為什么說(shuō)芯片是關(guān)鍵？核心技術(shù)到底是個(gè)啥？

　　芯片制造與中國技術(shù)

　　為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多余的東西全扔了，直接在硅片上制作PN結和電路。下面從硅片出發(fā)，說(shuō)說(shuō)芯片的制作過(guò)程和中國所處的水平。

　　第一：硅

　　把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，切成片就是我們想要的硅片。硅的評判指標就是純度，你想想，如果硅里有一堆雜質(zhì)，那電子就別想在滿(mǎn)軌道和空軌道之間跑順暢。

　　太陽(yáng)能級高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過(guò)一半是中國產(chǎn)的，早被玩成了白菜價(jià)。芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數了，11個(gè)9)，幾乎全賴(lài)進(jìn)口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實(shí)現量產(chǎn)，目前年產(chǎn)0.5萬(wàn)噸，而中國一年進(jìn)口15萬(wàn)噸。

　　難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導體強國韓國，品質(zhì)應該還不錯。不過(guò)，30%的制造設備還得進(jìn)口……

　　高純硅的傳統霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資)，中國任重而道遠。

　　第二：晶圓

　　硅提純時(shí)需要旋轉，成品就長(cháng)這樣：

　　所以切片后的硅片也是圓的，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經(jīng)有點(diǎn)耳熟了?

　　切好之后，就要在晶圓上把成千上萬(wàn)的電路裝起來(lái)的，干這活的就叫“晶圓廠(chǎng)”。各位拍腦袋想想，以目前人類(lèi)的技術(shù)，怎樣才能完成這種操作?

　　用原子操縱術(shù)?想多了，朋友!等你練成御劍飛行的時(shí)候，人類(lèi)還不見(jiàn)得能操縱一個(gè)一個(gè)原子組成各種器件。晶圓加工的過(guò)程有點(diǎn)繁瑣。

　　首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見(jiàn)光就融化，那光從哪里來(lái)?光刻機，可以用非常精準的光線(xiàn)，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來(lái)。然后，用等離子體這類(lèi)東西沖刷，裸露的晶圓就會(huì )被刻出很多溝槽，這套設備就叫刻蝕機。在溝槽里摻入磷元素，就得到了一堆N型半導體。

　　完成之后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導體。

　　實(shí)際過(guò)程更加繁瑣，大致原理就是這么回事。有點(diǎn)像3D打印，把導線(xiàn)和其他器件一點(diǎn)點(diǎn)一層層裝進(jìn)去。

　　這塊晶圓上的小方塊就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路并不比那臺30噸計算機的電路高明，最底層都是簡(jiǎn)單的門(mén)電路。只是采用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。

　　據說(shuō)這就是一個(gè)與非門(mén)電路：

　　提個(gè)問(wèn)題：為啥不把芯片做的更大一點(diǎn)呢?這樣不就可以安裝更多電路了嗎?性能不就趕上外國了嘛?

　　這個(gè)問(wèn)題很有意思，答案出奇簡(jiǎn)單：錢(qián)!一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做出100塊芯片，10nm工藝可以做出210塊芯片，于是價(jià)格就便宜了一半，在市場(chǎng)上就能死死摁住競爭對手，賺了錢(qián)又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開(kāi)了。

　　說(shuō)個(gè)題外話(huà)，中國軍用芯片基本實(shí)現了自給自足，因為咱不計較錢(qián)嘛!可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到雜質(zhì)的概率越大，所以芯片越大良品率越低?？偟膩?lái)說(shuō)，大芯片的成本遠遠高于小芯片，不過(guò)對軍方來(lái)說(shuō)，這都不叫事兒。

　　可別把“龍芯”和“漢芯”混為一談

　第三：設計與制造

　　用數以?xún)|計的器件組成如此龐大的電路，想想就頭皮發(fā)麻，所以芯片的設計異常重要，重要到了和材料技術(shù)相提并論的地步。

　　一個(gè)路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車(chē)。電子在芯片上跑來(lái)跑去，稍微有個(gè)PN結出問(wèn)題，電子同樣會(huì )堵車(chē)。這種精巧的線(xiàn)路設計，只有一種辦法可以檢驗，那就是：用!大量大量的用!現在知道芯片成本的重要性了吧，因為你不會(huì )多花錢(qián)去買(mǎi)一臺性能相同的電腦，而芯片企業(yè)沒(méi)了市場(chǎng)份額，很容易陷入惡性循環(huán)。

　　正因為如此，芯片設計不光要燒錢(qián)，也需要時(shí)間沉淀，屬于“燒錢(qián)燒時(shí)間”的核心技術(shù)。既然是核心技術(shù)，自然就會(huì )發(fā)展出獨立的公司，所以芯片公司有三類(lèi)：設計制造都做、只做設計、只做制造。

　　半導體是臺灣少有的仍領(lǐng)先大陸的技術(shù)了，基于兩岸實(shí)質(zhì)上的分治狀態(tài)，所以中國大陸和臺灣暫且分開(kāi)表述。

　　早期的設計制造都是一塊兒做的，最有名的：美國英特爾、韓國三星、日本東芝、意大利法國的意法半導體;中國大陸的：華潤微電子、士蘭微;中國臺灣的：旺宏電子等。

　　外國、臺灣、大陸三方，最落后的就是大陸，產(chǎn)品多集中在家電遙控器之類(lèi)的低端領(lǐng)域，手機、電腦這些高端芯片幾乎空白!

