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半导体和芯片到底有什么区别?[第2版]
原创:老和山下的小学僧
日期:2019-02-11

  芯片,以储量最丰富成本最廉价的二氧化硅为原料,成就了这个星球的科技之巅,颁一枚最佳逆袭奖,实至名归!

  在中国与外国这两国的较量中,芯片常常引得众人口水战,究竟是中国已经吊打外国,还是外国仍然摁着中国?今天咱就试着捅一捅这马蜂窝。

  核心技术到底是个啥

  技术研发有三条铁则:无论搁谁,研发就是烧钱烧时间,这是根本;无论搁谁,有需求或者认为有需求才会投入研发,这是动机;无论搁谁,研发第一步必然是探究已有的同类技术,俗称山寨。

  把技术拆一拆,大概就这么几样东西:设计、材料、生产设备,而设备本身也是设计和材料,所以归根结底,技术可以笼统地说成材料加设计。

  结合这两条,先看几个例子。


  比如,独步武林的架桥机,把这台设备的每一个零件都拆了,每一个细节都抄下来,再烧几个亿试几年错,“山寨”一台架桥机对几个工业大国来说并不难。那为啥外国人不山寨呢?因为需求不大,烧出来只能当玩具。

  再比如,美帝登月的土星五号火箭,至今无人超越,很多人因此就说中国火箭落后美帝五十年。但是别忘了,咱们是和今天的美帝一起落后曾经的美帝,这显然有点说不通。其实原因无比简单,当年登月是政治需求,属于冲动消费,完全是亏本买卖,有点像郑和下西洋。后来需求没了,土星五号也就跟着一块消失了。

  假设,咱们硬要山寨一台土星五号有多大把握?若是像煮茶叶蛋那么搞,倾全国之力,不出2年,妥妥的。别抬杠,没人再去埃及造金字塔,总不能说现在的建筑水平不如古埃及吧?


  中国有着这颗星球上最旺盛的基建需求、工业化需求、国防需求,由这些需求催生出的各种技术,只要不需烧太多时间的,甭管外国有没有,甭管山寨还是原创,甭管投入有多大,基本全拿下了。

  这类由大投入大需求构成的技术门槛,也能筑成实打实的核心技术。只要你能造出别人造不了的东西,就算核心技术。于是,我们可以给中外两国第一阶段的较量下个结论:

  如果把所有技术堆成一个金字塔,除了塔尖那一点之外,中国几乎可以单挑整个外国,尤其在某些大需求大投入的领域更是完虐外国,如填海造岛、高铁、火箭振动台等。


  那塔尖还剩了啥?当然是需要烧很多时间的技术,塔尖的较量有些复杂,再举例子。

  飞机发动机涡轮叶片,工业皇冠上的明珠,说的就是这玩意儿。如果叶片不够结实,油门踩狠了就得散架(可看前文《材料之殇:难产中国心》)。


  这怎么山寨呢?一块材料拿到手,要测出其中的成分及比例,也就几顿饭的功夫。进一步,想要知道不同原子之间的排列规则,过程稍微复杂一点,但几天下来基本也摸透了。

  你以为这样就山寨完成了吗?不,这才开始,你得找到一种让不同原子按特定顺序排列的方法,这过程完全两眼一抹黑,要烧的时间相当长。这好比,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。

  这种由烧时间烧出来的技术门槛,也只能靠烧时间去慢慢追赶,这类核心技术往往都是材料。可以说,任何牛逼设备,你拼命往细拆,最终发现都是材料技术。(当然,也有特例,比如氢弹)

  比如,作为“工业之母”的高端机床,咱基本和国足一个水平,只能仰望日本德国瑞士。最大的限制就是材料,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,刀具磨损导致的误差,等等,所以加工精度极高的活,咱们还是望“洋”兴叹。


  材料技术有时还要点运气。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,稀少程度排自然界第三,主要分布在欧美,这种战略物资,妥妥被美帝禁运。中国前几年在陕西发现一个储量176吨的铼矿,马上拼了命烧钱,苦逼生活才有了起色。


