芯片制造與中國技術

　　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)，說說芯片的制作過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，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

　　太陽能級高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產的，早被玩成了白菜價。芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數(shù)了，11個9)，幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現(xiàn)量產，目前年產0.5萬噸，而中國一年進口15萬噸。

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

　　高純硅的傳統(tǒng)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

　　硅提純時需要旋轉，成品就長這樣：

　　所以切片后的硅片也是圓的，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經有點耳熟了?

　　切好之后，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想，以目前人類的技術，怎樣才能完成這種操作?

　　用原子操縱術?想多了，朋友!等你練成御劍飛行的時候，人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。

　　首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪里來?光刻機，可以用非常精準的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來。然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，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。

　　實際過程更加繁瑣，大致原理就是這么回事。有點像3D打印，把導線和其他器件一點點一層層裝進去。

　　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，最底層都是簡單的門電路。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(jù)說這就是一個與非門電路：

　　提個問題：為啥不把芯片做的更大一點呢?這樣不就可以安裝更多電路了嗎?性能不就趕上外國了嘛?

　　這個問題很有意思，答案出奇簡單：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，于是價格就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開了。

　　說個題外話，中國軍用芯片基本實現(xiàn)了自給自足，因為咱不計較錢嘛!可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到雜質的概率越大，所以芯片越大良品率越低。總的來說，大芯片的成本遠遠高于小芯片，不過對軍方來說，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(shù)以億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相提并論的地步。

　　一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結出問題，電子同樣會堵車。這種精巧的線路設計，只有一種辦法可以檢驗，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，因為你不會多花錢去買一臺性能相同的電腦，而芯片企業(yè)沒了市場份額，很容易陷入惡性循環(huán)。

　　正因為如此，芯片設計不光要燒錢，也需要時間沉淀，屬于“燒錢燒時間”的核心技術。既然是核心技術，自然就會發(fā)展出獨立的公司，所以芯片公司有三類：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先大陸的技術了，基于兩岸實質上的分治狀態(tài)，所以中國大陸和臺灣暫且分開表述。

　　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，產品多集中在家電遙控器之類的低端領域，手機、電腦這些高端芯片幾乎空白!

　　后來隨著芯片越來越復雜，設計與制造就分開了，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。

　　挨個點評幾句。

　　大名鼎鼎的高通就不多說了，世界上一半手機裝的是高通芯片;博通是蘋果手機的芯片供應商，手機芯片排第二毫無懸念;AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。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，手機芯片的市場份額排第三，很多國產手機都用，比如小米、OPPO、魅族。不過最近被高通干的有點慘，銷量連連下跌。

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

　　展訊是清華大學的校辦企業(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。前段時間傳出了不少危機，后來又說是變革的開始，過的很不容易，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，產品應用于電視、便攜式電子產品等領域，還挺滋潤。

　　在大陸的芯片設計公司，臺灣頂住了大半邊天!

　　還有一類只制造、不設計的晶圓代工廠，這必須得先說臺灣的臺積電。正是臺積電的出現(xiàn)，才把芯片的設計和制造分開了。2017年臺積電包下了全世界晶圓代工業(yè)務的56%，規(guī)模和技術均列全球第一，市值甚至超過了英特爾，成為全球第一半導體企業(yè)。

　　晶圓代工廠又是臺灣老大哥的天下，除了臺積電這個巨無霸，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。

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

　　大陸的中芯國際具備28nm工藝，14nm的生產線也在路上，可惜還沒盈利。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。

　　美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力，最近幾個月臺積電剛剛上線了7nm工藝，穩(wěn)穩(wěn)壓過三星，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，華為設計芯片，臺積電加工芯片。

　　說真的，如果大陸能整合臺灣的半導體產業(yè)，并利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，土工追趕美帝的步伐至少輕松一半。現(xiàn)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，產量還不高，你們慢慢等著吧!無論是臺積電、三星，還是英特爾，誰先買到阿斯麥的光刻機，誰就能率先具備7nm工藝。沒辦法，就是這么強大!

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

　　阿斯麥是唯一的高端光刻機生產商，每臺售價至少1億美金，2017年只生產了12臺，2018年預計能產24臺，這些都已經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，咱不能多出點錢嗎?第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，臺積電有5%，三星有3%，有些時候吧，錢不是萬能的。第二，美帝整了個《瓦森納協(xié)定》，敏感技術不能賣，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(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上設備銷售給中國，后來中國開始攻關65nm光刻機，2015年美帝允許65nm以上設備銷售給中國，再后來美帝開始管不住小弟了，中芯國際才有機會去撿漏一臺高端機。

　　不過咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產公司，銷售額輕松秒殺阿斯麥，哦耶!

　　重要性僅次于光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經量產運行，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商用機，水平先不提了。離子注入機70%的市場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480億美元用于購買進口設備。

　　算下來，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130億美元。

　　論半導體設備，中國，任無比重、道無比遠啊!

　　第五：封測

　　芯片做好后，得從晶圓上切下來，接上導線，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，后面還跟著一堆實力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元電子。

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

　　中國芯

　　說起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學微電子學院院長陳進教授從美國買回芯片，磨掉原有標記，作為自主研發(fā)成果，騙取無數(shù)資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空前!以致于很長一段時間，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，以及相關的半導體設備，絕大部分領域中國還是處于“任重而道遠”的狀態(tài)，那這種懵逼狀態(tài)還得持續(xù)多久呢?根據(jù)“燒錢燒時間”理論，掐指算算，大約是2030年吧!國務院印發(fā)的《集成電路產業(yè)發(fā)展綱要》明確提出，2030年集成電路產業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，產業(yè)實現(xiàn)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現(xiàn)零突破的階段，雖然市場份額微乎其微，但每個領域都參了一腳，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近似理論，電子的行為仍然沒法精確計算。再往大了說，別看現(xiàn)在的技術紛繁復雜，其實就是玩玩電子而已，至于其他幾百種粒子，還完全不知道怎么玩!

　　芯片加工精度已經到了7nm，雖然三星吹牛說要燒到3nm，可那又如何?你還能繼續(xù)燒嗎?1nm差不多就是幾個原子而已，量子效應非常顯著，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。

　　燒錢也好，燒時間也罷，燒到盡頭就是理論物理。基礎科學除了燒錢燒時間，還得燒人，燒的異常慘烈，100個高智商，99個都是墊腳石!工程師可以半道出家，但物理學家必須科班出身，基礎科學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，咱趕緊忽悠，哎，不對，是呼吁更多孩子學基礎科學吧!