点沙成金 半导体芯片

老和山下的小学僧

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！

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。（图1）

图1

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。（图2）

图2

下面有点烧脑细胞。

经过计算筛选，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，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”。但是PN结具有单向导电性，即，电流只能从这一头流向另一头，无法从另一头流向这一头。

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。（图3）

图3

有了二极管，随手搭个电路（图4）：

图4

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”。（图5）

图5

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。（图6）

图6

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”。（图7）

图7

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。（图8）

图8

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，不过这种硅原子排列混乱，会影响电子运动，就叫多晶硅吧。（图9）

图9

把多晶硅熔化了，按特定方法旋转提拉，就可以拉制成原子排列整齐的单晶硅。（图10）

图10

所以成品就长这样：（图11）

图11

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

把单晶硅圆柱切片，就得到了圆形的硅片，因此就叫“晶圆”。（图12）这词是不是已经有点耳熟了？

图12

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。（图13）

图13

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。

这是一个与非门电路：（图14）

图14

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。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，而且性能杠杠的，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。

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。

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，体育手机横空出世，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。（图15）

图15

图15

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。（图16）

图16

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：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，这家中国电子信息产业集团的二级公司，连续多年以50%年增长率狂追，算是站稳了脚跟。（图17）

图17

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，大陆的起点最低，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！（图18）

图18

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一度排第三，很多国产手机都用，比如小米、OPPO、魅族。不过后来被高通干的有点惨，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。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。（图19）

图19

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。

没错，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。最近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。（图20）

图20

大陆中芯国际的14nm生产线刚刚上路，还在尚需努力的阶段。大家还是更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。

悄悄说，三星和台积电的大股东都是美帝财阀，不然人家怎么能叫美帝呢？

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！（图21）

图21

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！（图22）

图22

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！（图23）

图23

2018年底有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。（图24）

图24

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。

大陆三大封测巨头，长电科技、华天科技、通富微电，混的都还不错。（图25）

图25

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。（图26）

图26

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。（图27）

图27

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？

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。（图28）

图28

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。

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！