虎嗅注：舊文重發(fā)。去年中美鬧得正歡時(shí)，關(guān)于芯片，這篇文章就曾廣為流傳。作為中文互聯(lián)網(wǎng)上相當(dāng)不錯(cuò)的面向小白的一篇芯片科普，本文略長(zhǎng)但文筆輕松愉快，適合閑暇時(shí)間閱讀。
本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)：老和山下的小學(xué)僧（ID：gh_586564bb7b66）
頭圖來(lái)自視覺(jué)中國(guó)。
芯片，以?xún)?chǔ)量最豐富成本最廉價(jià)的二氧化硅為原料，成就了這個(gè)星球的科技之巔，頒一枚最佳逆襲獎(jiǎng)，實(shí)至名歸！
在中國(guó)與外國(guó)這兩國(guó)的較量中，芯片常常引得眾人口水戰(zhàn)，究竟是中國(guó)已經(jīng)吊打外國(guó)，還是外國(guó)仍然摁著中國(guó)？今天咱就試著捅一捅這馬蜂窩。
核心技術(shù)到底是個(gè)啥
技術(shù)研發(fā)有三條鐵則：無(wú)論擱誰(shuí)，研發(fā)就是燒錢(qián)燒時(shí)間，這是根本；無(wú)論擱誰(shuí)，有需求或者認(rèn)為有需求才會(huì)投入研發(fā)，這是動(dòng)機(jī)；無(wú)論擱誰(shuí)，研發(fā)第一步必然是探究已有的同類(lèi)技術(shù)，俗稱(chēng)山寨。
把技術(shù)拆一拆，大概就這么幾樣?xùn)|西：設(shè)計(jì)、材料、生產(chǎn)設(shè)備，而設(shè)備本身也是設(shè)計(jì)和材料，所以歸根結(jié)底，技術(shù)可以籠統(tǒng)地說(shuō)成材料加設(shè)計(jì)。
結(jié)合這兩條，先看幾個(gè)例子。
比如，獨(dú)步武林的架橋機(jī)，把這臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)零件都拆了，每一個(gè)細(xì)節(jié)都抄下來(lái)，再燒幾個(gè)億試幾年錯(cuò)，“山寨”一臺(tái)架橋機(jī)對(duì)幾個(gè)工業(yè)大國(guó)來(lái)說(shuō)并不難。那為啥外國(guó)人不山寨呢？因?yàn)樾枨蟛淮?，燒出?lái)只能當(dāng)玩具。
再比如，美帝登月的土星五號(hào)火箭，至今無(wú)人超越，很多人因此就說(shuō)中國(guó)火箭落后美帝五十年。但是別忘了，咱們是和今天的美帝一起落后曾經(jīng)的美帝，這顯然有點(diǎn)說(shuō)不通。其實(shí)原因無(wú)比簡(jiǎn)單，當(dāng)年登月是政治需求，屬于沖動(dòng)消費(fèi)，完全是虧本買(mǎi)賣(mài)，有點(diǎn)像鄭和下西洋。后來(lái)需求沒(méi)了，土星五號(hào)也就跟著一塊消失了。
假設(shè)，咱們硬要山寨一臺(tái)土星五號(hào)有多大把握？若是像煮茶葉蛋那么搞，傾全國(guó)之力，不出2年，妥妥的。別抬杠，沒(méi)人再去埃及造金字塔，總不能說(shuō)現(xiàn)在的建筑水平不如古埃及吧？
中國(guó)有著這顆星球上最旺盛的基建需求、工業(yè)化需求、國(guó)防需求，由這些需求催生出的各種技術(shù)，只要不需燒太多時(shí)間的，甭管外國(guó)有沒(méi)有，甭管山寨還是原創(chuàng)，甭管投入有多大，基本全拿下了。
這類(lèi)由大投入大需求構(gòu)成的技術(shù)門(mén)檻，也能筑成實(shí)打?qū)嵉暮诵募夹g(shù)。只要你能造出別人造不了的東西，就算核心技術(shù)。于是，可以給中外兩國(guó)第一階段的較量下個(gè)結(jié)論：
如果把所有技術(shù)堆成一個(gè)金字塔，除了塔尖那一點(diǎn)之外，中國(guó)幾乎可以單挑整個(gè)外國(guó)，尤其在某些大需求大投入的領(lǐng)域更是完虐外國(guó)，如填海造島、高鐵、火箭振動(dòng)臺(tái)等。
那塔尖還剩了啥？當(dāng)然是需要燒很多時(shí)間的技術(shù)，塔尖的較量有些復(fù)雜，再舉例子。
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，工業(yè)皇冠上的明珠，說(shuō)的就是這玩意兒。如果葉片不夠結(jié)實(shí)，油門(mén)踩狠了就得散架(可看公眾號(hào)前文《材料之殤：難產(chǎn)中國(guó)心》)。
