点沙成金:半导体芯片(转载)
作者：老和山下的小学僧
来源：老和山下的小学僧
在中国和“外国”这两国的较量中，究竟哪一国更占上风？有说中国吊打外国，有说外国轻松把中国摁在地上摩擦，双方都列举了林林总总的例子，整得我们吃瓜群众一脸懵逼。当然，中间派肯定说两国各有利弊，但这结论虽然正确却没啥营养。想要在中外两国这个话题上显得有见识，得先搞明白啥是技术？
核心技术到底是个啥？
把技术分分类，第一类姑且叫“可山寨技术”，或者叫“纯烧钱技术”，有人喜欢往左边烧，有人喜欢往右边烧，于是就烧出了不同的应用技术。这本质上是用旧技术整合出新玩意儿，比如，美帝登月的土星五号，土工的跨海大桥，小胡子的鼠式坦克，甚至包括中国长城和埃及金字塔。打个比方，这有点像吉尼斯纪录：最长的头发，最长的指甲，等等……这类东西，只要钱到位，搁谁都烧的出，关键看有没有需求，所以这些也可以叫应用技术。
比如这种架桥机，几个工业大国都能搞，但搞出来只能当玩具，只有土工搞出来才赚钱。
土工发家后，迸发出海量需求，推动各种烧钱的应用技术井喷，赚了钱又可以孜孜不倦地完善各种细节，于是，可以不吹牛的说，中国的应用技术已经和整个外国平起平坐。
第二类技术暂且叫“不可山寨技术”，或者叫“烧钱烧时间技术”，任何牛逼设备，你拼命往细拆，最终发现都是材料技术。
做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的成分可以告诉你，但你做的菜就是没我做的好吃，这就是核心技术。 除了生物医学之外，核心技术说到底就是材料技术。看一串例子：
发动机，工业皇冠上的明珠，是土工最遭人诟病的短板。其核心技术说白了就是涡轮叶片不够结实，油门踩狠了就得散架，无论是航天发动机、航空发动机、燃气轮机，只要带个“机”字，土工腰杆都有点软(可翻看前文《材料之殇：难产中国心》)。
材料技术除了烧钱、烧时间，有时还要点运气。还是以发动机为例：金属铼，这玩意儿和镍混一混，做出的涡轮叶片吊炸天，铼的全球探明储量大约2500吨，主要分布在欧美，70%用来做发动机涡轮叶片，这种战略物资，妥妥被美帝禁运。前几年在陕西发现一个储量176吨的铼矿，可把土工乐的，马上拼了老命烧钱，这几年苦逼生活才有了起色。
稀土永磁体，就是用稀土做的磁铁，能一直保持磁性，用处大大的。高品位稀土矿大多分布在中国，所以和“磁”相关的技术，土工比美帝还能嘚瑟，比如核聚变、太空暗物质探测等。据说，土工前几年也对美帝禁运，逼得美帝拿铼交换，外加陕西安徽刨出来的那点铼，J20的发动机才算有些眉目。
作为“工业之母”的高端机床，土工基本和男国足一个水平，只能仰望日本德国瑞士。材料是最大的限制之一，比如，高速加工时，主轴和轴承摩擦产生热变形，导致主轴抬升和倾斜，还有刀具磨损，等等，所以对加工精度要求极高的活，土工还是望“洋”兴叹。
光学晶体，土工的部分产品还能对美帝实施禁运，所以和光相关的技术都不弱，比如激光武器、量子通信。气动外形，得益于钱学森那辈人的积淀，与之相关的技术也是杠杠的。
如果我们继续罗列，就会发现，应用宽泛的基础性材料，中国还是落后外国，应用相对较窄的细分领域，中国逐渐领跑。
小盆友们坐端正，重点来了！这种关键核心材料，全球总共约130种，也就是说，只要你有了这130种材料，就可以组装出世界上已有的任何设备，进而生产出已有的任何东西。
人类的核心科技，某种程度上说，指的就是这130种材料，其中32%国内完全空白，52%依赖进口，在高端机床、火箭、大飞机、发动机等尖端领域比例更悬殊，零件虽然实现了国产，但生产零件的设备95%依赖进口。这些可不是陈芝麻烂谷子的事情，而是工信部2018年7月发布的数据，还新鲜着呢。
核心材料技术，说一句“外国仍把中国摁在地上”，一点都不过分。这其实很容易理解，毕竟发家时间不长，而材料技术不但要烧钱，更要烧时间。
这里得强调一下，应用技术并不比核心技术不重要，它需要资金、需求和社会实际情况的结合，虽然外国有能力烧，但也许一辈子都没机会烧。这儿肯定有人抬杠了：人家只是不愿意烧，不然分分钟秒杀你！呵呵，如果强行烧钱，后果参照老毛子。
磨叽半天，该回正题了，半导体芯片之所以难，是因为它不但涉及海量烧钱的应用技术，还有众多烧钱烧时间的材料技术。为了便于小盆友理解，这话得从原理说起。
芯片原理和量子力学
很多文盲觉得量子力学只是一个数学游戏，没有应用价值，呵呵，下面咱给计算机芯片寻个祖宗，请看示范：
导体，咱能理解，绝缘体，咱也能理解，小盆友们第一次被物理整懵的，怕是半导体了，所以先替各位的物理老师把这债还上。
原子组成固体时，会有很多相同的电子混到一起，但量子力学认为，2个相同电子没法待在一个轨道上，于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。这种由很多细轨道挤在一起变成的宽轨道就叫能带。