2012-2013年全球铼储量及储量统计
资料来源:中国产业信息网整理

  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,很多是外国抱着中国大腿,美帝也不例外,比如磁约束核聚变、太空暗物质探测等。


  非线性光学晶体,中国在九十年代就已经世界领先,并在十来年前对美帝实施了禁运,2016年美帝终于打破中国技术封锁,生产了第一块KBBF晶体。不要怀疑本僧拿错了剧本,不然你以为中国的激光武器、光量子通信从哪里来的?


  如果我们继续罗列就会发现,应用宽泛的材料,中国大多还是落后外国,而一些细分领域,中国已经逐步领先。呃,这么说还是太笼统,咱来点数据。

  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。整个人类的核心科技,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。

  这串数据是在2018年的一次官方论坛上火起来的,但仔细考证了一下,应该是工信部在2011年的调查报告,如今的情况据说已经大幅度改善。

  说则小道消息,就在前阵子,山上有位老僧去北京开会,回来对本小僧一阵感叹:这兔子怕是急眼了,居然要投****亿在**、**领域,要求在*年内达到****,而且还要****。本僧弱弱问了句:能行吗?老僧若有所思,良久,缓缓吐了一句:时间紧,任务重。

  无论怎么说,在塔尖的较量,中国虽然势头很猛,但仍明显处于下风。

  好奇一下,这130种材料长啥样呢?巧了,工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》入选了六大类材料,也是130种!里面好几个都和芯片有关。







  为了严谨点,这儿说的核心技术,不包括和生物有关的技术,如医药、农业等等。但凡和生物有关的,往往是另一回事!

  举个粒子,电影《药神》里治疗慢粒白血病的格列卫,成份甲磺酸伊马替尼,生产制造并不难,不然三哥也不会这么轻易做出仿制药,难的是怎么知道甲磺酸伊马替尼有这作用。

  还有一些技术的门槛并非来自技术本身,比如:软件。这几乎是纯设计类技术,压根用不到材料,为啥操作系统还是被人吊打?假设你的操作系统比安卓好十倍,但没有人会用一台没有App的手机,为啥没App啊?对不起,没有公司会为一个没有用户的系统开发App。

  这个死循环看明白了吗?除非有一天谷歌不让中国手机用安卓,那才是国产操作系统的春天。软件的门槛经常是来自于市场惯性。

  绕的有点远了,芯片从一块石头练就霸王之躯,涉及的核心技术不是一般的多。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物理学家的数学游戏,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。在量子力学里,这种细轨道叫能级,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。不过一价金属的导电原理稍有不同,它的满轨道原本就不太满,所以电子不用跑到空轨道也能移动。

  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,表现为不导电。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,表现为导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体,有时导电、有时不导电,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。


  这里有个问题,一旦细轨道变少了,能不能挤成宽轨道就不好说了,所以能带理论本质上是一个近似理论,不适用于少量原子组成的固体。

  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,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。

  一不小心,我们就得到了芯片运算的本质:把一串1,0,变成另一串1,0。

  简单举个例子,在左边输入1010,在右边输出0101,这就算完成了一次运算。


  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,7个发光管组成一个数字显示器。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,有电压就可以点亮对应的发光管,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,设计的电路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,工程师们把能扔东西全扔了,直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发,说说芯片的逆袭之路。

  第一:硅


  把这玩意儿氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,就叫多晶硅吧,这种硅原子排列混乱,会影响电子运动,所以还得拉制成原子排列整齐的单晶硅,最后切成片就是我们想要的硅片。

  硅的主要评判指标是纯度,你想想,如果硅原子之间有一堆杂质,那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。

  无论啥东西,纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求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,只是目前产量少的可怜,还不及进口的一个零头。难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该不错。不过,30%的制造设备还得进口……

  电子级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。把这圆柱切片后得到的硅片也是圆的,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。

