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(guó)技術(shù)

　　為了把30噸的運(yùn)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(jié)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(guó)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(píng)判指標(biāo)就是純度，你想想，如果硅里有一堆雜質(zhì)，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

　　太陽(yáng)能級(jí)高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過(guò)一半是中國(guó)產(chǎn)的，早被玩成了白菜價(jià)。芯片用的電子級(jí)高純硅要求99.999999999%(別數(shù)了，11個(gè)9)，幾乎全賴進(jìn)口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前年產(chǎn)0.5萬(wàn)噸，而中國(guó)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(dǎo)體強(qiáng)國(guó)韓國(guó)，品質(zhì)應(yīng)該還不錯(cuò)。不過(guò)，30%的制造設(shè)備還得進(jìn)口……

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

　　第二：晶圓

　　硅提純時(shí)需要旋轉(zhuǎn)，成品就長(zhǎng)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”。各位拍腦袋想想，以目前人類的技術(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(jī)，可以用非常精準(zhǔn)的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來(lái)。然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會(huì)被刻出很多溝槽，這套設(shè)備就叫刻蝕機(jī)。在溝槽里摻入磷元素，就得到了一堆N型半導(dǎo)體。

　　完成之后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機(jī)刻圖，用刻蝕機(jī)刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導(dǎo)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(dǎo)線和其他器件一點(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(tái)30噸計(jì)算機(jī)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(yùn)算性能自然就提高了。

　　據(jù)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(guó)了嘛?

　　這個(gè)問(wèn)題很有意思，答案出奇簡(jiǎn)單：錢!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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，賺了錢又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開(kāi)了。

　　說(shuō)個(gè)題外話，中國(guó)軍用芯片基本實(shí)現(xiàn)了自給自足，因?yàn)樵鄄挥?jì)較錢嘛!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(yuǎn)遠(yuǎn)高于小芯片，不過(guò)對(duì)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(shè)計(jì)與制造

　　用數(shù)以億計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)置不合理，就可能導(dǎo)致大片堵車。電子在芯片上跑來(lái)跑去，稍微有個(gè)PN結(jié)出問(wèn)題，電子同樣會(huì)堵車。這種精巧的線路設(shè)計(jì)，只有一種辦法可以檢驗(yàn)，那就是：用!大量大量的用!現(xiàn)在知道芯片成本的重要性了吧，因?yàn)槟悴粫?huì)多花錢去買一臺(tái)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?yàn)槿绱耍酒O(shè)計(jì)不光要燒錢，也需要時(shí)間沉淀，屬于“燒錢燒時(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(dú)立的公司，所以芯片公司有三類：設(shè)計(jì)制造都做、只做設(shè)計(jì)、只做制造。

　　半導(dǎo)體是臺(tái)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(guó)大陸和臺(tái)灣暫且分開(kāi)表述。

　　早期的設(shè)計(jì)制造都是一塊兒做的，最有名的：美國(guó)英特爾、韓國(guó)三星、日本東芝、意大利法國(guó)的意法半導(dǎo)體;中國(guó)大陸的：華潤(rùn)微電子、士蘭微;中國(guó)臺(tái)灣的：旺宏電子等。

　　外國(guó)、臺(tái)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的低端領(lǐng)域，手機(jī)、電腦這些高端芯片幾乎空白!

　　后來(lái)隨著芯片越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)與制造就分開(kāi)了，有些公司只設(shè)計(jì)，成了純粹的芯片設(shè)計(jì)公司。如，美國(guó)的高通、博通、AMD，中國(guó)臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科，大陸的華為海思、展訊等。

　　挨個(gè)點(diǎn)評(píng)幾句。

　　大名鼎鼎的高通就不多說(shuō)了，世界上一半手機(jī)裝的是高通芯片;博通是蘋(píng)果手機(jī)的芯片供應(yīng)商，手機(jī)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(guó)公司，世界霸主真不是吹的。

　　臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科走的中低端路線，手機(jī)芯片的市場(chǎng)份額排第三，很多國(guó)產(chǎn)手機(jī)都用，比如小米、OPPO、魅族。不過(guò)最近被高通干的有點(diǎn)慘，銷量連連下跌。

　　華為海思是最爭(zhēng)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(jī)用的麒麟芯片，市場(chǎng)份額隨著華為手機(jī)的增長(zhǎng)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(dāng)不錯(cuò)(這一波廣告，不收華為一分錢)。

　　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，硬著頭皮上，走的是低端路線。前段時(shí)間傳出了不少危機(jī)，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(shè)計(jì)企業(yè)，晨星半導(dǎo)體、聯(lián)詠科技、瑞昱半導(dǎo)體等，都是臺(tái)灣老大哥的子公司，產(chǎn)品應(yīng)用于電視、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，還挺滋潤(rùn)。

　　在大陸的芯片設(shè)計(jì)公司，臺(tái)灣頂住了大半邊天!