有些宽轨道挤满了电子，电子就没法移动，有些宽轨道空旷的很，电子就可自由移动。电子能移动，宏观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。
好了，我们把事情说得简单一点，不提“价带、满带、禁带、导带”的概念，准备圈重点！
有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。一价金属的导电原理稍有不同。
但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，也就不导电了。但如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，也就是导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时能导电有时不能导电，所以叫半导体。
如果空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。当然，如果是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都照样跑过去，比如高压电击穿空气。
到这，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，即，取决于满轨道和空轨道之间的间隙，学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。
半导体离芯片原理还很遥远，别急。
很明显，像导体这种直男没啥可折腾的，所以导线到了今天仍然是铜线，技术上没有任何进展，绝缘体的命运也差不多。
半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情，所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片、雷达。
下面有点烧脑细胞。
基于一些简单的原因，科学家用硅作为半导体的基础材料。硅的外层有4个电子，假设某个固体由100个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了400个电子。这时，用10个硼原子取代其中10个硅原子，而硼这类三价元素外层只有3个电子，所以这块固体的满轨道就有了10个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动提供了条件。这叫P型半导体。
同理，如果用10个磷原子取代10个硅原子，磷这类五价元素外层有5个电子，因此满轨道上反而又多出了10个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了10个人，这些人非常容易脱离公交车，这叫N型半导体。
现在把PN这两种半导体面对面放一起会咋样？不用想也知道，N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结”。(动图来自《科学网》张云的博文)
这时候再加个正向的电压，N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上，电子的移动就是电流，这时的PN结就是导电的。
如果加个反向的电压呢？从P型半导体那里再抽电子到N型半导体，而N型早已挂满了额外的电子，多出来的电子不断增强电场，直至抵消外加的电压，电子就不再继续移动，此时PN结就是不导电的。
当然，实际上还是会有微弱的电子移动，但和正向电流相比可忽略不计。
如果你已经被整晕了，没关系，用大白话总结一下：PN结具有单向导电性。
好了，我们现在已经有了单向导电的PN结，然后呢？把PN结两端接上导线，就是二极管：
有了二极管，随手搭个电路：
三角形代表二极管，箭头方向表示电流可通过的方向，AB是输入端，F是输出端。如果A不加电压，电流就会顺着A那条线流出，F端就没了电压；如果AB同时加电压，电流就会被堵在二极管的另一头，F端也就有了电压。假设把有电压看作1，没电压看作0，那么只有从AB端同时输入1，F端才会输出1，这就是“与门电路”，
同理，把电路改成这样，那么只要AB有一个输入1，F端就会输出1，这叫“或门电路”：
现在有了这些基本的逻辑门电路，离芯片就不远了。你可以设计出一种电路，它的功能是，把一串1和0，变成另一串1和0。
简单举个例子，给第二个和第四个输入端加电压，相当于输出0101，经过特定的电路，输出端可以变成1010，即第一个和第三个输出端有电压。
我们来玩个稍微复杂一点的局：
左边有8个输入端，右边有7个输出端，每个输出端对应一个发光管。从左边输入一串信号：00000101，经过中间一堆的电路，使得右边输出另一串信号：1011011。1代表有电压，0代表无电压，有电压就可以点亮对应的发光管，即7个发光管点亮了5个，于是，就得到了一个数字“5”，如上图所示。