　　后來(lái)隨著(zhù)芯片越來(lái)越復雜，設計與制造就分開(kāi)了，有些公司只設計，成了純粹的芯片設計公司。如，美國的高通、博通、AMD，中國臺灣的聯(lián)發(fā)科，大陸的華為海思、展訊等。

　　挨個(gè)點(diǎn)評幾句。

　　大名鼎鼎的高通就不多說(shuō)了，世界上一半手機裝的是高通芯片;博通是蘋(píng)果手機的芯片供應商，手機芯片排第二毫無(wú)懸念;AMD和英特爾基本把電腦芯片包場(chǎng)了。這些全是美國公司，世界霸主真不是吹的。

　　臺灣聯(lián)發(fā)科走的中低端路線(xiàn)，手機芯片的市場(chǎng)份額排第三，很多國產(chǎn)手機都用，比如小米、OPPO、魅族。不過(guò)最近被高通干的有點(diǎn)慘，銷(xiāo)量連連下跌。

　　華為海思是最爭氣的，大家肯定看過(guò)很多故事了，不展開(kāi)。除了通信芯片，海思也做手機用的麒麟芯片，市場(chǎng)份額隨著(zhù)華為手機的增長(cháng)排進(jìn)了前五。個(gè)人切身體會(huì )，海思芯片的進(jìn)步真的相當不錯(這一波廣告，不收華為一分錢(qián))。

　　展訊是清華大學(xué)的校辦企業(yè)，比較早的大陸芯片企業(yè)，畢竟不能被人剃光頭吧，硬著(zhù)頭皮上，走的是低端路線(xiàn)。前段時(shí)間傳出了不少危機，后來(lái)又說(shuō)是變革的開(kāi)始，過(guò)的很不容易，和世界巨頭相差甚多。

　　大陸還有一批芯片設計企業(yè)，晨星半導體、聯(lián)詠科技、瑞昱半導體等，都是臺灣老大哥的子公司，產(chǎn)品應用于電視、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，還挺滋潤。

　　在大陸的芯片設計公司，臺灣頂住了大半邊天!

　　還有一類(lèi)只制造、不設計的晶圓代工廠(chǎng)，這必須得先說(shuō)臺灣的臺積電。正是臺積電的出現，才把芯片的設計和制造分開(kāi)了。2017年臺積電包下了全世界晶圓代工業(yè)務(wù)的56%，規模和技術(shù)均列全球第一，市值甚至超過(guò)了英特爾，成為全球第一半導體企業(yè)。

　　晶圓代工廠(chǎng)又是臺灣老大哥的天下，除了臺積電這個(gè)巨無(wú)霸，臺灣還有聯(lián)華電子、力晶半導體等等，連美國韓國都得靠邊站。

　　大陸最大的代工廠(chǎng)是中芯國際，還有上海華力微電子也還不錯，但技術(shù)和規模都遠不及臺灣。不過(guò)受制于臺灣詭譎的社會(huì )現狀，臺積電開(kāi)始布局大陸，落戶(hù)南京。這幾年臺資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠(chǎng)，這架勢和當年合資汽車(chē)有的一拼。

　　大陸的中芯國際具備28nm工藝，14nm的生產(chǎn)線(xiàn)也在路上，可惜還沒(méi)盈利。大家還是愿意把這活交給臺積電，臺積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業(yè)務(wù)。

　　美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力，最近幾個(gè)月臺積電剛剛上線(xiàn)了7nm工藝，穩穩壓過(guò)三星，首批客戶(hù)就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設計芯片，臺積電加工芯片。

　　說(shuō)真的，如果大陸能整合臺灣的半導體產(chǎn)業(yè)，并利用靈活的政策和龐大的市場(chǎng)促進(jìn)其進(jìn)一步升級，土工追趕美帝的步伐至少輕松一半?，F在嘛，大陸任重而道遠吶!

　　第四：核心設備

　　芯片良品率取決于晶圓廠(chǎng)整體水平，但加工精度完全取決于核心設備，就是前面提到的“光刻機”。

　　光刻機，荷蘭阿斯麥公司(ASML)橫掃天下!不好意思，產(chǎn)量還不高，你們慢慢等著(zhù)吧!無(wú)論是臺積電、三星，還是英特爾，誰(shuí)先買(mǎi)到阿斯麥的光刻機，誰(shuí)就能率先具備7nm工藝。沒(méi)辦法，就是這么強大!

