要點

◎文老與山腳小學和尚

三角形代表二極管，箭頭的方向表示電流可以通過的方向，AB為輸入端，F(xiàn)為輸出端。

如果A不施加電壓，電流就會沿著A線流出，F(xiàn)端就沒有電壓；如果AB同時加電壓，電流會在二極管的另一端被阻斷，F(xiàn)端會有電壓。

假設有電壓為1，沒有電壓為0，那么只有同時從端子AB輸入1，端子F才會輸出1，稱為“與門電路”。

同理，如果電路改成這樣，只要AB輸入為1，F(xiàn)端就會輸出1，稱為“或門電路”:

現(xiàn)在有了這些基本邏輯門，離芯片也不遠了。你可以設計一個電路，它的作用是把一串1和0變成另一串1和0。

舉個簡單的例子，向第二和第四輸入端施加電壓相當于輸出0101。在特定電路之后，輸出端子可以變成1010，即，第一和第三輸出端子具有電壓。

讓我們玩一個稍微復雜一點的游戲:

左邊有8個輸入端，右邊有7個輸出端，每個輸出端對應一個發(fā)光管。從左邊輸入一系列信號:00000101，中間經(jīng)過一堆電路，讓右邊輸出另一系列信號:1011011。

1表示有電壓，0表示沒有電壓。如果有電壓，可以點亮對應的發(fā)光管，也就是七個發(fā)光管點亮五個，這樣就得到一個數(shù)字“5”，如上圖所示。

終于搞清楚數(shù)字是怎么顯示的了！

如果要加1+1，電路的復雜程度已經(jīng)超過了人智商的99%，就算是和尚自己遞出來的，設計電路的計算能力也比不上一個算盤。

直到有一天，有人用18000根管子，6000個開關，7000個電阻，10000個電容，500000根導線組成了一個超級復雜的電路，誕生了第一臺人類電腦，重達30噸，運算能力為5000次/秒，還不到現(xiàn)在手持計算器的十分之一。

我不知道工程師們?yōu)榱税惭b這一堆電路，腦子里抽筋過多少次。

接下來的思路很簡單，如何把這30噸的東西整合到一個釘子那么大的地方？這是芯片。

03

芯片制造與中國技術

為了減少30噸的計算電路，工程師們扔掉了所有多余的東西，直接在硅片上制作PN結和電路。先說硅片的制造工藝和國內的水平。

第一:硅

氯化這個東西，然后蒸餾，我們可以得到高純度的硅，并把它切成碎片，成為我們想要的硅片。硅的評價指標是純度。你想想，如果硅中有大量雜質，那么電子就不能在全軌道和空軌道之間平穩(wěn)運行。

太陽能級高純硅的要求是99.9999%。這玩意世界上有一大半是中國造的，早就當白菜價玩了。

芯片用電子級高純硅要求99.99999999%(不算，11個9)，幾乎全靠進口。直到2018年，江蘇新華公司才實現(xiàn)量產(chǎn)。目前年產(chǎn)量50萬噸，而中國每年進口15萬噸。

難得的是，新華的高純硅出口到半導體大國韓國，質量應該不錯。然而，30%的制造設備必須進口...

傳統(tǒng)的高純硅霸主依然是德國的威克和美國的鐵杉，中國的任仲任重任重道遠。

第二:晶圓

硅提純需要旋轉，成品是這樣的:

所以切片的硅片也是圓的，所以叫“晶圓”。這個詞不熟悉嗎？

切割后，數(shù)千個電路將被封裝在晶片上。這項工作被稱為“晶圓廠”。你拍著腦袋想，以現(xiàn)在人類的技術，怎么才能完成這個操作？

用原子操控？想多了，朋友！當你被訓練出御劍飛行時，人類可能無法操縱一個原子形成各種裝置。晶圓加工過程有點繁瑣。

首先在晶圓上涂一層感光材料，看到光就融化。光從哪里來？光刻機可以用非常精確的光線在感光材料上刻出圖案，使下面的晶片曝光。

然后，裸露的晶片將被等離子體和其他東西蝕刻。這個設備叫蝕刻機。通過將磷摻雜到溝槽中，獲得了一堆N型半導體。

完成后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機刻，用蝕刻機刻出凹槽，再撒上硼，即得P型半導體。

實際過程比較復雜，一般原理是這樣的。這有點像3D打印，電線和其他設備一層一層地打包在一起。

這個晶片上的小方塊就是芯片。芯片放大，電路成堆。這些電路并不比30噸的電腦好多少。底層是簡單的門電路。

只有使用更多的器件，才能形成更大的電路，運行性能自然提高。

據(jù)說這是一個與非門電路:

我問你一個問題:為什么不把芯片做大？不是可以多裝幾個電路嗎？表演不是趕上國外了嗎？

這個問題很有意思，答案出奇的簡單:錢！

一個300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做100個芯片，10nm工藝可以做210個芯片，價格便宜一半，競爭對手在市場上可以穩(wěn)扎穩(wěn)打，賺錢后可以做更多的R&D，從而拉大差距。

