要點(diǎn)

◎文老與山腳小學(xué)和尚

三角形代表二極管，箭頭的方向表示電流可以通過(guò)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(huì)沿著A線流出，F(xiàn)端就沒(méi)有電壓；如果AB同時(shí)加電壓，電流會(huì)在二極管的另一端被阻斷，F(xiàn)端會(huì)有電壓。

假設(shè)有電壓為1，沒(méi)有電壓為0，那么只有同時(shí)從端子AB輸入1，端子F才會(huì)輸出1，稱為“與門電路”。

同理，電路換成這樣，只要AB輸入為1，F(xiàn)端就會(huì)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(yuǎn)了。你可以設(shè)計(jì)一個(gè)電路，它的作用是把一串1和0變成另一串1和0。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，向第二和第四輸入端施加電壓相當(dāng)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(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的游戲:

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。從左邊輸入一系列信號(hào):00000101，中間經(jīng)過(guò)一堆電路，讓右邊輸出另一系列信號(hào):1011011。

1表示有電壓，0表示沒(méi)有電壓。如果有電壓，可以點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的發(fā)光管，也就是七個(gè)發(fā)光管點(diǎn)亮五個(gè)，這樣就得到一個(gè)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(fù)雜程度已經(jīng)超過(guò)了人智商的99%，就算是和尚自己遞出來(lái)的，設(shè)計(jì)電路的計(jì)算能力也比不上一個(gè)算盤。

直到有一天，有人用18000根管子，6000個(gè)開(kāi)關(guān)，7000個(gè)電阻，10000個(gè)電容，500000根導(dǎo)線組成了一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的電路，誕生了第一臺(tái)人類電腦，重達(dá)30噸，運(yùn)算能力為5000次/秒，還不到現(xiàn)在手持計(jì)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(guò)多少次。

接下來(lái)的思路很簡(jiǎn)單，如何把這30噸的東西整合到一個(gè)釘子那么大的地方？這是芯片。

03

芯片制造與中國(guó)技術(shù)

為了減少30噸的計(jì)算電路，工程師們?nèi)拥袅怂卸嘤嗟臇|西，直接在硅片上制作PN結(jié)和電路。先說(shuō)硅片的制造工藝和國(guó)內(nèi)的水平。

第一:硅

氯化這個(gè)東西，然后蒸餾，這樣我們就可以得到高純度的硅，并把它切成我們想要的硅片。硅的評(píng)價(jià)指標(biāo)是純度。你想想，如果硅中有大量雜質(zhì)，那么電子就不能在全軌道和空軌道之間平穩(wěn)運(yùn)行。

太陽(yáng)能級(jí)高純硅的要求是99.9999%。這玩意世界上有一大半是中國(guó)造的，早就當(dāng)白菜價(jià)玩了。

芯片用電子級(jí)高純硅要求99.99999999%(不算，11個(gè)9)，幾乎全靠進(jìn)口。直到2018年，江蘇新華公司才實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。目前年產(chǎn)量50萬(wàn)噸，而中國(guó)每年進(jìn)口15萬(wàn)噸。

難得的是，新華的高純硅出口到半導(dǎo)體大國(guó)韓國(guó)，質(zhì)量應(yīng)該不錯(cuò)。然而，30%的制造設(shè)備必須進(jìn)口...

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

第二:晶圓

硅提純需要旋轉(zhuǎn)，成品是這樣的:

所以切片的硅片也是圓的，所以叫“晶圓”。這個(gè)詞不熟悉嗎？

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

用原子操控？想多了，朋友！當(dāng)你被訓(xùn)練出御劍飛行時(shí)，人類可能無(wú)法操縱一個(gè)原子形成各種裝置。晶圓加工過(guò)程有點(diǎn)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(lái)？光刻機(jī)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(gè)設(shè)備叫蝕刻機(jī)。通過(guò)將磷摻雜到溝槽中，獲得了一堆N型半導(dǎo)體。

完成后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機(jī)刻，用蝕刻機(jī)刻出凹槽，再撒上硼，即得P型半導(dǎo)體。

實(shí)際過(guò)程比較復(fù)雜，一般原理是這樣的。這有點(diǎn)像3D打印，電線和其他設(shè)備一層一層地打包在一起。

這個(gè)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(jiǎn)單的門電路。

只有使用更多的器件，才能形成更大的電路，運(yùn)行性能自然提高。

據(jù)說(shuō)這是一個(gè)與非門電路:

我問(wèn)你一個(gè)問(wèn)題:為什么不把芯片做大？不是可以多裝幾個(gè)電路嗎？表演不是趕上國(guó)外了嗎？

這個(gè)問(wèn)題很有意思，答案出奇的簡(jiǎn)單:錢！

一個(gè)300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做100個(gè)芯片，10nm工藝可以做210個(gè)芯片，價(jià)格便宜一半，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在市場(chǎng)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(guó)軍工芯片基本實(shí)現(xiàn)了自給自足，因?yàn)槲覀儾辉诤蹂X！可以把籌碼做大。