這怎么山寨呢？一塊材料拿到手，要測(cè)出其中的成分及比例，也就幾頓飯的功夫。進(jìn)一步，想要知道不同原子之間的排列規(guī)則，過(guò)程稍微復(fù)雜一點(diǎn)，但幾天下來(lái)基本也摸透了。
你以為這樣就山寨完成了嗎？不，這才開(kāi)始，你得找到一種讓不同原子按特定順序排列的方法，這過(guò)程完全兩眼一抹黑，要燒的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。這好比，番茄炒蛋的成分可以告訴你，但你做的菜就是沒(méi)我做的好吃。
這種由燒時(shí)間燒出來(lái)的技術(shù)門(mén)檻，也只能靠燒時(shí)間去慢慢追趕，這類(lèi)核心技術(shù)往往都是材料?？梢哉f(shuō)，任何牛逼設(shè)備，你拼命往細(xì)拆，最終發(fā)現(xiàn)都是材料技術(shù)。(當(dāng)然，也有特例，比如氫彈)
比如，作為“工業(yè)之母”的高端機(jī)床，咱基本和國(guó)足一個(gè)水平，只能仰望日本德國(guó)瑞士。最大的限制就是材料，高速加工時(shí)，主軸和軸承摩擦產(chǎn)生熱變形導(dǎo)致主軸抬升和傾斜，刀具磨損導(dǎo)致的誤差，等等，所以加工精度極高的活，咱們還是望“洋”興嘆。
材料技術(shù)有時(shí)還要點(diǎn)運(yùn)氣。金屬錸，這玩意兒和鎳混一混，做出的渦輪葉片吊炸天。錸的全球探明儲(chǔ)量大約2500噸，稀少程度排自然界第三，主要分布在歐美，這種戰(zhàn)略物資，妥妥被美帝禁運(yùn)。中國(guó)前幾年在陜西發(fā)現(xiàn)一個(gè)儲(chǔ)量176噸的錸礦，馬上拼了命燒錢(qián)，苦逼生活才有了起色。
金屬錸產(chǎn)量分布圖
稀土永磁體，就是用稀土做的磁鐵，能一直保持磁性，用處大大的。高品位稀土礦大多分布在中國(guó)，所以和“磁”相關(guān)的技術(shù)，很多是外國(guó)抱著中國(guó)大腿，美帝也不例外，比如磁約束核聚變、太空暗物質(zhì)探測(cè)等。
非線性光學(xué)晶體，中國(guó)在九十年代就已經(jīng)世界領(lǐng)先，并在十來(lái)年前對(duì)美帝實(shí)施了禁運(yùn)，2016年美帝終于打破中國(guó)技術(shù)封鎖，生產(chǎn)了第一塊KBBF晶體。不要懷疑本僧拿錯(cuò)了劇本，不然你以為中國(guó)的激光武器、光量子通信從哪里來(lái)的？
如果我們繼續(xù)羅列就會(huì)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用寬泛的材料，中國(guó)大多還是落后外國(guó)，而一些細(xì)分領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)逐步領(lǐng)先。呃，這么說(shuō)還是太籠統(tǒng)，咱來(lái)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
小盆友們坐端正，重點(diǎn)來(lái)了！這種關(guān)鍵核心材料，全球總共約130種。整個(gè)人類(lèi)的核心科技，某種程度上說(shuō)，指的就是這130種材料，其中32%國(guó)內(nèi)完全空白，52%依賴(lài)進(jìn)口，在高端機(jī)床、火箭、大飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等尖端領(lǐng)域比例更懸殊，零件雖然實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)，但生產(chǎn)零件的設(shè)備95%依賴(lài)進(jìn)口。
這串?dāng)?shù)據(jù)是在2018年的一次官方論壇上火起來(lái)的，但仔細(xì)考證了一下，應(yīng)該是工信部在2011年的調(diào)查報(bào)告，如今的情況據(jù)說(shuō)已經(jīng)大幅度改善。