　　還有一類只制造、不設(shè)計(jì)的晶圓代工廠，這必須得先說(shuō)臺(tái)灣的臺(tái)積電。正是臺(tái)積電的出現(xiàn)，才把芯片的設(shè)計(jì)和制造分開(kāi)了。2017年臺(tái)積電包下了全世界晶圓代工業(yè)務(wù)的56%，規(guī)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(dǎo)體企業(yè)。

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

　　大陸最大的代工廠是中芯國(guó)際，還有上海華力微電子也還不錯(cuò)，但技術(shù)和規(guī)模都遠(yuǎn)不及臺(tái)灣。不過(guò)受制于臺(tái)灣詭譎的社會(huì)現(xiàn)狀，臺(tái)積電開(kāi)始布局大陸，落戶南京。這幾年臺(tái)資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢(shì)和當(dāng)年合資汽車有的一拼。

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

　　美國(guó)、韓國(guó)、臺(tái)灣已具備10nm的加工能力，最近幾個(gè)月臺(tái)積電剛剛上線了7nm工藝，穩(wěn)穩(wěn)壓過(guò)三星，首批客戶就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設(shè)計(jì)芯片，臺(tái)積電加工芯片。

　　說(shuō)真的，如果大陸能整合臺(tái)灣的半導(dǎo)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(jí)，土工追趕美帝的步伐至少輕松一半?，F(xiàn)在嘛，大陸任重而道遠(yuǎn)吶!

　　第四：核心設(shè)備

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

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

　　日本的尼康和佳能也做光刻機(jī)，但技術(shù)遠(yuǎn)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?zhǔn)俏ㄒ坏母叨斯饪虣C(jī)生產(chǎn)商，每臺(tái)售價(jià)至少1億美金，2017年只生產(chǎn)了12臺(tái)，2018年預(yù)計(jì)能產(chǎn)24臺(tái)，這些都已經(jīng)被臺(tái)積電三星英特爾搶完了，2019年預(yù)測(cè)有40臺(tái)，其中一臺(tái)是給咱們的中芯國(guó)際。

　　既然這么重要，咱不能多出點(diǎn)錢嗎?第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，臺(tái)積電有5%，三星有3%，有些時(shí)候吧，錢不是萬(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，中國(guó)、朝鮮、伊朗、利比亞均是被限制國(guó)家。

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

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

　　重要性僅次于光刻機(jī)的刻蝕機(jī)，中國(guó)的狀況要好很多，16nm刻蝕機(jī)已經(jīng)量產(chǎn)運(yùn)行，7-10nm刻蝕機(jī)也在路上了，所以美帝很貼心的解除了對(duì)中國(guó)刻蝕機(jī)的封鎖。

　　在晶圓上注入硼磷等元素要用到“離子注入機(jī)”，2017年8月終于有了第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)商用機(jī)，水平先不提了。離子注入機(jī)70%的市場(chǎng)份額是美國(guó)應(yīng)用材料公司的。涂感光材料得用“涂膠顯影機(jī)”，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(guó)陶氏等壟斷。

　　2015年至2020年，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)計(jì)劃投資650億美元，其中設(shè)備投資500億美元，再其中480億美元用于購(gòu)買進(jìn)口設(shè)備。

　　算下來(lái)，這幾年中國(guó)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(dǎo)體設(shè)備，中國(guó)，任無(wú)比重、道無(wú)比遠(yuǎn)啊!

　　第五：封測(cè)

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

　　封測(cè)又又又是臺(tái)灣老大哥的天下，排名世界第一的日月光，后面還跟著一堆實(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(cè)巨頭，長(zhǎng)電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯(cuò)，畢竟只是芯片產(chǎn)業(yè)的末端，技術(shù)含量不高。

　　中國(guó)芯

　　說(shuō)起中國(guó)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(zhǎng)陳進(jìn)教授從美國(guó)買回芯片，磨掉原有標(biāo)記，作為自主研發(fā)成果，騙取無(wú)數(shù)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(zhǎng)一段時(shí)間，科研圈談芯色變，嚴(yán)重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

　　硅原料、芯片設(shè)計(jì)、晶圓加工、封測(cè)，以及相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備，絕大部分領(lǐng)域中國(guó)還是處于“任重而道遠(yuǎn)”的狀態(tài)，那這種懵逼狀態(tài)還得持續(xù)多久呢?根據(jù)“燒錢燒時(shí)間”理論，掐指算算，大約是2030年吧!國(guó)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(jié)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，一批企業(yè)進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)，產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

　　當(dāng)前，中國(guó)芯片的總體水平差不多處在剛剛實(shí)現(xiàn)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(xí)慣性抱怨一下人類科技的幼稚。芯片，作為大伙削尖腦袋能達(dá)到的最高科技水準(zhǔn)，其基礎(chǔ)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(jì)算。再往大了說(shuō)，別看現(xiàn)在的技術(shù)紛繁復(fù)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(xù)燒嗎?1nm差不多就是幾個(gè)原子而已，量子效應(yīng)非常顯著，近似理論就不好使了，電子的行為更加難以預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體行業(yè)就得在這兒歇菜。

　　燒錢也好，燒時(shí)間也罷，燒到盡頭就是理論物理。基礎(chǔ)科學(xué)除了燒錢燒時(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(chǔ)科學(xué)在中國(guó)被忽視了五千多年，如今每年填報(bào)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(duì)，是呼吁更多孩子學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)吧!