　　日本的尼康和佳能也做光刻機，但技術(shù)遠不如阿斯麥，這幾年被阿斯麥打得找不到北，只能在低端市場(chǎng)搶份額。

　　阿斯麥是唯一的高端光刻機生產(chǎn)商，每臺售價(jià)至少1億美金，2017年只生產(chǎn)了12臺，2018年預計能產(chǎn)24臺，這些都已經(jīng)被臺積電三星英特爾搶完了，2019年預測有40臺，其中一臺是給咱們的中芯國際。

　　既然這么重要，咱不能多出點(diǎn)錢(qián)嗎?第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，臺積電有5%，三星有3%，有些時(shí)候吧，錢(qián)不是萬(wàn)能的。第二，美帝整了個(gè)《瓦森納協(xié)定》，敏感技術(shù)不能賣(mài)，中國、朝鮮、伊朗、利比亞均是被限制國家。

　　有意思的是，2009年上海微電子的90納米光刻機研制成功(核心部件進(jìn)口)，2010年美帝允許90nm以上設備銷(xiāo)售給中國，后來(lái)中國開(kāi)始攻關(guān)65nm光刻機，2015年美帝允許65nm以上設備銷(xiāo)售給中國，再后來(lái)美帝開(kāi)始管不住小弟了，中芯國際才有機會(huì )去撿漏一臺高端機。

　　不過(guò)咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產(chǎn)公司，銷(xiāo)售額輕松秒殺阿斯麥，哦耶!

　　重要性?xún)H次于光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經(jīng)量產(chǎn)運行，7-10nm刻蝕機也在路上了，所以美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。

　　在晶圓上注入硼磷等元素要用到“離子注入機”，2017年8月終于有了第一臺國產(chǎn)商用機，水平先不提了。離子注入機70%的市場(chǎng)份額是美國應用材料公司的。涂感光材料得用“涂膠顯影機”，日本東京電子公司拿走了90%的市場(chǎng)份額。即便是光刻膠這些輔助材料，也幾乎被日本信越、美國陶氏等壟斷。

　　2015年至2020年，國內半導體產(chǎn)業(yè)計劃投資650億美元，其中設備投資500億美元，再其中480億美元用于購買(mǎi)進(jìn)口設備。

　　算下來(lái)，這幾年中國年均投入130億，而英特爾一家公司的研發(fā)投入就超過(guò)130億美元。

　　論半導體設備，中國，任無(wú)比重、道無(wú)比遠啊!

　　第五：封測

　　芯片做好后，得從晶圓上切下來(lái)，接上導線(xiàn)，裝上外殼，順便還得測試，這就叫封測。

　　封測又又又是臺灣老大哥的天下，排名世界第一的日月光，后面還跟著(zhù)一堆實(shí)力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元電子。

　　大陸的三大封測巨頭，長(cháng)電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯，畢竟只是芯片產(chǎn)業(yè)的末端，技術(shù)含量不高。

　　中國芯

　　說(shuō)起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學(xué)微電子學(xué)院院長(cháng)陳進(jìn)教授從美國買(mǎi)回芯片，磨掉原有標記，作為自主研發(fā)成果，騙取無(wú)數資金和榮譽(yù)，消耗大量社會(huì )資源，影響之惡劣可謂空前!以致于很長(cháng)一段時(shí)間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

　　硅原料、芯片設計、晶圓加工、封測，以及相關(guān)的半導體設備，絕大部分領(lǐng)域中國還是處于“任重而道遠”的狀態(tài)，那這種懵逼狀態(tài)還得持續多久呢?根據“燒錢(qián)燒時(shí)間”理論，掐指算算，大約是2030年吧!國務(wù)院印發(fā)的《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要》明確提出，2030年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節達到國際先進(jìn)水平，一批企業(yè)進(jìn)入國際第一梯隊，產(chǎn)業(yè)實(shí)現跨越式發(fā)展。

　　當前，中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實(shí)現零突破的階段，雖然市場(chǎng)份額微乎其微，但每個(gè)領(lǐng)域都參了一腳，前景還是可期待的。

　　極限

　　文末，習慣性抱怨一下人類(lèi)科技的幼稚。芯片，作為大伙削尖腦袋能達到的最高科技水準，其基礎的能帶理論竟然只是個(gè)近似理論，電子的行為仍然沒(méi)法精確計算。再往大了說(shuō)，別看現在的技術(shù)紛繁復雜，其實(shí)就是玩玩電子而已，至于其他幾百種粒子，還完全不知道怎么玩!

　　芯片加工精度已經(jīng)到了7nm，雖然三星吹牛說(shuō)要燒到3nm，可那又如何?你還能繼續燒嗎?1nm差不多就是幾個(gè)原子而已，量子效應非常顯著(zhù)，近似理論就不好使了，電子的行為更加難以預測，半導體行業(yè)就得在這兒歇菜。

　　燒錢(qián)也好，燒時(shí)間也罷，燒到盡頭就是理論物理?；A科學(xué)除了燒錢(qián)燒時(shí)間，還得燒人，燒的異常慘烈，100個(gè)高智商，99個(gè)都是墊腳石!工程師可以半道出家，但物理學(xué)家必須科班出身，基礎科學(xué)在中國被忽視了五千多年，如今每年填報熱度還不如耍戲的。

　　不能光折騰電子了，為了把中微子也用起來(lái)，咱趕緊忽悠，哎，不對，是呼吁更多孩子學(xué)基礎科學(xué)吧!