芯片製造與中國技術

接下來的思路就簡單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那麼大的地方上呢？這就是芯片。


芯片製造與中國技術


爲了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多餘的東西全扔了，直接在硅片上製做PN結和電路。下面從硅片出發，說說芯片的製做過程和中國所處的水平。


1、硅

把這玩意兒氯化了再蒸餾，能夠獲得純度很高的硅，切成片就是咱們想要的硅片。硅的評判指標就是純度，你想一想，若是硅裏有一堆雜質，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。


太陽能級高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產的，早被玩成了白菜價。芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數了，11個9)，幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現量產，目前年產0.5萬噸，而中國一年進口15萬噸。


可貴的是，鑫華的高純硅出口到了半導體強國韓國，品質應該還不錯。不過，30%的製造設備還得進口……


高純硅的傳統霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資)，中國任重而道遠。

2、晶圓


硅提純時須要旋轉，成品就長這樣：

因此切片後的硅片也是圓的，所以就叫「晶圓」。這詞是否是已經有點耳熟了？

 

切好以後，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，幹這活的就叫「晶圓廠」。各位拍腦殼想一想，以目前人類的技術，怎樣才能完成這種操做？


用原子操縱術？想多了，朋友！等你練成御劍飛行的時候，人類還不見得能操縱一個一個原子組成各類器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。


首先在晶圓上塗一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪裏來？光刻機，能夠用很是精準的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來。而後，用等離子體這類東西衝刷，裸露的晶圓就會被刻出不少溝槽，這套設備就叫刻蝕機。在溝槽裏摻入磷元素，就獲得了一堆N型半導體。


完成以後，清洗乾淨，從新塗上感光材料，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導體。


實際過程更加繁瑣，大體原理就是這麼回事。有點像3D打印，把導線和其餘器件一點點一層層裝進去。

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，這些電路並不比那臺30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。只是採用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能天然就提升了。


聽說這就是一個與非門電路：

提個問題：爲啥不把芯片作的更大一點呢？這樣不就能夠安裝更多電路了嗎？性能不就遇上外國了嘛？


這個問題頗有意思，答案出奇簡單：錢！一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝能夠作出100塊芯片，10nm工藝能夠作出210塊芯片，因而價格就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又能夠作更多研發，差距就這麼拉開了。


說個題外話，中國軍用芯片基本實現了自給自足，由於咱不計較錢嘛！能夠把芯片作的大大的。另外，越大的硅片遇到雜質的機率越大，因此芯片越大良品率越低。總的來講，大芯片的成本遠遠高於小芯片，不過對軍方來講，這都不叫事兒。

 

3、設計與製造


用數以億計的器件組成如此龐大的電路，想一想就頭皮發麻，因此芯片的設計異常重要，重要到了和材料技術相提並論的地步。


一個路口紅綠燈設置不合理，就可能致使大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結出問題，電子一樣會堵車。這種精巧的線路設計，只有一種辦法能夠檢驗，那就是：用！大量大量的用！如今知道芯片成本的重要性了吧，由於你不會多花錢去買一臺性能相同的電腦，而芯片企業沒了市場份額，很容易陷入惡性循環。


正由於如此，芯片設計不光要燒錢，也須要時間沉澱，屬於「燒錢燒時間」的核心技術。既然是核心技術，天然就會發展出獨立的公司，因此芯片公司有三類：設計製造都作、只作設計、只作製造。


半導體是臺灣少有的仍領先大陸的技術了，基於兩岸實質上的分治狀態，因此中國大陸和臺灣暫且分開表述。


早期的設計製造都是一起作的，最有名的：美國英特爾、韓國三星、日本東芝、意大利法國的意法半導體；中國大陸的：華潤微電子、士蘭微；中國臺灣的：旺宏電子等。






外國、臺灣、大陸三方，最落後的就是大陸，產品多集中在家電遙控器之類的低端領域，手機、電腦這些高端芯片幾乎空白！

 