說(shuō)則小道消息，就在前陣子，山上有位老僧去北京開(kāi)會(huì)，回來(lái)對(duì)本小僧一陣感嘆：這兔子怕是急眼了，居然要投****億在**、**領(lǐng)域，要求在*年內(nèi)達(dá)到****，而且還要****。本僧弱弱問(wèn)了句：能行嗎？老僧若有所思，良久，緩緩?fù)铝艘痪洌簳r(shí)間緊，任務(wù)重。
無(wú)論怎么說(shuō)，在塔尖的較量，中國(guó)雖然勢(shì)頭很猛，但仍明顯處于下風(fēng)。
好奇一下，這130種材料長(zhǎng)啥樣呢？巧了，工信部《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2017年版）》入選了六大類(lèi)材料，也是130種！里面好幾個(gè)都和芯片有關(guān)。
為了嚴(yán)謹(jǐn)點(diǎn)，這兒說(shuō)的核心技術(shù)，不包括和生物有關(guān)的技術(shù)，如醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等等。但凡和生物有關(guān)的，往往是另一回事！
舉個(gè)粒子，電影《藥神》里治療慢粒白血病的格列衛(wèi)，成份甲磺酸伊馬替尼，生產(chǎn)制造并不難，不然三哥也不會(huì)這么輕易做出仿制藥，難的是怎么知道甲磺酸伊馬替尼有這作用。
還有一些技術(shù)的門(mén)檻并非來(lái)自技術(shù)本身，比如：軟件。這幾乎是純?cè)O(shè)計(jì)類(lèi)技術(shù)，壓根用不到材料，為啥操作系統(tǒng)還是被人吊打？假設(shè)你的操作系統(tǒng)比安卓好十倍，但沒(méi)有人會(huì)用一臺(tái)沒(méi)有App的手機(jī)，為啥沒(méi)App??？對(duì)不起，沒(méi)有公司會(huì)為一個(gè)沒(méi)有用戶(hù)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)App。
這個(gè)死循環(huán)看明白了嗎？除非有一天谷歌不讓中國(guó)手機(jī)用安卓，那才是國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的春天。軟件的門(mén)檻經(jīng)常是來(lái)自于市場(chǎng)慣性。
繞的有點(diǎn)遠(yuǎn)了，芯片從一塊石頭練就霸王之軀，涉及的核心技術(shù)不是一般的多。為了便于小盆友理解，這話得從原理說(shuō)起。
芯片原理和量子力學(xué)
很多文盲覺(jué)得量子力學(xué)只是物理學(xué)家的數(shù)學(xué)游戲，沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值，呵呵，下面咱給計(jì)算機(jī)芯片尋個(gè)祖宗，請(qǐng)看示范：
導(dǎo)體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，小盆友們第一次被物理整懵的，怕是半導(dǎo)體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。
原子組成固體時(shí)，會(huì)有很多電子混到一起，但量子力學(xué)認(rèn)為，2個(gè)相同電子沒(méi)法待在一個(gè)軌道上，于是，為了讓這些電子不在一個(gè)軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個(gè)軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。在量子力學(xué)里，這種細(xì)軌道叫能級(jí)，擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。
有些寬軌道擠滿(mǎn)了電子，電子就沒(méi)法移動(dòng)，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動(dòng)。電子能移動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電，反過(guò)來(lái)，電子動(dòng)不了就不能導(dǎo)電。
好了，我們把事情說(shuō)得簡(jiǎn)單一點(diǎn)，不提“價(jià)帶、滿(mǎn)帶、禁帶、導(dǎo)帶”的概念，準(zhǔn)備圈重點(diǎn)！
