最强科普 | 如何进行半导体芯片制造，及芯片产业链剖析
新闻不用赘述——在不依靠美国企业的情况下，华为能否获得足够优秀的芯片？而大陆芯片相关企业，技术和世界先进水平差距又有多大？在探究这些之前，我们得先看看芯片是如何诞生的。
芯片又名集成电路，是半导体元件产品的统称。大致可分为两类，实现思考功能的芯片，如 CPU、AI；实现记忆功能的芯片，如存储芯片等。
造芯片的第一步，是设计电路图（IC设计），高通、英伟达、海思它们就是干这个的。集结无数专家，根据芯片的用途制定规格，再使用 EDA 软件完成细节设计。
设计好的电路图，需要拿到芯片工厂流片，也就是通过流水线一样的工艺，「试生产」个几片几十片，供测试用，测试通过了才能开始大规模生产。
看起来简单，实则需要恐怖的人力物力财力。像麒麟 980，华为从2015年就立项研发，一次流片就几千万美元；如果流片失败不仅钱白花，还影响产品上市时间。
据悉，小米澎湃 S2 之所以至今未面世，是因为流片五次都失败了，小米几个亿砸下去连水花都没冒一个，雷布斯心里苦啊！
造芯片的第二步，就进入到制作阶段。首先，需要找原材料沙子，这个沙子不是我们在沙滩上玩的那种，需要从石英岩中提取出来。 这个石英岩也是由沙子形成的，一些沙子随着时间的推移挤压在一起，在地球深处被加热，除石英外几乎所有元素都从岩石中消失了，所以从这种沙子里能提炼出的高纯度的硅。 怎么提炼呢？当然是用熔炉了，把它们和足量的碳混在一起，经过几千摄氏度高温炙烤，加上反复地酸化和蒸馏后，转变成纯度高达 99.999999％ 的纯硅锭。
这些纯硅锭再通过一种名为「直拉法」的工艺，一边旋转，一边冷却，最终成为一根黑大粗长的单晶硅棒。
硅谷当年之所以取名硅谷，灵感就是来源于它，可见硅对于世界的影响。
接下来，这根硅棒会被切头去尾，因为那部分性能不好。随后经过外径研磨，把硅棒磨削成指定的尺寸，通常是 8 英寸或 12 英寸，直径越大，最终单个芯片生产成本就越低；但相应的，加工技术要求也越高。
再往下，要用钻石刀将硅棒给切成一片片又薄又平的圆盘，根据用途，厚度一般在 0.5~1.5 毫米。
把圆盘进行抛光，磨得比家里的镜子还「亮」个上百倍后，就形成了硅晶圆，也就是制作芯片的底盘。
有点像造房子，硅晶圆相当于地基，把电路图「建造」在上面，便诞生出芯片。只不过其步骤之繁琐和苛刻，都快赶得上造一座城市了。
由于芯片制造对工艺要求极高，需要在无尘环境中进行，所以在几个足球场那么大的工厂里，水和空气都经过多级过滤，比医院的手术台还要干净 10 万倍。
有点想去里面逛逛，感受下呼吸如此纯净的空气，是怎样一种感受......
在这里面，硅晶圆将经历数百道工艺，最终成为芯片。
首先，会把硅晶圆送到「烤炉」中，在精确控制的温度和气体氛围下，于其表面烘焙形成均匀的氧化膜，接着在上面喷淋一种叫「光刻胶」的保护层。
有点像烤吐司，把表面烤焦，然后在上面抹一层酱。
之后，我们熟悉的光刻机就登场了。它将紫外线透过掩膜，把预先设计好的电路图投影到硅晶圆上，被照到的光刻胶会溶解，变成电路的形状。
光刻完成的硅晶圆，将被浸泡在刻蚀试剂中，没有被光刻胶保护的部分（也就是光刻好的电路图），表面的氧化膜逐渐被腐蚀掉，裸露出硅基底，最终形成电路图。
这时，光刻胶的使命就完成了，被无情的清理掉。
值得注意的是，光刻和蚀刻的制程工艺，与成芯后的性能息息相关。通俗点说，就是刻的越精细，每颗芯片上的晶体管就越多，性能便越强。
再往后，轮到离子注入环节了。离子就是带电的原子，它们会嵌入到硅里面，改变它们的极性，形成晶体管。
如此一来，电流就只能从一个方向通过，而晶体管将扮演小型开关的作用，这样，CPU 就能理解我们的指令，并做出相应的反馈。
接着，开始沉积镀铜。在真空设备内，通过惰性气体离子束打在铜靶材上，将铜原子冲刷出来，然后沉积在硅晶圆上，一层又一层。相当于给硅晶圆上铺上几层「铜灰」。
镀上铜后，硅晶圆要拿回去，再次经历表面磨削、光刻、刻蚀等过程，把镀好的铜分割成细小的导线，达到连接晶体管的目的。
较为复杂的芯片，会重复镀铜到刻蚀这一步骤 20 次以上，形成 20 多层复杂的电路。里面有数公里长的导线，将几千万甚至上亿根晶体管连接在一起，令人叹为观止。
经过这一系列的流程后，我们得到了布满芯片的硅晶圆，进入到最后一步封装测试。
用精细的切割器，将硅晶圆切成一个个集成电路裸片，然后和底板、散热片等部件拼装在一起，一颗完整的芯片就此诞生，通过最终检测后，便可以包装、销售了。