  晶圆加工的过程相当繁琐,咱说个大概轮廓,谢绝专业人士挑刺。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,可以用非常精细的光线,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。再用离子注入机在沟槽里掺入磷元素,加热退火处理,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,用离子注入机撒上硼,就有了P型半导体。

  整个过程有点像3D打印,把器件一点点一层层装进去。


  这块晶圆上的小方块就是芯片,一块晶圆可以做多个芯片。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,因为军用不计较钱嘛!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。

  其实除了成本之外,大芯片的布线比小芯片更长,所以延时也更明显,驱动电流也大很多,由此导致整体设计更臃肿,性能上还是会吃亏。反正,小芯片就是比大芯片好用。


别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈

  第三:架构

  用70亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路,想想就头皮发麻!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。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。

  这么复杂的设计,必须得先有个章法。七十年代,英特尔率先想出了一个好办法:X86架构。详细内容不提了,简单来说,这架构虽然能耗高点、体积大点,但性能那是嗖嗖的,几乎垄断了电脑芯片市场,成就了如日中天的英特尔。

  这相当于,英特尔提出造汽车用4个轮子,以后其他人想造4个轮子的汽车,就得先付授权费。这尼玛怎么忍,随后英国ARM公司提出了2个轮子的汽车方案:ARM架构。

  毫无疑问,2个轮子肯定跑不过4个轮子,ARM架构虽然省电小巧,但性能实在有点寒碜,于是一直被英特尔摁着打。ARM熬到了九十年代,终于熬不住了,决定不再生产芯片,而是将ARM架构授权给其他公司生产,赚点授权费,这才保住了一条命。

  人算不如天算,进入21世纪,智能手机横空出世,芯片的能耗和体积一下成了关注点,于是ARM架构一飞中天,几乎垄断了手机芯片。


  小结一下:

  X86架构,能耗高、体积大、性能强。

  ARM架构,能耗低、体积小、性能弱。

  于是,一个占了电脑,一个占了手机,直到今天,仍是主流设计方案。至于其他3个轮子或5个轮子的汽车,多多少少还是有些劣势,没有形成主流。

  最近有新闻说,中国和ARM要成立中方控股的合资公司,ARM欲借此重回芯片制造商的角色,中方当然走的还是市场换技术的路子。


  决定汽车用几个轮子,距离造出汽车还差得很远。有了基本架构,后面的设计依然是漫漫长征路,所以还得要有好工具,简称EDA软件。

  Synopsys,Cadence,Mentor,三巨头几乎垄断了全球EDA市场,一水儿的美帝公司。直到最近,熬了三十年的华大九天终于露头了,这家中国电子信息产业集团的二级公司,连续多年以50%的年增长率狂追,算是站稳了脚跟。


业界首创模拟电路异构仿真系统Empyrean ALPS-GT

  虽然借助EDA软件的仿真功能可以判断电路设计是否靠谱,但要真正验证这种精巧线路的靠谱程度,只有一种办法,那就是:用!广泛的用!长久的用!正因为如此,芯片设计不光要烧钱,也需要烧时间,属于试错周期较长的核心技术。

  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:既设计又制造、只设计不制造、只制造不设计。

  第四:设计制造

  但凡要处理信息,基本都有芯片,包括通信芯片、服务器芯片、手机芯片、电脑芯片等等。早期的芯片复杂程度不算夸张,所以设计制造可以在同一家公司完成,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,早期的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。

  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,AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。电脑和手机是芯片市场的两块大蛋糕,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,手机处理器芯片麒麟,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。最近华为又推出了服务器芯片鲲鹏920,5G基站芯片天罡,5G基带芯片巴龙5000,性能都是世界顶级的,隐隐看到了在芯片设计领域崛起的势头。

  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,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,台湾顶住了小半边天,另大半边天原本是塌着的,现在华为算是撑住了。


  还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂,这必须得先说台湾最大的企业: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。


  大陆中芯国际的14nm生产线刚刚上路,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,台积电制造芯片。


  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,中国追赶外国的步伐至少轻松一半。现在嘛,中国任重而道远呐!

