本文來(lái)自微信公眾號(hào)：老和山下的小學(xué)僧，原文標(biāo)題：《點(diǎn)沙成金：半導(dǎo)體芯片》。
在中國(guó)和“外國(guó)”這兩國(guó)的較量中，究竟哪一國(guó)更占上風(fēng)？有說(shuō)中國(guó)吊打外國(guó)，有說(shuō)外國(guó)輕松把中國(guó)摁在地上摩擦，雙方都列舉了林林總總的例子，整得吃瓜群眾一臉懵逼。當(dāng)然，中間派肯定說(shuō)兩國(guó)各有利弊，但這結(jié)論雖然正確卻沒(méi)啥營(yíng)養(yǎng)。想要在中外兩國(guó)這個(gè)話題上顯得有見(jiàn)識(shí)，得先搞明白啥是技術(shù)？
核心技術(shù)到底是個(gè)啥？
把技術(shù)分分類，第一類姑且叫“可山寨技術(shù)”，或者叫“純燒錢技術(shù)”，有人喜歡往左邊燒，有人喜歡往右邊燒，于是就燒出了不同的應(yīng)用技術(shù)。這本質(zhì)上是用舊技術(shù)集成出新玩意兒，比如，美帝登月的土星五號(hào)，土工的跨海大橋，小胡子的鼠式坦克，甚至包括中國(guó)長(zhǎng)城和埃及金字塔。打個(gè)比方，這有點(diǎn)像吉尼斯紀(jì)錄：最長(zhǎng)的頭發(fā)，最長(zhǎng)的指甲，等等……這類東西，只要錢到位，擱誰(shuí)都燒的出，關(guān)鍵看有沒(méi)有需求，所以這些也可以叫應(yīng)用技術(shù)。
比如這種架橋機(jī)，幾個(gè)工業(yè)大國(guó)都能搞，但搞出來(lái)只能當(dāng)玩具，只有土工搞出來(lái)才賺錢。
土工發(fā)家后，迸發(fā)出海量需求，推動(dòng)各種燒錢的應(yīng)用技術(shù)井噴，賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細(xì)節(jié)，于是，可以不吹牛的說(shuō)，中國(guó)的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)和整個(gè)外國(guó)平起平坐。
第二類技術(shù)暫且叫“不可山寨技術(shù)”，或者叫“燒錢燒時(shí)間技術(shù)”，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)。
做材料和做菜差不多，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，這就是核心技術(shù)。 除了生物醫(yī)學(xué)之外，核心技術(shù)說(shuō)到底就是材料技術(shù)。看一串例子：
發(fā)動(dòng)機(jī)，工業(yè)皇冠上的明珠，是土工最遭人詬病的短板。其核心技術(shù)說(shuō)白了就是渦輪葉片不夠結(jié)實(shí)，油門踩狠了就得散架，無(wú)論是航天發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，只要帶個(gè)“機(jī)”字，土工腰桿都有點(diǎn)軟(可翻看前文《材料之殤：難產(chǎn)中國(guó)心》)。
材料技術(shù)除了燒錢、燒時(shí)間，有時(shí)還要點(diǎn)運(yùn)氣。還是以發(fā)動(dòng)機(jī)為例：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，主要分布在歐美，70%用來(lái)做發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，這種戰(zhàn)略物資，妥妥被美帝禁運(yùn)。前幾年在陜西發(fā)現(xiàn)一個(gè)儲(chǔ)量176噸的錸礦，可把土工樂(lè)的，馬上拼了老命燒錢，這幾年苦逼生活才有了起色。
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)，土工比美帝還能嘚瑟，比如核聚變、太空暗物質(zhì)探測(cè)等。據(jù)說(shuō)，土工前幾年也對(duì)美帝禁運(yùn)，逼得美帝拿錸交換，外加陜西安徽刨出來(lái)的那點(diǎn)錸，J20的發(fā)動(dòng)機(jī)才算有些眉目。
作為“工業(yè)之母”的高端機(jī)床，土工基本和男國(guó)足一個(gè)水平，只能仰望日本德國(guó)瑞士。材料是最大的限制之一，比如，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，還有刀具磨損，等等，所以對(duì)加工精度要求極高的活，土工還是望“洋”興嘆。
光學(xué)晶體，土工的部分產(chǎn)品還能對(duì)美帝實(shí)施禁運(yùn)，所以和光相關(guān)的技術(shù)都不弱，比如激光武器、量子通信。氣動(dòng)外形，得益于錢學(xué)森那輩人的積淀，與之相關(guān)的技術(shù)也是杠杠的。
如果我們繼續(xù)羅列，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用寬泛的基礎(chǔ)性材料，中國(guó)還是落后外國(guó)，應(yīng)用相對(duì)較窄的細(xì)分領(lǐng)域，中國(guó)逐漸領(lǐng)跑。
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，也就是說(shuō)，只要你有了這130種材料，就可以組裝出世界上已有的任何設(shè)備，進(jìn)而生產(chǎn)出已有的任何東西。
人類的核心科技，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%依賴進(jìn)口。這些可不是陳芝麻爛谷子的事情，而是工信部2018年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)，還新鮮著呢。
核心材料技術(shù)，說(shuō)一句“外國(guó)仍把中國(guó)摁在地上”，一點(diǎn)都不過(guò)分。這其實(shí)很容易理解，畢竟發(fā)家時(shí)間不長(zhǎng)，而材料技術(shù)不但要燒錢，更要燒時(shí)間。