另外，硅片越大，遇到雜質(zhì)的概率就越高，所以芯片越大，成品率就越低。一般來(lái)說(shuō)，大芯片的成本要比小芯片高很多，但這對(duì)軍方來(lái)說(shuō)不算什么。

不要把“龍芯”和“漢芯”混淆了

第三:設(shè)計(jì)和制造

芯片制作工藝，建議在wifi下觀看

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

十字路口不合理的交通燈可能會(huì)導(dǎo)致大面積的交通堵塞。電子在芯片上跑來(lái)跑去，PN結(jié)有點(diǎn)小問(wèn)題，電子也會(huì)堵車。

測(cè)試這個(gè)精致的電路設(shè)計(jì)只有一個(gè)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?yàn)槟悴粫?huì)花更多的錢去買一臺(tái)同樣性能的電腦，芯片公司沒(méi)有市場(chǎng)份額很容易陷入惡性循環(huán)。

正因?yàn)槿绱?，芯片設(shè)計(jì)不僅需要燒錢，還需要時(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)，獨(dú)立公司自然會(huì)發(fā)展，所以芯片公司有三種:設(shè)計(jì)制造，只設(shè)計(jì)只制造。

半導(dǎo)體是臺(tái)灣為數(shù)不多的仍然領(lǐng)先于大陸的技術(shù)之一?；谂_(tái)灣海峽兩岸分治的事實(shí)，中國(guó)大陸和臺(tái)灣暫時(shí)分開(kāi)陳述。

早期的設(shè)計(jì)和制造都是一起做的，最著名的有:美國(guó)的Intel，韓國(guó)的三星，日本的東芝，意大利和法國(guó)的意法半導(dǎo)體；中國(guó)大陸:華潤(rùn)微電子、蘭斯微；中國(guó)臺(tái)灣:王鴻電子等。

國(guó)外，臺(tái)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(lǐng)域。手機(jī)電腦等高端芯片幾乎空白色！

后來(lái)芯片越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)和制造分離，有的公司只做設(shè)計(jì)，變成純芯片設(shè)計(jì)公司。比如美國(guó)的高通、博通、AMD，臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科，大陸的華為海思、展訊等。

逐一點(diǎn)評(píng)幾句。

著名的高通就不多說(shuō)了。全球一半的手機(jī)都配備了高通芯片；

博通是蘋果手機(jī)的芯片供應(yīng)商，手機(jī)芯片第二名毫無(wú)懸念；

AMD和Intel基本上把電腦芯片打包了。

臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科走低端路線，手機(jī)芯片市場(chǎng)份額排名第三。用的國(guó)產(chǎn)手機(jī)很多，小米，OPPO，魅族。但是高通最近做的有點(diǎn)慘，銷量一降再降。

華為海思康最有競(jìng)爭(zhēng)力。大家肯定看了很多故事，不會(huì)開(kāi)講。除了通信芯片，海思還生產(chǎn)手機(jī)用麒麟芯片，隨著華為手機(jī)的增長(zhǎng)，其市場(chǎng)份額位列前五。個(gè)人覺(jué)得海思芯片的進(jìn)步真的挺不錯(cuò)的。

展訊是清華大學(xué)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(shí)間有很多危機(jī)。后來(lái)又說(shuō)是改變的開(kāi)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(shè)計(jì)企業(yè)，如晨星半導(dǎo)體、永璉科技、瑞宇半導(dǎo)體等。，都是臺(tái)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(lǐng)域，相當(dāng)滋潤(rùn)。

還有一種只制造不設(shè)計(jì)的晶圓代工廠，首先要說(shuō)的是臺(tái)灣TSMC。正是TSMC的出現(xiàn)把芯片的設(shè)計(jì)和制造分開(kāi)了。

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

晶圓代工廠是臺(tái)灣的天下。除了TSMC，臺(tái)灣還有聯(lián)華電子、立晶半導(dǎo)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(cuò)，但是技術(shù)和規(guī)模遠(yuǎn)不如臺(tái)灣。

然而，由于臺(tái)灣神秘的社會(huì)形勢(shì)，TSMC開(kāi)始布局大陸，定居南京。近年來(lái)，臺(tái)資和外資企業(yè)在mainland China瘋狂建造晶圓代工廠，與當(dāng)年的合資汽車如出一轍。

mainland China的SMIC有一個(gè)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(méi)有盈利。每個(gè)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(shè)備制造商業(yè)務(wù)的近70%。

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

這兩個(gè)哥們?cè)缇褪抢匣锇榱恕ＨA為設(shè)計(jì)芯片，TSMC加工芯片。

說(shuō)真的，如果大陸能夠整合臺(tái)灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，利用靈活的政策和巨大的市場(chǎng)推動(dòng)其進(jìn)一步升級(jí)，我們追趕美帝的步伐至少會(huì)輕松一半。

第四:核心設(shè)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(shè)備，即前述的“光刻機(jī)”。