後來隨着芯片愈來愈複雜，設計與製造就分開了，有些公司只設計，成了純粹的芯片設計公司。如，美國的高通、博通、AMD，中國臺灣的聯發科，大陸的華爲海思、展訊等。


挨個點評幾句。


大名鼎鼎的高通就很少說了，世界上一半手機裝的是高通芯片；博通是蘋果手機的芯片供應商，手機芯片排第二毫無懸念；AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。這些全是美國公司，世界霸主真不是吹的。


臺灣聯發科走的中低端路線，手機芯片的市場份額排第三，不少國產手機都用，好比小米、OPPO、魅族。不過最近被高通乾的有點慘，銷量連連下跌。


華爲海思是最爭氣的，你們確定看過不少故事了，不展開。除了通訊芯片，海思也作手機用的麒麟芯片，市場份額隨着華爲手機的增加排進了前五。我的切身體會，海思芯片的進步真的至關不錯(這一波廣告，不收華爲一分錢)。


展訊是清華大學的校辦企業，比較早的大陸芯片企業，畢竟不能被人剃光頭吧，硬着頭皮上，走的是低端路線。前段時間傳出了很多危機，後來又說是變革的開始，過的很不容易，和世界巨頭相差甚多。


大陸還有一批芯片設計企業，晨星半導體、聯詠科技、瑞昱半導體等，都是臺灣老大哥的子公司，產品應用於電視、便攜式電子產品等領域，還挺滋潤。


在大陸的芯片設計公司，臺灣頂住了大半邊天！

 

還有一類只製造、不設計的晶圓代工廠，這必須得先說臺灣的臺積電。正是臺積電的出現，才把芯片的設計和製造分開了。2017年臺積電包下了全世界晶圓代工業務的56%，規模和技術均列全球第一，市值甚至超過了英特爾，成爲全球第一半導體企業。


晶圓代工廠又是臺灣老大哥的天下，除了臺積電這個巨無霸，臺灣還有聯華電子、力晶半導體等等，連美國韓國都得靠邊站。


大陸最大的代工廠是中芯國際，還有上海華力微電子也還不錯，但技術和規模都遠不及臺灣。不過受制於臺灣詭譎的社會現狀，臺積電開始佈局大陸，落戶南京。這幾年臺資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢和當年合資汽車有的一拼。

 

大陸的中芯國際具有28nm工藝，14nm的生產線也在路上，惋惜還沒盈利。你們仍是願意把這活交給臺積電，臺積電幾乎拿下了全球70%的28nm如下代工業務。


美國、韓國、臺灣已具有10nm的加工能力，最近幾個月臺積電剛剛上線了7nm工藝，穩穩壓過三星，首批客戶就是華爲的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了，華爲設計芯片，臺積電加工芯片。


說真的，若是大陸能整合臺灣的半導體產業，並利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，土工追趕美帝的步伐至少輕鬆一半。如今嘛，大陸任重而道遠吶！

4、核心設備


芯片良品率取決於晶圓廠總體水平，但加工精度徹底取決於核心設備，就是前面提到的「光刻機」。


光刻機，荷蘭阿斯麥公司(ASML)橫掃天下！很差意思，產量還不高，大家慢慢等着吧！不管是臺積電、三星，仍是英特爾，誰先買到阿斯麥的光刻機，誰就能率先具有7nm工藝。沒辦法，就是這麼強大！

日本的尼康和佳能也作光刻機，但技術遠不如阿斯麥，這幾年被阿斯麥打得找不到北，只能在低端市場搶份額。


阿斯麥是惟一的高端光刻機生產商，每臺售價至少1億美金，2017年只生產了12臺，2018年預計能產24臺，這些都已經被臺積電三星英特爾搶完了，2019年預測有40臺，其中一臺是給我們的中芯國際。