终于，我们已经搞定了数字是如何显示的！如果你想进行1+1的加法运算，其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了，即便本僧亲自出手，设计电路的运算能力也抵不过一副算盘。
直到有一天，有人用18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及现在手持计算器的十分之一。不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑子抽筋了多少回。
接下来的思路就简单了，如何把这30吨东西，集成到指甲那么大的地方上呢？这就是芯片。
芯片制造与中国技术
为了把30吨的运算电路缩小，工程师们把多余的东西全扔了，直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发，说说芯片的制作过程和中国所处的水平。
第一：硅
把这玩意儿氯化了再蒸馏，可以得到纯度很高的硅，切成片就是我们想要的硅片。硅的评判指标就是纯度，你想想，如果硅里有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。
太阳能级高纯硅要求99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了，11个9)，几乎全赖进口，直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产，目前年产0.5万吨，而中国一年进口15万吨。
难得的是，鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国，品质应该还不错。不过，30%的制造设备还得进口……
高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资)，中国任重而道远。
第二：晶圆
硅提纯时需要旋转，成品就长这样：
所以切片后的硅片也是圆的，因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了？
切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“晶圆厂”。各位拍脑袋想想，以目前人类的技术，怎样才能完成这种操作？
用原子操纵术？想多了，朋友！等你练成御剑飞行的时候，人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件。晶圆加工的过程有点繁琐。
首先在晶圆上涂一层感光材料，这材料见光就融化，那光从哪里来？光刻机，可以用非常精准的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。然后，用等离子体这类东西冲刷，裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素，就得到了一堆N型半导体。
完成之后，清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻沟槽，再撒上硼，就有了P型半导体。
实际过程更加繁琐，大致原理就是这么回事。有点像3D打印，把导线和其他器件一点点一层层装进去。
这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路，这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明，最底层都是简单的门电路。只是采用了更多的器件，组成了更庞大的电路，运算性能自然就提高了。
据说这就是一个与非门电路：
提个问题：为啥不把芯片做的更大一点呢？这样不就可以安装更多电路了吗？性能不就赶上外国了嘛？
这个问题很有意思，答案出奇简单：钱！一块300mm直径的晶圆，16nm工艺可以做出100块芯片，10nm工艺可以做出210块芯片，于是价格就便宜了一半，在市场上就能死死摁住竞争对手，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。
说个题外话，中国军用芯片基本实现了自给自足，因为咱不计较钱嘛！可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到杂质的概率越大，所以芯片越大良品率越低。总的来说，大芯片的成本远远高于小芯片，不过对军方来说，这都不叫事儿。
可别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈
第三：设计与制造
用数以亿计的器件组成如此庞大的电路，想想就头皮发麻，所以芯片的设计异常重要，重要到了和材料技术相提并论的地步。