有些滿(mǎn)軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費(fèi)力從滿(mǎn)軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動(dòng)，這就是導(dǎo)體。不過(guò)一價(jià)金屬的導(dǎo)電原理稍有不同，它的滿(mǎn)軌道原本就不太滿(mǎn)，所以電子不用跑到空軌道也能移動(dòng)。
但很多時(shí)候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過(guò)去的，表現(xiàn)為不導(dǎo)電。但如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個(gè)額外能量，也能跨到空軌道上，跨過(guò)去就能自由移動(dòng)，表現(xiàn)為導(dǎo)電。這種空隙寬度不超過(guò)5ev的固體，有時(shí)導(dǎo)電、有時(shí)不導(dǎo)電，所以叫半導(dǎo)體。
如果空隙超過(guò)5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過(guò)去的，這就是絕緣體。當(dāng)然，如果是能量足夠大的話，別說(shuō)5ev的空隙，50ev都照樣跑過(guò)去，比如高壓電擊穿空氣。
到這，由量子力學(xué)發(fā)展出的能帶理論就差不多成型了，能帶理論系統(tǒng)地解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的本質(zhì)區(qū)別，即，取決于滿(mǎn)軌道和空軌道之間的間隙。學(xué)術(shù)點(diǎn)說(shuō)，取決于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度。
這里有個(gè)問(wèn)題，一旦細(xì)軌道變少了，能不能擠成寬軌道就不好說(shuō)了，所以能帶理論本質(zhì)上是一個(gè)近似理論，不適用于少量原子組成的固體。
半導(dǎo)體離芯片原理還很遙遠(yuǎn)，別急。
很明顯，像導(dǎo)體這種直男沒(méi)啥可折騰的，所以導(dǎo)線到了今天仍然是，絕緣體的命運(yùn)也差不多。
半導(dǎo)體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，所以與電子設(shè)備相關(guān)的產(chǎn)業(yè)基本都屬于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，如芯片、雷達(dá)。
下面有點(diǎn)燒腦細(xì)胞。
基于一些簡(jiǎn)單的原因，科學(xué)家用硅作為半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。硅的外層有4個(gè)電子，假設(shè)某個(gè)固體由100個(gè)硅原子組成，那么它的滿(mǎn)軌道就擠滿(mǎn)了400個(gè)電子。這時(shí)，用10個(gè)硼原子取代其中10個(gè)硅原子，而硼這類(lèi)三價(jià)元素外層只有3個(gè)電子，所以這塊固體的滿(mǎn)軌道就有了10個(gè)空位。這就相當(dāng)于在擠滿(mǎn)人的公交車(chē)上騰出了幾個(gè)空位子，為電子的移動(dòng)提供了條件。這叫P型半導(dǎo)體。
同理，如果用10個(gè)磷原子取代10個(gè)硅原子，磷這類(lèi)五價(jià)元素外層有5個(gè)電子，因此滿(mǎn)軌道上反而又多出了10個(gè)電子。相當(dāng)于擠滿(mǎn)人的公交車(chē)外面又掛了10個(gè)人，這些人非常容易脫離公交車(chē)，這叫N型半導(dǎo)體。
現(xiàn)在把PN這兩種半導(dǎo)體面對(duì)面放一起會(huì)咋樣？不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場(chǎng)平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結(jié)”。(動(dòng)圖來(lái)自《科學(xué)網(wǎng)》張?jiān)频牟┪?