既然這麼重要，咱不能多出點錢嗎？第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，臺積電有5%，三星有3%，有些時候吧，錢不是萬能的。第二，美帝整了個《瓦森納協定》，敏感技術不能賣，中國、朝鮮、伊朗、利比亞均是被限制國家。


有意思的是，2009年上海微電子的90納米光刻機研製成功(核心部件進口)，2010年美帝容許90nm以上設備銷售給中國，後來中國開始攻關65nm光刻機，2015年美帝容許65nm以上設備銷售給中國，再後來美帝開始管不住小弟了，中芯國際纔有機會去撿漏一臺高端機。


不過咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產公司，銷售額輕鬆秒殺阿斯麥，哦耶！

重要性僅次於光刻機的刻蝕機，中國的情況要好不少，16nm刻蝕機已經量產運行，7-10nm刻蝕機也在路上了，因此美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。


在晶圓上注入硼磷等元素要用到「離子注入機」，2017年8月終於有了第一臺國產商用機，水平先不提了。離子注入機70%的市場份額是美國應用材料公司的。塗感光材料得用「塗膠顯影機」，日本東京電子公司拿走了90%的市場份額。即使是光刻膠這些輔助材料，也幾乎被日本信越、美國陶氏等壟斷。

2015年至2020年，國內半導體產業計劃投資650億美圓，其中設備投資500億美圓，再其中480億美圓用於購買進口設備。


算下來，這幾年中國年均投入130億，而英特爾一家公司的研發投入就超過130億美圓。


論半導體設備，中國，任無比重、道無比遠啊！

5、封測


芯片作好後，得從晶圓上切下來，接上導線，裝上外殼，順便還得測試，這就叫封測。


封測又又又是臺灣老大哥的天下，排名世界第一的日月光，後面還跟着一堆實力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元電子。


大陸的三大封測巨頭，長電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯，畢竟只是芯片產業的末端，技術含量不高。


中國芯


提及中國芯片，不得不提「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芯片，磨掉原有標記，做爲自主研發成果，騙取無數資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空前！以至於很長一段時間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了芯片行業的正常發展。

 

硅原料、芯片設計、晶圓加工、封測，以及相關的半導體設備，絕大部分領域中國仍是處於「任重而道遠」的狀態，那這種懵逼狀態還得持續多久呢？根據「燒錢燒時間」理論，掐指算算，大約是2030年吧！國務院印發的《集成電路產業發展綱要》明確提出，2030年集成電路產業鏈主要環節達到國際先進水平，一批企業進入國際第一梯隊，產業實現跨越式發展。


當前，中國芯片的整體水平差很少處在剛剛實現零突破的階段，雖然市場份額微乎其微，但每一個領域都參了一腳，前景仍是可期待的。

極限 文末，習慣性抱怨一下人類科技的幼稚。芯片，做爲大夥削尖腦殼能達到的最高科技水準，其基礎的能帶理論居然只是個近似理論，電子的行爲仍然無法精確計算。再往大了說，別看如今的技術紛繁複雜，其實就是玩玩電子而已，至於其餘幾百種粒子，還徹底不知道怎麼玩！ 芯片加工精度已經到了7nm，雖然三星吹牛說要燒到3nm，可那又如何？你還能繼續燒嗎？1nm差很少就是幾個原子而已，量子效應很是顯著，近似理論就很差使了，電子的行爲更加難以預測，半導體行業就得在這兒歇菜。 燒錢也好，燒時間也罷，燒到盡頭就是理論物理。基礎科學除了燒錢燒時間，還得燒人，燒的異常慘烈，100個高智商，99個都是墊腳石！工程師能夠半道出家，但物理學家必須科班出身，基礎科學在中國被忽視了五千多年，現在每一年填報熱度還不如耍戲的。 不能光折騰電子了，爲了把中微子也用起來，咱趕忙忽悠......哎，不對，是呼籲更多孩子學基礎科學吧！