一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去，稍微有个PN结出问题，电子同样会堵车。这种精巧的线路设计，只有一种办法可以检验，那就是：用！大量大量的用！现在知道芯片成本的重要性了吧，因为你不会多花钱去买一台性能相同的电脑，而芯片企业没了市场份额，很容易陷入恶性循环。
正因为如此，芯片设计不光要烧钱，也需要时间沉淀，属于“烧钱烧时间”的核心技术。既然是核心技术，自然就会发展出独立的公司，所以芯片公司有三类：设计制造都做、只做设计、只做制造。
半导体是台湾少有的仍领先大陆的技术了，基于两岸实质上的分治状态，所以中国大陆和台湾暂且分开表述。
早期的设计制造都是一块儿做的，最有名的：美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体；中国大陆的：华润微电子、士兰微；中国台湾的：旺宏电子等。
外国、台湾、大陆三方，最落后的就是大陆，产品多集中在家电遥控器之类的低端领域，手机、电脑这些高端芯片几乎空白！
后来随着芯片越来越复杂，设计与制造就分开了，有些公司只设计，成了纯粹的芯片设计公司。如，美国的高通、博通、AMD，中国台湾的联发科，大陆的华为海思、展讯等。
挨个点评几句。
大名鼎鼎的高通就不多说了，世界上一半手机装的是高通芯片；博通是苹果手机的芯片供应商，手机芯片排第二毫无悬念；AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。这些全是美国公司，世界霸主真不是吹的。
台湾联发科走的中低端路线，手机芯片的市场份额排第三，很多国产手机都用，比如小米、OPPO、魅族。不过最近被高通干的有点惨，销量连连下跌。
华为海思是最争气的，大家肯定看过很多故事了，不展开。除了通信芯片，海思也做手机用的麒麟芯片，市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会，海思芯片的进步真的相当不错(这一波广告，不收华为一分钱)。
展讯是清华大学的校办企业，比较早的大陆芯片企业，毕竟不能被人剃光头吧，硬着头皮上，走的是低端路线。前段时间传出了不少危机，后来又说是变革的开始，过的很不容易，和世界巨头相差甚多。
大陆还有一批芯片设计企业，晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等，都是台湾老大哥的子公司，产品应用于电视、便携式电子产品等领域，还挺滋润。
在大陆的芯片设计公司，台湾顶住了大半边天！
还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾的台积电。正是台积电的出现，才把芯片的设计和制造分开了。2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%，规模和技术均列全球第一，市值甚至超过了英特尔，成为全球第一半导体企业。
晶圆代工厂又是台湾老大哥的天下，除了台积电这个巨无霸，台湾还有联华电子、力晶半导体等等，连美国韩国都得靠边站。
大陆最大的代工厂是中芯国际，还有上海华力微电子也还不错，但技术和规模都远不及台湾。不过受制于台湾诡谲的社会现状，台积电开始布局大陆，落户南京。这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂，这架势和当年合资汽车有的一拼。
大陆的中芯国际具备28nm工艺，14nm的生产线也在路上，可惜还没盈利。大家还是愿意把这活交给台积电，台积电几乎拿下了全球70%的28nm以下代工业务。
美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力，最近几个月台积电刚刚上线了7nm工艺，稳稳压过三星，首批客户就是华为的麒麟980芯片。这俩哥们儿早就是老搭档了，华为设计芯片，台积电加工芯片。
说真的，如果大陆能整合台湾的半导体产业，并利用灵活的政策和庞大的市场促进其进一步升级，土工追赶美帝的步伐至少轻松一半。现在嘛，大陆任重而道远呐！
第四：核心设备
芯片良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度完全取决于核心设备，就是前面提到的“光刻机”。
光刻机，荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下！不好意思，产量还不高，你们慢慢等着吧！无论是台积电、三星，还是英特尔，谁先买到阿斯麦的光刻机，谁就能率先具备7nm工艺。没办法，就是这么强大！
日本的尼康和佳能也做光刻机，但技术远不如阿斯麦，这几年被阿斯麦打得找不到北，只能在低端市场抢份额。