  第五: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。

  阿斯麦是全球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,不过最近听说莫名其妙被烧了,得延期交货。

  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!


  2018年底有则消息让人惊出一身冷汗,最早中科院只是淡淡说了句光刻项目通过验收,然后铺天盖地的“中国光刻机终于翻身农奴把歌唱”,闹到最后连人民日报都坐不住了,直接批“国产光刻机自嗨文”误导公众,损坏中国科研形象。引一句原文:“这台光刻机要想应用于芯片,还要攻克一系列技术难题,距离还相当遥远。”


  相比于光刻机,中国的刻蚀机要好很多,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。

  不过离子注入机又寒碜了,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!

  第六: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。


  小结

  这全景图大概描述了从硅片到芯片的全过程及中国的设备制造商,绝对是业内专家所做,值得一看。


  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?有答案!

  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。


  从研发的过程来看,需求不缺,资金不缺,只要烧足了时间,没理由烧不出芯片。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,虽然市场份额不多,但每个领域都参了一脚,而且势头不错,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,作为其根基的能带理论竟然只是个近似理论,电子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,顶多再加个光子,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,作为基石的能带理论就不好使了,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!


来源:老和山下的小学僧
作者:老和山下的小学僧
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精选留言

ChaoJ.G
大学时候一直记得石墨烯材料很火,最近时不时传出即将应用,但感觉和3D打印一样没谱
希望小和尚可以科普科普关于石墨烯和3D打印的应用
对了,还有一直时不时出现的工业4.0
作者
石墨烯是个好话题。不过我想起来了,上次还欠了一个高速飞行器。就看谁点赞多

如果有一天
先赞再看,良好习惯。年前看到更新,老泪纵横!知道高僧还没放弃甚是欣慰。祝,一切顺利,阖家幸福!
作者
不会放弃的,那么多读者,真心舍不得

知行合壹
有需求、有资金,再烧时间 似乎国足的近二十年发展 也符合这三要素… 我们还有更深层的原因要去解决啊
作者
国足是超越科学的世纪之谜,不在讨论范围之列

劳动力
越看越有意思,本人觉得百看不厌,经典中的经典
作者
这次修改幅度还是很大的,被删的这半年,华为发力太猛,所以把整个文章基调也调整了一点

梁冬
解封了?
作者
改了好多,这下文章全补齐了,都可以从文章目录里看。随便征集下个话题

任普圣
想不通这类文章为什么会被删
作者
说明你觉悟不够啊!你看,我就已经成长了

行天下
苍天,我居然看懂了。作为一个小小文科生,我居然看懂了。除了与或电路那两幅图暂时看不懂外,其他居然看懂了。可想作者多么的用心,深入浅出,层层推进,娓娓道来。关注了76个公众号,这个号是科学技术水平最高的,毫不犹豫的置顶了。还有华为的设计和台积电的制造的双剑合璧,让人联想到武统TW的意义和商业不得不服从政治。囚禁华为孟,逼死科学家张,烧掉光刻机,这些电影电视才出现的东西居然在现实里。如此阴险毒辣刁钻的手段还是那个民主自由的美国吗?
作者
不太可能武统,打碎了收回来也没用了。肯定是和平统一,一国两制。九年之内搞定

徐直
终于提到我的前雇主日月光了
作者
这么多业内人士,很影响我任性的吹牛啊

Adrian
一回、一回、又一回,这次不封也不改了吧?
作者
来,一起念:阿弥陀佛~

小熊飞鱼
你怎么只写东西不卖东西不做广告?加紧写,凑足100篇出书吧,知识是应该付费的,尤其这么好的知识。另外你出名了,赚钱了,抱得美人了,才有正面社会效应,大家才知道原来理论物理好也可以这么滋润,否则当然都去报考戏剧学院啦
作者
深刻!作为一个身价几千万、生活美满幸福的科技人员,我深表赞同!