這里得強(qiáng)調(diào)一下，應(yīng)用技術(shù)并不比核心技術(shù)不重要，它需要資金、需求和社會(huì)實(shí)際情況的結(jié)合，雖然外國(guó)有能力燒，但也許一輩子都沒(méi)機(jī)會(huì)燒。這兒肯定有人抬杠了：人家只是不愿意燒，不然分分鐘秒殺你！呵呵，如果強(qiáng)行燒錢，后果參照老毛子。
磨嘰半天，該回正題了，半導(dǎo)體芯片之所以難，是因?yàn)樗坏婕昂Ａ繜X的應(yīng)用技術(shù)，還有眾多燒錢燒時(shí)間的材料技術(shù)。為了便于理解，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)只是一個(gè)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)有很多相同的電子混到一起，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。這種由很多細(xì)軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。
有些寬軌道擠滿了電子，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、滿帶、禁帶、導(dǎo)帶”的概念，準(zhǔn)備圈重點(diǎn)！
有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費(fèi)力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動(dòng)，這就是導(dǎo)體。一價(jià)金屬的導(dǎo)電原理稍有不同。
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，也就不導(dǎo)電了。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)，也就是導(dǎo)電。這種空隙寬度不超過(guò)5ev的固體，有時(shí)能導(dǎo)電有時(shí)不能導(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。
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，技術(shù)上沒(méi)有任何進(jìn)展，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，那么它的滿軌道就擠滿了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，而硼這類三價(jià)元素外層只有3個(gè)電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個(gè)空位。這就相當(dāng)于在擠滿人的公交車上騰出了幾個(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，磷這類五價(jià)元素外層有5個(gè)電子，因此滿軌道上反而又多出了10個(gè)電子。相當(dāng)于擠滿人的公交車外面又掛了10個(gè)人，這些人非常容易脫離公交車，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?/strong>
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“或門電路”：
現(xiàn)在有了這些基本的邏輯門電路，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。
簡(jiǎn)單舉個(gè)例子，給第二個(gè)和第四個(gè)輸入端加電壓，相當(dāng)于輸出0101，經(jīng)過(guò)特定的電路，輸出端可以變成1010，即第一個(gè)和第三個(gè)輸出端有電壓。
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。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，0代表無(wú)電壓，有電壓就可以點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的發(fā)光管，即7個(gè)發(fā)光管點(diǎn)亮了5個(gè)，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)電路的運(yùn)算能力也抵不過(guò)一副算盤。
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。
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)。
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。總的來(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
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)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)，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(yuǎn)吶！
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！
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：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。
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！
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：老和山下的小學(xué)僧。