阿斯麦是唯一的高端光刻机生产商，每台售价至少1亿美金，2017年只生产了12台，2018年预计能产24台，这些都已经被台积电三星英特尔抢完了，2019年预测有40台，其中一台是给咱们的中芯国际。
既然这么重要，咱不能多出点钱吗？第一：英特尔有阿斯麦15%的股份，台积电有5%，三星有3%，有些时候吧，钱不是万能的。第二，美帝整了个《瓦森纳协定》，敏感技术不能卖，中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。
有意思的是，2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功(核心部件进口)，2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国，后来中国开始攻关65nm光刻机，2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国，再后来美帝开始管不住小弟了，中芯国际才有机会去捡漏一台高端机。
不过咱也不用气馁，咱随便一家房地产公司，销售额轻松秒杀阿斯麦，哦耶！
重要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好很多，16nm刻蚀机已经量产运行，7-10nm刻蚀机也在路上了，所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。
在晶圆上注入硼磷等元素要用到“离子注入机”，2017年8月终于有了第一台国产商用机，水平先不提了。离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的。涂感光材料得用“涂胶显影机”，日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料，也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。
2015年至2020年，国内半导体产业计划投资650亿美元，其中设备投资500亿美元，再其中480亿美元用于购买进口设备。
算下来，这几年中国年均投入130亿，而英特尔一家公司的研发投入就超过130亿美元。
论半导体设备，中国，任无比重、道无比远啊！
第五：封测
芯片做好后，得从晶圆上切下来，接上导线，装上外壳，顺便还得测试，这就叫封测。
封测又又又是台湾老大哥的天下，排名世界第一的日月光，后面还跟着一堆实力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。
大陆的三大封测巨头，长电科技、华天科技、通富微电，混的都还不错，毕竟只是芯片产业的末端，技术含量不高。
中国芯
说起中国芯片，不得不提“汉芯事件”。2003年上海交通大学微电子学院院长陈进教授从美国买回芯片，磨掉原有标记，作为自主研发成果，骗取无数资金和荣誉，消耗大量社会资源，影响之恶劣可谓空前！以致于很长一段时间，科研圈谈芯色变，严重干扰了芯片行业的正常发展。
硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测，以及相关的半导体设备，绝大部分领域中国还是处于“任重而道远”的状态，那这种懵逼状态还得持续多久呢？根据“烧钱烧时间”理论，掐指算算，大约是2030年吧！国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出，2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，产业实现跨越式发展。
当前，中国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零突破的阶段，虽然市场份额微乎其微，但每个领域都参了一脚，前景还是可期待的。
极限
文末，习惯性抱怨一下人类科技的幼稚。芯片，作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准，其基础的能带理论竟然只是个近似理论，电子的行为仍然没法精确计算。再往大了说，别看现在的技术纷繁复杂，其实就是玩玩电子而已，至于其他几百种粒子，还完全不知道怎么玩！
芯片加工精度已经到了7nm，虽然三星吹牛说要烧到3nm，可那又如何？你还能继续烧吗？1nm差不多就是几个原子而已，量子效应非常显著，近似理论就不好使了，电子的行为更加难以预测，半导体行业就得在这儿歇菜。
烧钱也好，烧时间也罢，烧到尽头就是理论物理。基础科学除了烧钱烧时间，还得烧人，烧的异常惨烈，100个高智商，99个都是垫脚石！工程师可以半道出家，但物理学家必须科班出身，基础科学在中国被忽视了五千多年，如今每年填报热度还不如耍戏的。
不能光折腾电子了，为了把中微子也用起来，咱赶紧忽悠，哎，不对，是呼吁更多孩子学基础科学吧！