坚守
那些想要孩子学物理的,可要考虑清楚。将来他周围男多女少,环境封闭,思维简单,不解风情,30多了还单身,连程序猿都不如,是吧小僧?
作者
污蔑,绝对的污蔑!物理系个个玉树临风、风流倜傥、躺着赚钱,30多就子孙满堂,人称80后老爷爷

海石
西方解禁中国已经研发出来水平的光刻机就是为了抢占市场。一项技术投入巨额的研发成本,需要市场盈利回本。技术封锁会提高后来者研发成本,量产后立马解禁可以趁其新手根基不稳而抢占市场,扼杀盈利回本的空间,使得后来研发者难以长期维系。所以封锁与解禁都是无利不起早,一点都不诡异。
作者
这很正常,竞争不残酷,发展就不够有动力

Billion Wang
中外两国的比赛……上次文章里还是荷兰光刻机中有一台是给咱们的,结果听就莫名其妙被烧了,还联系到科学家死了。。
作者
反正证据是不会有的,所以还是不猜了

阳光明媚
耶!哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈(温馨提示:我没发疯)哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈
作者
你这个提示,太温馨了

高阳
唯二说的是,一是祝小学僧身体安康,工作顺利;二是来年继续写科普文章,很多人跟我一样,太需要科普了
作者
有这么多支持,必须继续!新年快乐!

王永胜
我想说的是其实国内聚变并没有那么厉害,只是恰逢国外停滞了,国内在大力发展!很多原理数据贵重探测仪器都是国外的,真正实用还有很长一段路需要走
作者
同样的事实,解读不同吧。实用了还得了,离实用遥远很正常。国内刚出了时间表,好像计划是2050实现商用吧,中间还有几个时间节点

铺路
有需求,有资金,烧时间,就能搞成芯片。因为从硅石到芯片都是东西。而国足不是东西,所以怎么都搞不成。
作者
哲学家啊!

任普圣
台海能说说么
作者
以前模拟过攻台方案,就是太敏感了

小新
农业从业者,想知道农业生物产业的差距又是怎么一回事?我日常使用的种子到疫苗药品基本都是高端进口,低端国产,都是头孢,一瓶辉瑞的头孢卖1200多元
作者
医药的差距更大,农业的差距缩短了一些,总体上和生物有关的技术,差距还是很大的

Adrian
看过后发现,改动还挺大,再来就3rd吧
作者
终于还是有人发现改动很大了

butter
哈哈,修改前的芯片文看了两次,修改后的看了,会再看一次,改动不小,感觉这次更容易看懂。作为四岁男孩的父亲,真心希望孩子长大能从事基础学科研究,不希望像我这样人情事故中来来回回,无数伤感悲叹。研究工作能够单纯点,是这样吧?小和僧,给点指点。
从能简单交流开始就教孩子一些自然常识,四岁开始讲一些物理现象。在朝这个方向努力。
作者
对的。培养兴趣比培养技能重要,等大脑发育成熟点,知识技能很快就能补上。

Morgan 上午實業禮贈品訂製
台積電的部分我補充一下個人看法:依台積的江湖地位,台灣哪股政治勢力都不敢它動半分,南京設廠大多還是為了內銷市場考量,佈置的也只是16nm線;換個角度看,台積的客戶大多是老美陣營,現在往“中”靠的話,只會讓客戶轉單三星。
作者
台积电有承诺,最先进的工艺不会放大陆

Steven
20年前在大学里学得就是半导体材料,如何提纯硅,然后各种半导体性能,光控,压敏,可惜毕业后发现当时国内半导体材料行业几乎就是一片空白。转行很久了,但看这篇文章还是不感到任何困难[
作者
时代太早了,太苦了,最近几年好多了

