能不能造出又好又便宜的芯片？這是國投集團(tuán)中國電子工程設(shè)計院股份有限公司（以下簡稱中國電子院首席技術(shù)官楊光明長期攻堅的問題。
芯片被稱作“數(shù)字世界的心臟”，一臺普通飲水機(jī)內(nèi)就藏有一顆芯片，一部手機(jī)內(nèi)有幾十顆芯片，一輛新能源汽車需要1500-3000顆芯片……能源革命、智能制造等科技創(chuàng)新都離不開芯片的支撐。但芯片，也是我國進(jìn)口排名第一的商品。
楊光明深耕行業(yè)數(shù)十年，在他看來，芯片的“卡脖子”，主要體現(xiàn)在消費領(lǐng)域市場競爭力的不足，關(guān)鍵要解決從實驗室推向大規(guī)模量產(chǎn)中的問題，打通產(chǎn)業(yè)化的“最后一公里”。
中國電子院首席技術(shù)官楊光明介紹如何推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化“最后一公里”。受訪者供圖
“最后一公里”為何艱難
“一顆指甲蓋大的芯片，集成了300億顆晶體管，里面的導(dǎo)線展開長度超20公里。”楊光明說，這種加工精度，難度可想而知。
生產(chǎn)芯片的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠，是一套復(fù)雜而龐大的精密制造系統(tǒng)。自動化程度高、工業(yè)設(shè)備昂貴，投資巨大，對環(huán)境要求極其嚴(yán)苛，需要超高精度的潔凈室、不含任何金屬離子和雜質(zhì)的超純水、恒溫恒濕的生產(chǎn)條件，工藝設(shè)備的高精密性也對微振動環(huán)境控制要求極為嚴(yán)格。
楊光明以他們曾參與的一條半導(dǎo)體生產(chǎn)線項目舉例，潔凈室面積30萬平方米，約有40多個足球場大。每年耗費約18億度電，接近一個200萬人口的城市每年居民的耗電量。半導(dǎo)體生產(chǎn)需經(jīng)多道清洗，每年耗水約1500萬立方米，相當(dāng)于一個西湖的水量，“這還是我們想了各種措施，讓一滴水在工廠里循環(huán)使用三次后的結(jié)果”。
“節(jié)省10%或者浪費10%，關(guān)乎企業(yè)的市場競爭力，很可能決定了這家企業(yè)是盈利還是虧損?！睏罟饷鹘榻B，他們?yōu)樯a(chǎn)線進(jìn)行全方位規(guī)劃并不斷優(yōu)化，持續(xù)降低企業(yè)的制造成本，尋求最優(yōu)解。
中國電子院振動技術(shù)研究中心負(fù)責(zé)人金春峰介紹，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的芯片制造核心工藝就是光刻，如果光刻時受到輕微振動干擾，造成偏離，整個芯片都將毀于一旦。
隨著精密設(shè)備對微振動控制要求不斷提高，傳統(tǒng)的被動防微振模式已無法滿足精度需求，主動控制隔振成為必要手段。
金春峰說，此前這項技術(shù)一直被國外壟斷，國際上能夠?qū)崿F(xiàn)的最低振動速度大約是0.1um/s。中國電子院經(jīng)過多年技術(shù)積累，研制出了中國第一套大型主動控制隔振裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)在1-100HZ頻段內(nèi)0.05um/s的振動速度，一舉打破國外壟斷，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，為解決“卡脖子”問題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)和加工要在潔凈室中進(jìn)行，需要去除灰塵顆粒，要捕捉比頭發(fā)絲直徑還要小100倍的灰塵。中國電子院在潔凈技術(shù)領(lǐng)域已有數(shù)十年積累，不僅能對潔凈環(huán)境要求高的部分進(jìn)行精準(zhǔn)控制，還能降低潔凈室的建設(shè)投資，此外，自主研發(fā)的平板式化學(xué)過濾器和化學(xué)過濾機(jī)組，是國內(nèi)首臺商用的化學(xué)過濾設(shè)備，處理效率達(dá)到98%，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。
該院潔凈技術(shù)專家閻冬表示，除了對項目前期的精準(zhǔn)設(shè)計和建設(shè)，在項目運行期間，還可提供智能診斷服務(wù)的全周期服務(wù)保障，進(jìn)一步提升良品率。
項目潔凈室內(nèi)部 受訪者供圖
青年接力攻堅
中國電子院數(shù)字化技術(shù)中心員工白帆記得，4年前的一天，一部原本下單就能提貨的最新款國產(chǎn)手機(jī)，由于美國政府升級制裁措施，一下子就陷入有價、有市、卻沒貨的境況，那是他原本打算送給父親七十大壽的生日禮物。
作為一名普通消費者，白帆第一次真切感受到西方技術(shù)封鎖對生活造成的影響。而作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的科研工作者，國家高端芯片受人掣肘的現(xiàn)狀使他感到緊迫。
看似小小的芯片，生產(chǎn)制造極為復(fù)雜。如果能在工廠建設(shè)之前，就能通過模型呈現(xiàn)工廠建成后的真實生產(chǎn)狀況，就能避免不必要彎路，極大提升生產(chǎn)效率。
他想出一份力。白帆所在的數(shù)字化技術(shù)中心就承擔(dān)著這一工作——以數(shù)字化形式模擬真實工廠的生產(chǎn)，以此加快半導(dǎo)體工廠建設(shè)速度、優(yōu)化產(chǎn)線布局、節(jié)約投資。彼時，這支由40名成員構(gòu)成、人均不到34歲的年輕團(tuán)隊爭分奪秒地投入技術(shù)攻堅。
現(xiàn)在，他們的科研成果已應(yīng)用于具體項目中，為半導(dǎo)體企業(yè)提供更加先進(jìn)的工程設(shè)計方案。
最新的數(shù)字孿生工廠解決方案，解決了工藝源頭與廠務(wù)系統(tǒng)斷點難題。中國電子院總經(jīng)理夏連鯤介紹，實踐后經(jīng)測算，工廠運行效率提升5%以上，系統(tǒng)優(yōu)化8%以上，降低投資12%以上，局部環(huán)節(jié)優(yōu)化后可年運行成本降低近千萬元。
“國家需要什么，我們就往哪里攻堅?！敝袊娮釉旱睦弦惠吙茖W(xué)家還記得，當(dāng)時他們的科研課題都是根據(jù)國家的重大需求來定的。中國電子院誕生于國家“一五”計劃期間，那時，中國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，有些甚至是空白。作為中國電子工業(yè)工程技術(shù)的開創(chuàng)者，篳路藍(lán)縷，拿下電子工業(yè)領(lǐng)域的多項“第一”，讓硬核電子工業(yè)成為國家的底氣。
從最初幾十人的設(shè)計團(tuán)隊，到如今6000多人，集設(shè)計、科研為一體的隊伍，工程師精神激勵著一代代青年科技工作者接力，服務(wù)國家科技創(chuàng)新。如今，芯片產(chǎn)業(yè)的“最后一公里”不斷優(yōu)化暢通。楊光明說，實現(xiàn)芯片自主可控任重道遠(yuǎn)，但他懷有強(qiáng)烈的信心，相信未來幾年內(nèi)將迎來更大的突破。