光刻機(jī)，荷蘭ASML公司風(fēng)靡全球！不好意思，產(chǎn)量不高，慢慢等！

無(wú)論是TSMC、三星還是英特爾，誰(shuí)先買阿斯瑪光刻機(jī)，誰(shuí)就能率先擁有7納米工藝。沒(méi)辦法。太厲害了！

日本的尼康和佳能也做光刻機(jī)，但技術(shù)遠(yuǎn)不如阿斯瑪。這幾年阿斯瑪一直找不到北，只能在低端市場(chǎng)搶份額。

Asme是唯一一家高端光刻機(jī)制造商，每臺(tái)價(jià)格至少1億美元。2017年只生產(chǎn)12臺(tái)，預(yù)計(jì)2018年生產(chǎn)24臺(tái)。所有這些機(jī)器都被TSMC、三星和英特爾搶走了。

預(yù)計(jì)2019年將有40臺(tái)，其中一臺(tái)用于SMIC。

既然這么重要，就不能多賺點(diǎn)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(shí)候，錢不是萬(wàn)能的。

第二，美帝立了瓦森納協(xié)議，敏感技術(shù)不能賣。

有趣的是，2009年上海微電子的90 nm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)備銷往中國(guó)。

后來(lái)，中國(guó)開(kāi)始解決65納米光刻機(jī)的問(wèn)題。2015年，美國(guó)皇帝允許65納米以上的設(shè)備出售給中國(guó)。后來(lái)，美帝開(kāi)始失去對(duì)弟弟的控制，SMIC有機(jī)會(huì)找到了高端機(jī)。

但我們不必氣餒。任何一家房地產(chǎn)公司都可以在銷售上輕松干掉阿斯邁。哦，耶！

蝕刻機(jī)在重要性上僅次于光刻機(jī)，國(guó)內(nèi)情況好很多。16納米的蝕刻機(jī)已經(jīng)量產(chǎn)，7-10納米的蝕刻機(jī)也在路上，于是美帝親密解除了對(duì)中國(guó)蝕刻機(jī)的封鎖。

在晶片上注入硼、磷和其他元素需要“離子注入機(jī)”。2017年8月，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)商用機(jī)終于面世，水平未提及。美國(guó)應(yīng)用材料公司擁有離子注入機(jī)70%的市場(chǎng)份額。

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

2015年至2020年，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)計(jì)劃投資650億美元，其中設(shè)備投資500億美元，進(jìn)口設(shè)備480億美元。

據(jù)計(jì)算，近年來(lái)，中國(guó)平均投資130億元，而英特爾在R&D的投資就超過(guò)了130億美元。

在半導(dǎo)體設(shè)備上，中國(guó)沒(méi)有比例，路還很遠(yuǎn)！

第五:密封和測(cè)試

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

封測(cè)是臺(tái)灣的天下，排名世界第一，緊隨其后的是一幫實(shí)力不錯(cuò)的小弟:四平、歷城、南茂、新邦、靖遠(yuǎn)電子。

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

04

談?wù)勎覀兊闹袊?guó)核心

說(shuō)到中國(guó)芯片，我們不得不提到“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)買回了芯片，并磨掉了原有標(biāo)記。由于獨(dú)立研發(fā)，他騙取了無(wú)數(shù)的資金和榮譽(yù)，消耗了大量的社會(huì)資源。不好的影響是空以前！于是，長(zhǎng)期以來(lái)，研究界一直在談?wù)摵诵纳?，?yán)重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

在硅原材料、芯片設(shè)計(jì)、晶圓加工、封裝測(cè)試、相關(guān)半導(dǎo)體設(shè)備等大部分領(lǐng)域，中國(guó)仍處于“任中任重道遠(yuǎn)”的狀態(tài)。

這種強(qiáng)制狀態(tài)會(huì)持續(xù)多久？按照“燒錢燒時(shí)間”的理論，大概是2030年吧！

國(guó)務(wù)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(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。

目前，中國(guó)芯片的整體水平幾乎處于零突破階段。雖然市場(chǎng)份額很小，但是各個(gè)領(lǐng)域都有參與，前景可期。

05

芯片的極限在哪里

文末習(xí)慣性的抱怨人類科技的幼稚。

芯片作為每個(gè)人削尖腦袋都能達(dá)到的最高科技水平，它的基本能帶理論只是一個(gè)近似理論，電子的行為仍然無(wú)法精確計(jì)算。

更進(jìn)一步說(shuō)，現(xiàn)在的技術(shù)雖然復(fù)雜，但其實(shí)只是玩電子而已。至于其他幾百個(gè)粒子，完全不知道怎么玩！

芯片加工精度達(dá)到了7nm，雖然三星吹噓會(huì)燒到3nm，那又如何？

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

燒錢，燒時(shí)間，燒到底是理論物理。基礎(chǔ)科學(xué)除了燒錢燒時(shí)間，還要燒人，這是極其激烈的。100個(gè)智商高，99個(gè)是墊腳石！

工程師可以成為半僧侶，但物理學(xué)家必須經(jīng)過(guò)訓(xùn)練?；A(chǔ)科學(xué)在中國(guó)被忽視了五千多年?，F(xiàn)在沒(méi)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(hào)召更多的孩子學(xué)習(xí)基礎(chǔ)科學(xué)。

你怎么想呢?歡迎大家一起留言~