題外話，中國軍工芯片基本實現(xiàn)了自給自足，因為我們不在乎錢！可以把籌碼做大。

另外，硅片越大，遇到雜質的概率就越高，所以芯片越大，成品率就越低。一般來說，大芯片的成本要比小芯片高很多，但這對軍方來說不算什么。

不要把“龍芯”和“漢芯”混淆了

第三:設計和制造

芯片制作工藝，建議在wifi下觀看

用上億個器件組成這么龐大的電路，讓人頭皮發(fā)麻，所以芯片的設計極其重要，和材料技術一樣重要。

十字路口不合理的交通燈可能會導致大面積的交通堵塞。電子在芯片上跑來跑去，PN結有點小問題，電子也會堵車。

測試這個精致的電路設計只有一個方法，就是用！非常非常有用！

現(xiàn)在你知道芯片成本的重要性了，因為你不會花更多的錢去買一臺同樣性能的電腦，芯片公司沒有市場份額很容易陷入惡性循環(huán)。

正因為如此，芯片設計不僅需要燒錢，還需要時間沉淀，屬于“燒錢燒時間”的核心技術。

既然是核心技術，獨立公司自然會發(fā)展，所以芯片公司有三種:設計制造，只設計只制造。

半導體是臺灣為數(shù)不多的仍然領先于大陸的技術之一。基于臺灣海峽兩岸分治的事實，中國大陸和臺灣暫時分開陳述。

早期的設計和制造都是一起做的，最著名的有:美國的Intel，韓國的三星，日本的東芝，意大利和法國的意法半導體；中國大陸:華潤微電子、蘭斯微；中國臺灣:王鴻電子等。

國外，臺灣，大陸，最落后的是大陸。產(chǎn)品大多集中在家電、遙控器等低端領域。手機電腦等高端芯片幾乎空白色！

后來芯片越來越復雜，設計和制造分離，有的公司只做設計，變成純芯片設計公司。比如美國的高通、博通、AMD，臺灣的聯(lián)發(fā)科，大陸的華為海思、展訊等。

逐一點評幾句。

著名的高通就不多說了。全球一半的手機都配備了高通芯片；

博通是蘋果手機的芯片供應商，手機芯片第二名毫無懸念；

AMD和Intel基本上把電腦芯片打包了。

臺灣聯(lián)發(fā)科走低端路線，手機芯片市場份額排名第三。用的國產(chǎn)手機很多，小米，OPPO，魅族。但是高通最近做的有點慘，銷量一降再降。

華為海思康最有競爭力。大家肯定看了很多故事，不會開講。除了通信芯片，海思還生產(chǎn)手機用麒麟芯片，隨著華為手機的增長，其市場份額位列前五。個人覺得海思芯片的進步真的挺不錯的。

展訊是清華大學的校辦企業(yè)。是早期的大陸芯片企業(yè)。畢竟不能剃。是低端路線。前段時間有很多危機。后來又說是改變的開始。這并不容易，而且與世界巨人大不相同。

mainland China還有多家芯片設計企業(yè)，如晨星半導體、永璉科技、瑞宇半導體等。，都是臺灣老大哥的子公司。他們的產(chǎn)品用在電視、便攜電子產(chǎn)品等領域，相當滋潤。

還有一種只制造不設計的晶圓代工廠，首先要說的是臺灣TSMC。正是TSMC的出現(xiàn)把芯片的設計和制造分開了。

2017年，TSMC承包了全球56%的代工業(yè)務，規(guī)模和技術排名第一，市值甚至超過英特爾，成為全球第一半導體企業(yè)。

晶圓代工廠是臺灣的天下。除了TSMC，臺灣還有聯(lián)華電子、立晶半導體等等，連美韓都要靠邊站。

mainland China最大的代工廠是SMIC，上海華立微電子也不錯，但是技術和規(guī)模遠不如臺灣。

然而，由于臺灣神秘的社會形勢，TSMC開始布局大陸，定居南京。近年來，臺資和外資企業(yè)在mainland China瘋狂建造晶圓代工廠，與當年的合資汽車如出一轍。

mainland China的SMIC有一個28納米的工藝和一條14納米的生產(chǎn)線，但不幸的是它還沒有盈利。每個人都愿意把這份工作交給TSMC，它已經(jīng)贏得了全球28納米以下原始設備制造商業(yè)務的近70%。