沉默的螺旋
还记得“21世纪是生物的世纪”这句话影响了多少人报专业
只能说现在才是真的慢慢开始了,路漫漫其修远兮~
看楼上半导体转行有感...
作者
就是我们这批被坑的多,还好我坚定报了理论物理

浮华∽若逝
穷学工程,富学理论。人总是要恰饭的嘛
作者
真相了

老董
基调调整的好,以免被和谐。
作者
说起来,现在这样更客观一点吧,这半年进步很大

空谷幽寂
有时细想外国也是思路“清奇”,稍微好点的东西就封锁中国,逼着中国自己搞,一搞出来就白菜了。不能赚着钱卖给中国吗!?你要封锁得选那些没研发能力的还可以理解啊!难道真的只有中国和外国两个国家!
作者
可以了解一下美帝财团,企业,政府三者的关系

金家成
为啥我觉得本篇的精髓是“咱随便一家房地产公司,销售额轻松秒杀阿斯麦”
作者
这句确实很得意~

Deyi.Wang
师兄这些年,估摸着是碰壁有点多,面壁出关后,锋芒内敛,返璞归真了,恭喜。
这是年前最后一篇了吧,继往开来,提前道一声新年快乐。
从世俗到适俗,都一直关注师兄的文章,基础科学很重要,哪怕只是学习,了解,都让人觉得自身没那么卑微了。
作者
最后一句话太有哲理味道了!大赞!

翻滚的肥皂
人工智能这方面的科普一下
作者
这话题太火了太大了,不知从何说起

勤小琛
得亏我一个文科小姐姐记性好,这次写的更好,脉络更清晰道理更简明!以后让儿子当科学家吧
作者
那你得赶紧赚钱了噢

柒泡
想听听医药生物的特点,谢谢
作者
中医和西医?

蓝色火焰
国家应该多留点物理、化学的天才,少点全面发展的好学生,很多所谓的三好学生,到最后不一定比偏科的人在某行业发展的好,术业有专攻!
作者
非常值得讨论的议题!

Shadow in sun
台积电,三星的大股东都是欧美财团和产业资金。就算和平收回台湾。欧美也可以另起炉灶建个印积电,新积电。还是要靠基础科学的发展,才有可能掌握ic设计制造的产业链。国家对这类高科技人才的待遇,一言难尽。ic产业受制于人,也是万事皆有因果。等到大陆掌握ic产业链时,至少会增加两个华为体量的公司。一个是ic制造商,一个是设备制造商。到那个时候,就没有韩国,台湾啥事了。这两个地方参考印尼和海南就行了。掌握ic产业链,时间估计在2030年左右。还要保证国内没有大的危机

壹時
是把之前的又整合完善了吧,这样更好了
作者
对,根据有些留言,又添加了不少内容。而且基调也调整了一下

三环套月
huawei确是大陆公司里的翘楚,但过分依赖arm安卓台积,这太致命了。arm的大股东软银已经在岛帼禁huawei了,弯湾也跟着落井下石的禁,安卓更是老美公司的东西。huawei要么自己突破这3个隐雷,要么扶持陆系供应商来突破。否则会付出比ZTE和jinhua更大的代价
作者
个人观点,总得给人留点活路…

逍遥子
先回再看,材料和设计,根本还是材料,没有材料支撑的设计就变成空想!
作者
大体如此,除了一些异常复杂的设计,个人觉得氢弹应该是设计大于材料

晓风残云
前面的都是新写的,中间有所改动,后面大改
作者
多谢总结!差不多是这样的。

知止益足
现在娃娃科学课已经很受小朋友喜欢了!家长都觉得很值很值!纳米肥料很神奇什么东东?助力袁老师超级稻!不知与小学僧老师牵联否?哈哈
作者
木有。不过我们也做过纳米肥料,对水稻很好用,技术完全没问题,就是产业化太难!

椰树
光刻机解禁后,我们能否禁止进口或征收超额关税呢?
作者
那人家就不卖你最先进的,在光刻机上,咱还得老老实实的

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