這時(shí)候再加個(gè)正向的電壓，N型半導(dǎo)體那些額外的電子就會(huì)源源不斷跑到P型半導(dǎo)體的空位上，電子的移動(dòng)就是電流，這時(shí)的PN結(jié)就是導(dǎo)電的。
如果加個(gè)反向的電壓呢？從P型半導(dǎo)體那里再抽電子到N型半導(dǎo)體，而N型早已掛滿(mǎn)了額外的電子，多出來(lái)的電子不斷增強(qiáng)電場(chǎng)，直至抵消外加的電壓，電子就不再繼續(xù)移動(dòng)，此時(shí)PN結(jié)就是不導(dǎo)電的。
當(dāng)然，實(shí)際上還是會(huì)有微弱的電子移動(dòng)，但和正向電流相比可忽略不計(jì)。
如果你已經(jīng)被整暈了，沒(méi)關(guān)系，用大白話總結(jié)一下：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>
好了，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了單向?qū)щ姷腜N結(jié)，然后呢？把PN結(jié)兩端接上導(dǎo)線，就是二極管：
有了二極管，隨手搭個(gè)電路：
三角形代表二極管，箭頭方向表示電流可通過(guò)的方向，AB是輸入端，F(xiàn)是輸出端。如果A不加電壓，電流就會(huì)順著A那條線流出，F(xiàn)端就沒(méi)了電壓；如果AB同時(shí)加電壓，電流就會(huì)被堵在二極管的另一頭，F(xiàn)端也就有了電壓。假設(shè)把有電壓看作1，沒(méi)電壓看作0，那么只有從AB端同時(shí)輸入1，F(xiàn)端才會(huì)輸出1，這就是“與門(mén)電路”。
同理，把電路改成這樣，那么只要AB有一個(gè)輸入1，F(xiàn)端就會(huì)輸出1，這叫“或門(mén)電路”：
現(xiàn)在有了這些基本的邏輯門(mén)電路，離芯片就不遠(yuǎn)了。你可以設(shè)計(jì)出一種電路，它的功能是，把一串1和0，變成另一串1和0。
一不小心，我們就得到了芯片運(yùn)算的本質(zhì)：把一串1,0，變成另一串1,0。
簡(jiǎn)單舉個(gè)例子，在左邊輸入1010，在右邊輸出0101，這就算完成了一次運(yùn)算。
我們來(lái)玩?zhèn)€稍微復(fù)雜一點(diǎn)的局：
左邊有8個(gè)輸入端，右邊有7個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光管，7個(gè)發(fā)光管組成一個(gè)數(shù)字顯示器。從左邊輸入一串信號(hào)：00000101，經(jīng)過(guò)中間一堆的電路，使得右邊輸出另一串信號(hào)：1011011。1代表有電壓，有電壓就可以點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的發(fā)光管，于是，就得到了一個(gè)數(shù)字“5”，如上圖所示。
終于，我們已經(jīng)搞定了數(shù)字是如何顯示的！如果你想進(jìn)行1+1的加法運(yùn)算，其電路的復(fù)雜程度就已經(jīng)超過(guò)了99%的人的智商了，即便本僧親自出手，設(shè)計(jì)的電路運(yùn)算能力也抵不過(guò)一副算盤(pán)。
直到有一天，有人用18000只電子管，6000個(gè)開(kāi)關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬(wàn)條線組成了一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的電路，誕生了人類(lèi)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，重達(dá)30噸，運(yùn)算能力5000次/秒，還不及現(xiàn)在手持計(jì)算器的十分之一。不知道當(dāng)時(shí)的工程師為了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。
接下來(lái)的思路就簡(jiǎn)單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那么大的地方上呢？這就是芯片。
芯片制造與中國(guó)技術(shù)
為了把30噸的運(yùn)算電路縮小，工程師們把能扔?xùn)|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)芯片的逆襲之路。
第一：硅
把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，就叫多晶硅吧，這種硅原子排列混亂，會(huì)影響電子運(yùn)動(dòng)，所以還得拉制成原子排列整齊的單晶硅，最后切成片就是我們想要的硅片。
硅的主要評(píng)判指標(biāo)是純度，你想想，如果硅原子之間有一堆雜質(zhì)，那電子就別想在滿(mǎn)軌道和空軌道之間跑順暢。
無(wú)論啥東西，純度越高制造難度越大。用于太陽(yáng)能發(fā)電的高純硅要求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(lài)進(jìn)口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，只是目前產(chǎn)量少的可憐，還不及進(jìn)口的一個(gè)零頭。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)該不錯(cuò)。不過(guò)，30%的制造設(shè)備還得進(jìn)口……
電子級(jí)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。把這圓柱切片后得到的硅片也是圓的，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(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)程相當(dāng)繁瑣，咱說(shuō)個(gè)大概輪廓，謝絕專(zhuān)業(yè)人士挑刺。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)，可以用非常精細(xì)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(lèi)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)。再用離子注入機(jī)在溝槽里摻入磷元素，加熱退火處理，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，用離子注入機(jī)撒上硼，就有了P型半導(dǎo)體。
