一篇文章说清楚芯片的现状（缺芯困境知多少）

一篇文章说清楚芯片的现状（缺芯困境知多少）IC 难道不是电话卡吗？集成电路英语：integrated circuit，缩写作 IC，在电子学中是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。芯片为什么要用沙子（硅）制造，为什么又叫半导体？芯片怎么就智能了？光刻是在芯片上刻东西吗？晶圆为什么是圆的？芯片为什么那么难造？我们到底被什么卡了脖子？……如果你和笔者都有上面这一系列问题，那么可以接着往下读。"什么是芯片？"，这是笔者叩问自己灵魂的第一个问题。于是百度之：

芯片，是最近最火爆的话题，人人都在讨论。笔者也想趁热打铁来上一篇以蹭流量，研究来研究去，发现各个公知能够轻而易举的历数芯片企业的前世今生，更能将国内外芯片行业的大势分析得头头是道，"光刻机"、"7nm制程"、"晶圆"、"EDA"、"摩尔定律"等名词更是信手拈来。

以上文章看了诸多，内心的感觉如下图：

道理我都懂，可是这个鸽子怎么这么大！

芯片为什么要用沙子（硅）制造，为什么又叫半导体？芯片怎么就智能了？光刻是在芯片上刻东西吗？晶圆为什么是圆的？芯片为什么那么难造？我们到底被什么卡了脖子？……

如果你和笔者都有上面这一系列问题，那么可以接着往下读。

1. 什么是芯片

"什么是芯片？"，这是笔者叩问自己灵魂的第一个问题。于是百度之：

集成电路英语：integrated circuit，缩写作 IC，在电子学中是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。

IC 难道不是电话卡吗？

于是继续百度半导体：

"一种材料，顾名思义是导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。可以用来制造晶体管。"

What?

于是继续百度晶体管：

"一种半导体器件。"

"你贵姓？""我和我爸一个姓。""那你爸贵姓？""我爸和我一个姓。"

笔者顿时陷入了对于自己无知无能的羞愧和绝望。默默的回家翻出了初中物理课本（据说马斯克也是这么学习的，最后看完了一个图书馆的书）。

晶体管，更通俗的说法是可以实现单向导电半导体，对于学渣而言，就简单的理解为开关。

我们小时候都学过，开关的并联或串联可以花式控制灯泡。同样的原理运用到芯片的领域，可以实现简单的逻辑功能，比如与（and） 或（or） 非（not）。

芯片如同大脑，图片来源于网络

芯片，就是将很多设计好的晶体管，通过层层堆叠的方式组合取来的半导体元件。芯片中包含的晶体管达到几十亿个，而与、或、非就像是脑神经一样，当数量足够多的时候，就可以"道生一，一生万物"，芯片的"大脑"功能就产生了。

可是以往的晶体管不是这样？

历史上第一个晶体管

或者这样的吗？

晶体管单体元件

摩尔定律就是每2年放入单位面积芯片的晶体管可以增加一倍，但这么大的"开关"，怎么将几十亿个塞到指甲盖大小的芯片里面？

2．芯片"神经系统"的原理——PN结形成的开关

芯片中的晶体管，并不是一个个分离的元器件装上去的，而是通过在半导体两侧加入不同种类的离子实现。

极纯的硅，最外围有4个电子，几乎不导电，被称作本征半导体。

而一边掺入多一个电子的物质，比如磷，这就被称为N型半导体。

另一边，边掺入少一个电子的物质，比如硼，这里就被称为P型半导体。

用我们最原始的观念，左边电子会往右边跑，于是在中间的区域，形成了一个如同水流高低一般的压力。

PN结

中间加一层导体，当施加电压时，就形成了电流的通道，反之则会断电，表达"与、或、非"的开关（gate）就因此而产生。

我们说的14 nm、7nm制程 实质上就是芯片晶体管中开关的长度（Length），这个宽度越小，电流的传导就越快，损耗就越小，效率就越高。

要知道1nm只是10个原子的大小，是指甲盖厚度的十万分之一。

这也解答了关于90nm不就是大一点，功能一样的话是否可以凑合用的问题。

3．芯片是怎么造的

制造芯片，如同一个投影动画的过程。

第一步，造晶圆

沙子含有25%的硅，融化了提纯，然后不停的旋转并拉起，就扭出来单晶硅棒。

如上文所述，掺杂会影响到导电性，纯度必须达到99.999999%，纯度甚至超过了蒸馏水。

然后将圆柱体的硅棒切成20mm的片，这解释了晶圆为什么是圆形。

晶圆的切片

晶圆就如同投影动画的幕布，是所有工作的基底。

第二步，设计芯片。

设计芯片如同漫画家的原画一样，每一层的场景都提前设计好。

芯片设计图，一种颜色代表一层

将设计出来的精密的图案，通过高能的粒子，冲击出根据设计图纸形状透光的蒙版，这样在光照射后的可以形成设计好的图案。

设计芯片使用的软件叫做EDA，他和芯片的原理以及现有制造的方法息息相关，国产的EDA没法和国际的上下游相结合，也无法最终的验证。换句话说，可能最后设计的芯片，要么造不出来，要么不能用。