其实，以上这些看得人眼花缭乱的流程，已经是大幅简化后的版本。由此可见，一颗指甲盖大小的芯片中，包含了难以计数的元件，涉及无数前沿核心技术，工艺复杂又精妙。 小鱼想说，售价数千元的手机，才是真正的工业时代奢侈品，相比之下神马 LV 包包陀飞轮手表，技术含量弱爆了。 因此，一颗芯片的诞生，需要产业链上下游多家公司、数千名工程师、历经无数道工序完成。
整个芯片产业链相关企业，大致可分为四类——IC设计、芯片制作、封装测试、设备制造。
——IC设计，前面有提到，高通、英伟达、海思它们就是干这个的。因为有海思撑大梁，所以这一项中国芯片业和世界先进水平差距并不算太大。
2018年，海思营收为 75.7 亿美元，而全球排第一的博通营收 217.5 亿美元，是海思的 2.87 倍。
目前，除了我们熟悉的麒麟系列手机芯片外，海思的产品还有服务器芯片（鲲鹏系列）、基站芯片、基带芯片、AI 芯片等等。这次海思能拿出充足的「备胎」，确保华为大部分产品的战略安全，其深厚的技术底蕴可见一斑。
唯一的问题是，IC设计中必须用到的 EDA 软件，基本被美国垄断。世界上三大 EDA 软件 Cadence、Mentor 和 Synopsys，全都是美国的，尽管海思也有自研，可技术上仍存在不小的差距。
——芯片制作领域，典型代表台积电，三星、英特尔也有自己的制造厂。
目前大陆第一大制造商中芯国际2018年营收 33.6 亿美元，世界第一大制造商台积电，2018年销售额创纪录为 1.03 万亿新台币，约合 323 亿美元，差距为 10 倍。
但更大的差距，还在制程工艺上。台积电作为 ASML 最大股东，能第一时间拿到 ASML 最新的光刻机，目前已经开始试生产 5 纳米芯片；而中芯国际的 14 纳米工艺才正准备量产，二者之间存在两代半左右的技术差距。
此外，芯片制作是芯片制造环节中，最烧钱的一项，而且随着制程工艺进步，所需投资成倍增长。从70年代的几千万美元，到几亿美元，十几亿美元，几十亿美元，上百亿美元......
去年三星、台积电投资的 7 纳米工厂，投资都超过了两百亿美元。它们是靠政府的全力支持，同时利用旧工厂的高利润，才撑得起新厂房的投入。
相比之下，中芯国际在利润上远不如它们，所以未来在追求先进制程工艺上，会显得极为吃力，希望不要像牙膏厂一样，变成 14 纳米++++~
——封装测试，它的技术要求，相比设计和制造会低一些，所以我们和世界先进水平的差距也相对较小。
中国第一大封装厂长电科技2018年营收 238.56 亿元；世界第一大封装厂日月光2018年营收 1519.2 亿新台币，约合人民币 334.4 亿元，差距为 1.4 倍。
——设备制造，就是供应生产芯片需要的设备，如光刻机、蚀刻机等等。
这是中国芯片产业最大的弱项，一个光刻机便被卡的死死的，更别提各种高纯原料、清洗用研磨液、掩膜版等；甚至，我们连一些特殊原料的包装桶都需要进口。
总的来说，目前大陆的芯片产业，还是处于极为薄弱的状态。 不过，只要海思能够在「备胎」有效的时间里，设计出足够优秀的芯片，台积电那边不出幺蛾子，满足华为产品使用还是做得到的。 引用一句网友的话：当你不够强大的时候，敌人的制裁，立刻会让你原形毕露；但当你足够强大的时候，敌人的制裁只会成为你的勋章。
而对于大陆的芯片产业来说，一切并非没有希望。
一方面，很多优秀的中国企业，已经在从各个细节入手，提升我们的综合竞争力。
如中微半导体，其创始人尹志尧，曾位居美国应用材料总公司（世界最大半导体生产设备供应商）副总裁，被称为硅谷最成功的华人之一。
2004年，尹志尧放弃一切，回国创业，仅用三年时间，便为中国填补了等离子体刻蚀机的空白。目前，中微半导体已研发出了 7 纳米刻蚀机台，与世界最先进的水平同步，并成为大陆地区唯一一家有资格向台积电供应设备的厂商。
另一方面，目前摩尔定律在纳米阶段已逐渐失效。
以目前的工艺技术，到了 3 纳米以下的时候，电子在半导体内的流动，就不是按照我们所理解的理论来走了，而是会遇到神秘的量子效应，当前的工艺技术就会面临天花板。
所以在几年之内，各领先企业都会停滞在 3 纳米制程附近，正是中国赶上来的好机会。
今天的中国，拥有全世界最好的硬件产业基础，也拥有全世界最多的工程师、设计师，而且他们在共同文化背景下，可以很快协作起来。这形成了中国企业打造全球领先产品的能力。
所以，在芯片上，中国能否实现弯道超车，就让时间给我们答案。