整個(gè)過(guò)程有點(diǎn)像3D打印，把器件一點(diǎn)點(diǎn)一層層裝進(jìn)去。
這塊晶圓上的小方塊就是芯片，一塊晶圓可以做多個(gè)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(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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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，中國(guó)軍用芯片基本實(shí)現(xiàn)了自給自足，因?yàn)檐娪貌挥?jì)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(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。
其實(shí)除了成本之外，大芯片的布線比小芯片更長(zhǎng)，所以延時(shí)也更明顯，驅(qū)動(dòng)電流也大很多，由此導(dǎo)致整體設(shè)計(jì)更臃腫，性能上還是會(huì)吃虧。反正，小芯片就是比大芯片好用。
別把“龍芯”和“漢芯”混為一談
第三：架構(gòu)
用70億個(gè)晶體管在指甲蓋大小的地方組成電路，想想就頭皮發(fā)麻！一個(gè)路口紅綠燈設(shè)置不合理，就可能導(dǎo)致大片堵車(chē)。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(chē)。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。
這么復(fù)雜的設(shè)計(jì)，必須得先有個(gè)章法。七十年代，英特爾率先想出了一個(gè)好辦法：X86架構(gòu)。詳細(xì)內(nèi)容不提了，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這架構(gòu)雖然能耗高點(diǎn)、體積大點(diǎn)，但性能那是嗖嗖的，幾乎壟斷了電腦芯片市場(chǎng)，成就了如日中天的英特爾。
這相當(dāng)于，英特爾提出造汽車(chē)用4個(gè)輪子，以后其他人想造4個(gè)輪子的汽車(chē)，就得先付授權(quán)費(fèi)。這尼瑪怎么忍，隨后英國(guó)ARM公司提出了2個(gè)輪子的汽車(chē)方案：ARM架構(gòu)。
毫無(wú)疑問(wèn)，2個(gè)輪子肯定跑不過(guò)4個(gè)輪子，ARM架構(gòu)雖然省電小巧，但性能實(shí)在有點(diǎn)寒磣，于是一直被英特爾摁著打。ARM熬到了九十年代，終于熬不住了，決定不再生產(chǎn)芯片，而是將ARM架構(gòu)授權(quán)給其他公司生產(chǎn)，賺點(diǎn)授權(quán)費(fèi)，這才保住了一條命。
人算不如天算，進(jìn)入21世紀(jì)，智能手機(jī)橫空出世，芯片的能耗和體積一下成了關(guān)注點(diǎn)，于是ARM架構(gòu)一飛中天，幾乎壟斷了手機(jī)芯片。
小結(jié)一下：
X86架構(gòu)，能耗高、體積大、性能強(qiáng)。
ARM架構(gòu)，能耗低、體積小、性能弱。
于是，一個(gè)占了電腦，一個(gè)占了手機(jī)，直到今天，仍是主流設(shè)計(jì)方案。至于其他3個(gè)輪子或5個(gè)輪子的汽車(chē)，多多少少還是有些劣勢(shì)，沒(méi)有形成主流。
最近有新聞?wù)f，中國(guó)和ARM要成立中方控股的合資公司，ARM欲借此重回芯片制造商的角色，中方當(dāng)然走的還是市場(chǎng)換技術(shù)的路子。
決定汽車(chē)用幾個(gè)輪子，距離造出汽車(chē)還差得很遠(yuǎn)。有了基本架構(gòu)，后面的設(shè)計(jì)依然是漫漫長(zhǎng)征路，所以還得要有好工具，簡(jiǎn)稱(chēng)EDA軟件。
Synopsys，Cadence，Mentor，三巨頭幾乎壟斷了全球EDA市場(chǎng)，一水兒的美帝公司。直到最近，熬了三十年的華大九天終于露頭了，這家中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的二級(jí)公司，連續(xù)多年以50%的年增長(zhǎng)率狂追，算是站穩(wěn)了腳跟。
業(yè)界首創(chuàng)模擬電路異構(gòu)仿真系統(tǒng)Empyrean ALPS-GT
雖然借助EDA軟件的仿真功能可以判斷電路設(shè)計(jì)是否靠譜，但要真正驗(yàn)證這種精巧線路的靠譜程度，只有一種辦法，那就是：用！廣泛的用！長(zhǎng)久的用！正因?yàn)槿绱?，芯片設(shè)計(jì)不光要燒錢(qián)，也需要燒時(shí)間，屬于試錯(cuò)周期較長(zhǎng)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(lèi)：既設(shè)計(jì)又制造、只設(shè)計(jì)不制造、只制造不設(shè)計(jì)。
第四：設(shè)計(jì)制造
但凡要處理信息，基本都有芯片，包括通信芯片、服務(wù)器芯片、手機(jī)芯片、電腦芯片等等。早期的芯片復(fù)雜程度不算夸張，所以設(shè)計(jì)制造可以在同一家公司完成，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，早期的產(chǎn)品多集中在家電遙控器之類(lèi)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。
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，AMD和英特爾基本把電腦芯片包場(chǎng)了。電腦和手機(jī)是芯片市場(chǎng)的兩塊大蛋糕，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(xiāo)量連連下跌。