第三步，光刻加蚀刻。

光刻，就是用光侵蚀，蚀刻，就是用化学药品侵蚀。

金属是不能被光腐蚀的，但会被化学物质侵蚀。而一种叫做光刻胶的液体，可以被光侵蚀，而不能被化学药品侵蚀。

将晶圆涂上薄薄的一层光刻胶，光刻机通过造好的模板将光投射到晶圆上，就可以将光刻胶溶解，再通过蚀刻机的浸泡，从而形成立体的图案。

光刻的过程

光刻机很像活字印刷中的刀，刻掉了晶圆上不要的部分，形成了突起和沟壑。他的波长越短，就能够实现越精细的投影，现在最先进的荷兰ASML的EUA光刻机使用的是极紫外光。

芯片中的无数个PN结

在一层层的沟槽上，打上P、N粒子以及铜，再重复以上光刻和蚀刻的过程。

芯片的多层结构

如同高速公路网一般的芯片架构就造好了。这其中的难度，如同在头发丝上写一本三国演义。

ASML光刻机的研发费用，是几个国家通力合作，花费了10亿欧元，并且脚下踩的是工业巨头尼康和佳能。

第四步：切割、测试、封装。

芯片的切割

芯片的封装

以上流程都是看图可明意。

整个流程包含了物理学、光学、材料学、化学的高端领域，精度要求极高，每一步的容错率都接近0，否则将带来指数级别的误差。所以芯片又被誉为工业制造的皇冠。

中国在这条路上，注定是一个孤独而又艰辛的旅程。

4.芯片产业的运作模式

从半导体产业链角度来看，半导体材料和设备位于产业上游，是整个半导体行业的支撑产业，中游为半导体的制造，其中集成电路的制造最为复杂，又可以分为设计-制造-封测三个环节，而集成电路制造的资金和技术壁垒是最高的。下游为半导体各类细分市场的应用，比如PC、通信、消费电子、汽车、工业应用等。

从运作模式上看，主要分为IDM、Fabless、Foundry。搞懂这三种模式，就会更加理解为什么我们一会听说海思拥有自主产权芯片，一会又听说芯片制造被卡了脖子。

（1）IDM（Integrated Device Manufacture）模式：集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试于一身的巨无霸，全产业链的企业。代表主要有：三星、英特尔。

（2）Fabless（无工厂芯片供应商）模式：只负责芯片的电路设计与销售，其余的制造等环节外包，这种企业是负责技术设计环节。代表企业有：海思、联发科（MTK）、博通（Broadcom）。

（3）Foundry（代工厂）模式：只负责芯片的制造加工等环节，属于你给我图纸我就照着做出来，可以同时为多家上游企业服务。代表企业有：中芯国际、台积电。

可以看出中国即使可以设计出芯片，但是很难造出来。

5.芯片行业面临的瓶颈

外患：

2019年，我国半导体芯片相关进口金额为3055.50亿美元，进出口贸易逆差达到 2039.71 亿美元。

花费甚至超过了石油。

中美贸易争端自2018 年3月美国对中国600亿商品加征关税开始，逐渐升级。最终上升到具体的华为、中兴等科技企业限制层面。

中美事件汇总

内忧：

目前我国对于境外材料及设备依赖程度较高，部分领域依赖程度在80%以上。

芯片产业链的国产化率

架构授权，由于手机操作系统的基础架构被美国人掌控，中国依然需要ARM等公司在芯片架构上的授权。

设计软件EDA，美国Synopsys公司和Cadence公司、德国Mentor Graphics公司，占领着国内约90%的EDA市场份额，国内企业追赶可能需要10年时间。

制作芯片的核心光刻机，由于西方瓦森纳协议限制，中国只能买到 ASML落后他人两代的产品。国产只能够提供 90-60纳米的光刻技术。

光刻胶，国内半导体光刻胶市场基本被国外垄断。

6.芯片企业现状

在2010年到2018年，国内芯片企业由582家增长到了1698家，翻了三倍。但其中50%企业收入不足1000万。导致研发费用分散，中低端竞争加剧，需要进一步的产业整合。

目前我国芯片产业人才缺口仍有30万人，对于对手企业的高管及技术核心，从中芯国际创始人张汝京，到台积电老将蒋尚义 现在又加上梁孟松，待遇层面不计代价、毫不手软。但人才的自主化培养仍需要加强。

半导体投入巨大，呈现赢家通吃，别人研制一代落后一代的局面。从市场占有率来看，台积电占据了市场的半壁江山。资本开支至少每年是中芯国际的7倍。净利润达到了中芯国际的50倍。

目前台积电在全球范围内拥有 3.7万项专利。中芯国际拥有8000余件。大量的专利也帮助台积电能够在专利官司中胜出，譬如 2009 年中芯国际因专利侵权等案件，被判决向台积电支付约10亿美元赔偿，同年中芯国际仅有1.6亿的营收，失去发展重要契机，差距持续扩大。

2020年，中芯国际已经进入到14nm制程的量产阶段 并将资本化开支增加到43亿美元，加速追赶的过程。

而华为，也在逐渐完成巨头的蜕变，下一个100年，仍然屹立不倒。

随着我国半导体产业链逐渐完善，各个板块均有公司崭露头角，虽然行业规模还无法与美国相提并论，但是在晶圆制造、蚀刻机、后期封装等方面已经能够实现对国外企业的替代。

以小米、海思为代表的设计领域，更是已经走在了前列。对于AI芯片这个全新领域，更是展开了基础架构层面的革命。

沉睡的大象已再次被惊醒，规模数千亿的大基金蓄势待发，我们有的是钱，缺少的只是时间。

我们的目标是全产业链的星辰大海，再没有一个国家有这样的决心。届时，没有任何理由可以限制到我们。

祖国的芯片行业，未来可期。