车、消费电子和工业应用 领域，微芯片使用量持续增长的趋势将延续下去。几乎所有产品都将被设计成智能设备，具备宽带连接、传感器和计算能力——而这些功能都离不开微芯片。 

微芯片设计中的仿真

由于微芯片制造过程复杂且成本高昂，因此通过物理原型制作来验证设计并不现实。取而代之的是，工程师们利用基于仿真的虚拟原型设计来指导设计工作、验证性能，并在投产前发现并解决问题。此外，仿真技术还被用于设计封装方案，并优化用于制造芯片的半导体生产设备。

在数字微芯片的仿真过程中，首先需要通过RTL设计在摘要 层面上验证数字设计的逻辑功能。这包括使用PowerArtist™软件对电源管理进行初步评估。该工具可在设计流程的早期阶段评估设计的功耗需求，并有助于推动实现更节能的设计。

一旦物理设计布局完成，工程师即可使用RedHawk-SC™ 软件——这款在数字集成电路（IC）功耗误报 和可靠性领域备受信赖的行业领先软件——来评估其设计中的功耗压降 和功耗电迁移 。

在模拟和混合信号领域，Totem™软件可应用于功耗完整性 和可靠性签核流程。作为业界公认的电迁移 多物理场仿真领域黄金标准标准 ，该软件已获得所有主要代工厂的认证，工艺节点下探至3 nm。此外，它还能与PathFinder-SC™ 软件配合使用，用于计算静电放电。

一旦设计经过优化和验证，封装工程师即可利用仿真技术，对整个微芯片封装的电源、信号完整性 以及稳定性 进行优化。RedHawk-SC 软件专为处理大型多芯片配置而设计，包括系统级封装（SiP）设计。 先进的半导体封装采用2.5D和3D-IC技术，将多个芯片整合并连接在同一封装内，而使用RedHawk-SC软件进行仿真则是验证和优化这些设计的主要方式。

一旦设计中的电气方面得到解决，封装工程师就可以使用Mechanical™ 软件和Icepak®工具等工具来进行结构可靠性和热管理分析。