華為海思是最爭(zhēng)氣的，手機(jī)處理器芯片麒麟，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)。最近華為又推出了服務(wù)器芯片鯤鵬920，5G基站芯片天罡，5G基帶芯片巴龍5000，性能都是世界頂級(jí)的，隱隱看到了在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域崛起的勢(shì)頭。
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，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)灣頂住了小半邊天，另大半邊天原本是塌著的，現(xiàn)在華為算是撐住了。
還有一類(lèi)只制造、不設(shè)計(jì)的晶圓代工廠，這必須得先說(shuō)臺(tái)灣最大的企業(yè)：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(hù)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(chē)有的一拼。
大陸中芯國(guó)際的14nm生產(chǎn)線剛剛上路，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)站臺(tái)積電剛剛上線了7nm工藝，穩(wěn)穩(wěn)壓過(guò)三星，首批客戶(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(shè)計(jì)芯片，臺(tái)積電制造芯片。
說(shuō)真的，如果大陸能集成臺(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)，中國(guó)追趕外國(guó)的步伐至少輕松一半?，F(xiàn)在嘛，中國(guó)任重而道遠(yuǎn)吶！
第五：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(mǎi)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)侨蛭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，不過(guò)最近聽(tīng)說(shuō)莫名其妙被燒了，得延期交貨。
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(tái)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(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(xiāo)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(xiāo)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(xiāo)售額輕松秒殺阿斯麥，哦耶！
2018年底有則消息讓人驚出一身冷汗，最早中科院只是淡淡說(shuō)了句光刻項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收，然后鋪天蓋地的“中國(guó)光刻機(jī)終于翻身農(nóng)奴把歌唱”，鬧到最后連人民日?qǐng)?bào)都坐不住了，直接批“國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)自嗨文”誤導(dǎo)公眾，損壞中國(guó)科研形象。引一句原文：“這臺(tái)光刻機(jī)要想應(yīng)用于芯片，還要攻克一系列技術(shù)難題，距離還相當(dāng)遙遠(yuǎn)?！?/p>
相比于光刻機(jī)，中國(guó)的刻蝕機(jī)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。
不過(guò)離子注入機(jī)又寒磣了，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(mǎi)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！
第六：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：硅品、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。
小結(jié)
這全景圖大概描述了從硅片到芯片的全過(guò)程及中國(guó)的設(shè)備制造商，絕對(duì)是業(yè)內(nèi)專(zhuān)家所做，值得一看。
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(mǎi)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？有答案！
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。
從研發(fā)的過(guò)程來(lái)看，需求不缺，資金不缺，只要燒足了時(shí)間，沒(méi)理由燒不出芯片。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)份額不多，但每個(gè)領(lǐng)域都參了一腳，而且勢(shì)頭不錯(cuò)，前景還是可期待的。
極限
文末，習(xí)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(dá)到的最高科技水準(zhǔn)，作為其根基的能帶理論竟然只是個(gè)近似理論，電子行為仍然沒(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，頂多再加個(gè)光子，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，作為基石的能帶理論就不好使了，半導(dǎo)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。基礎(chǔ)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(chǔ)科學(xué)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！