美國、韓國、臺灣已經(jīng)有10納米的加工能力。最近幾個月，TSMC剛剛推出7納米工藝，穩(wěn)定了三星。第一個客戶是華為的麒麟980芯片。

這兩個哥們早就是老伙伴了。華為設計芯片，TSMC加工芯片。

說真的，如果大陸能夠整合臺灣的半導體產(chǎn)業(yè)，利用靈活的政策和巨大的市場推動其進一步升級，我們追趕美帝的步伐至少會輕松一半。

第四:核心設備

芯片產(chǎn)量取決于工廠的整體水平，但加工精度完全取決于核心設備，即前述的“光刻機”。

光刻機，荷蘭ASML公司風靡全球！不好意思，產(chǎn)量不高，慢慢等！

無論是TSMC、三星還是英特爾，誰先買阿斯瑪光刻機，誰就能率先擁有7納米工藝。沒辦法。太厲害了！

日本的尼康和佳能也做光刻機，但技術遠不如阿斯瑪。這幾年阿斯瑪一直找不到北，只能在低端市場搶份額。

Asme是唯一一家高端光刻機制造商，每臺價格至少1億美元。2017年只生產(chǎn)12臺，預計2018年生產(chǎn)24臺。所有這些機器都被TSMC、三星和英特爾搶走了。

預計2019年將有40臺，其中一臺用于SMIC。

既然這么重要，就不能多賺點錢嗎？

首先，英特爾擁有阿斯美15%的股份，TSMC擁有5%，三星擁有3%。有時候，錢不是萬能的。

第二，美帝立了瓦森納協(xié)議，敏感技術不能賣。

有趣的是，2009年上海微電子的90 nm光刻機研制成功(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上設備銷往中國。

后來，中國開始解決65納米光刻機的問題。2015年，美國皇帝允許65納米以上的設備出售給中國。后來，美帝開始失去對弟弟的控制，SMIC有機會找到了高端機。

但我們不必氣餒。我們可以用任何一家房地產(chǎn)公司輕松干掉阿斯邁。哦耶！

蝕刻機在重要性上僅次于光刻機，國內情況好很多。16納米的蝕刻機已經(jīng)量產(chǎn)，7-10納米的蝕刻機也在路上，于是美帝親密解除了對中國蝕刻機的封鎖。

在晶片上注入硼、磷和其他元素需要“離子注入機”。2017年8月，國內第一臺商用機終于面世，水平未提及。美國應用材料公司擁有離子注入機70%的市場份額。

用一臺“膠水顯影機”來涂布感光材料，日本東京電子公司占有90%的市場份額。就連光刻膠等輔助材料也幾乎被日本信越和美國陶氏所壟斷。

2015年至2020年，國內半導體行業(yè)計劃投資650億美元，其中設備投資500億美元，進口設備480億美元。

據(jù)計算，近年來，中國平均投資130億元，而英特爾在R&D的投資就超過了130億美元。

在半導體設備上，中國沒有比例，路還很遠！

第五:密封和測試

芯片完成后，必須從晶圓上切下，用導線連接，裝上外殼，順便測試，這就是所謂的密封測試。

封測是臺灣的天下，排名世界第一，緊隨其后的是一幫實力不錯的小弟:四平、歷城、南茂、新邦、靖遠電子。

大陸三大封裝測試巨頭長江電子科技、華天科技、同福微電子都做得不錯。畢竟他們只是芯片行業(yè)的末端，技術含量不高。

04

談談我們的中國核心

說到中國芯片，我們不得不提到“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了芯片，并磨掉了原有標記。由于獨立研發(fā)，他騙取了無數(shù)的資金和榮譽，消耗了大量的社會資源。不好的影響是空以前！于是，長期以來，研究界一直在談論核心色變，嚴重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

在硅原材料、芯片設計、晶圓加工、封裝測試、相關半導體設備等大部分領域，中國仍處于“任中任重道遠”的狀態(tài)。

這種強制狀態(tài)會持續(xù)多久？按照“燒錢燒時間”的理論，大概是2030年吧！

國務院發(fā)布的《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要》明確指出，到2030年，集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)將達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

目前，中國芯片的整體水平幾乎處于零突破階段。雖然市場份額很小，但是各個領域都有參與，前景可期。

05

芯片的極限在哪里

文末習慣性的抱怨人類科技的幼稚。

芯片作為每個人削尖腦袋都能達到的最高科技水平，它的基本能帶理論只是一個近似理論，電子的行為仍然無法精確計算。

更進一步說，現(xiàn)在的技術雖然復雜，但其實只是玩電子而已。至于其他幾百個粒子，完全不知道怎么玩！

芯片加工精度達到了7nm，雖然三星吹噓會燒到3nm，那又如何？

能不能一直燒？1nm幾乎只是幾個原子，量子效應非常顯著，所以近似理論不好，電子的行為更難預測，半導體行業(yè)不得不在這里停下吃飯。

燒錢，燒時間，燒到底是理論物理?；A科學除了燒錢燒時間，還要燒人，這是極其激烈的。100個智商高，99個是墊腳石！

工程師可以成為半僧侶，但物理學家必須經(jīng)過訓練?；A科學在中國被忽視了五千多年。現(xiàn)在沒有每年打游戲那么火了。

我們不能只考慮電子。為了用中微子，還是趕緊忽悠吧。哦，不，我們正在號召更多的孩子學習基礎科學。

你怎么想呢?歡迎大家一起留言~