本文來自微信公眾號：老和山下的小學僧，原文標題：《點沙成金：半導體芯片》。
在中國和“外國”這兩國的較量中，究竟哪一國更占上風？有說中國吊打外國，有說外國輕松把中國摁在地上摩擦，雙方都列舉了林林總總的例子，整得吃瓜群眾一臉懵逼。當然，中間派肯定說兩國各有利弊，但這結論雖然正確卻沒啥營養。想要在中外兩國這個話題上顯得有見識，得先搞明白啥是技術？
核心技術到底是個啥？
把技術分分類，第一類姑且叫“可山寨技術”，或者叫“純燒錢技術”，有人喜歡往左邊燒，有人喜歡往右邊燒，于是就燒出了不同的應用技術。這本質上是用舊技術集成出新玩意兒，比如，美帝登月的土星五號，土工的跨海大橋，小胡子的鼠式坦克，甚至包括中國長城和埃及金字塔。打個比方，這有點像吉尼斯紀錄：最長的頭發，最長的指甲，等等……這類東西，只要錢到位，擱誰都燒的出，關鍵看有沒有需求，所以這些也可以叫應用技術。
比如這種架橋機，幾個工業大國都能搞，但搞出來只能當玩具，只有土工搞出來才賺錢。
土工發家后，迸發出海量需求，推動各種燒錢的應用技術井噴，賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細節，于是，可以不吹牛的說，中國的應用技術已經和整個外國平起平坐。
第二類技術暫且叫“不可山寨技術”，或者叫“燒錢燒時間技術”，任何牛逼設備，你拼命往細拆，最終發現都是材料技術。
做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的成分可以告訴你，但你做的菜就是沒我做的好吃，這就是核心技術。 除了生物醫學之外，核心技術說到底就是材料技術。看一串例子：
發動機，工業皇冠上的明珠，是土工最遭人詬病的短板。其核心技術說白了就是渦輪葉片不夠結實，油門踩狠了就得散架，無論是航天發動機、航空發動機、燃氣輪機，只要帶個“機”字，土工腰桿都有點軟(可翻看前文《材料之殤：難產中國心》)。
材料技術除了燒錢、燒時間，有時還要點運氣。還是以發動機為例：金屬錸，這玩意兒和鎳混一混，做出的渦輪葉片吊炸天，錸的全球探明儲量大約2500噸，主要分布在歐美，70%用來做發動機渦輪葉片，這種戰略物資，妥妥被美帝禁運。前幾年在陜西發現一個儲量176噸的錸礦，可把土工樂的，馬上拼了老命燒錢，這幾年苦逼生活才有了起色。
稀土永磁體，就是用稀土做的磁鐵，能一直保持磁性，用處大大的。高品位稀土礦大多分布在中國，所以和“磁”相關的技術，土工比美帝還能嘚瑟，比如核聚變、太空暗物質探測等。據說，土工前幾年也對美帝禁運，逼得美帝拿錸交換，外加陜西安徽刨出來的那點錸，J20的發動機才算有些眉目。
作為“工業之母”的高端機床，土工基本和男國足一個水平，只能仰望日本德國瑞士。材料是最大的限制之一，比如，高速加工時，主軸和軸承摩擦產生熱變形，導致主軸抬升和傾斜，還有刀具磨損，等等，所以對加工精度要求極高的活，土工還是望“洋”興嘆。
光學晶體，土工的部分產品還能對美帝實施禁運，所以和光相關的技術都不弱，比如激光武器、量子通信。氣動外形，得益于錢學森那輩人的積淀，與之相關的技術也是杠杠的。
如果我們繼續羅列，就會發現，應用寬泛的基礎性材料，中國還是落后外國，應用相對較窄的細分領域，中國逐漸領跑。
小盆友們坐端正，重點來了！這種關鍵核心材料，全球總共約130種，也就是說，只要你有了這130種材料，就可以組裝出世界上已有的任何設備，進而生產出已有的任何東西。
人類的核心科技，某種程度上說，指的就是這130種材料，其中32%國內完全空白，52%依賴進口，在高端機床、火箭、大飛機、發動機等尖端領域比例更懸殊，零件雖然實現了國產，但生產零件的設備95%依賴進口。這些可不是陳芝麻爛谷子的事情，而是工信部2018年7月發布的數據，還新鮮著呢。
核心材料技術，說一句“外國仍把中國摁在地上”，一點都不過分。這其實很容易理解，畢竟發家時間不長，而材料技術不但要燒錢，更要燒時間。
這里得強調一下，應用技術并不比核心技術不重要，它需要資金、需求和社會實際情況的結合，雖然外國有能力燒，但也許一輩子都沒機會燒。這兒肯定有人抬杠了：人家只是不愿意燒，不然分分鐘秒殺你！呵呵，如果強行燒錢，后果參照老毛子。
磨嘰半天，該回正題了，半導體芯片之所以難，是因為它不但涉及海量燒錢的應用技術，還有眾多燒錢燒時間的材料技術。為了便于理解，這話得從原理說起。
芯片原理和量子力學
很多文盲覺得量子力學只是一個數學游戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，請看示范：
導體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，小盆友們第一次被物理整懵的，怕是半導體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。
原子組成固體時，會有很多相同的電子混到一起，但量子力學認為，2個相同電子沒法待在一個軌道上，于是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。
有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏觀上表現為導電，反過來，電子動不了就不能導電。
好了，我們把事情說得簡單一點，不提“價帶、滿帶、禁帶、導帶”的概念，準備圈重點！
有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動，這就是導體。一價金屬的導電原理稍有不同。
但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，也就不導電了。但如果空隙的寬度在5ev之內，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，也就是導電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時能導電有時不能導電，所以叫半導體。
如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。當然，如果是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。
到這，由量子力學發展出的能帶理論就差不多成型了，能帶理論系統地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質區別，即，取決于滿軌道和空軌道之間的間隙，學術點說，取決于價帶和導帶之間的禁帶寬度。
半導體離芯片原理還很遙遠，別急。
很明顯，像導體這種直男沒啥可折騰的，所以導線到了今天仍然是，技術上沒有任何進展，絕緣體的命運也差不多。
半導體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，所以與電子設備相關的產業基本都屬于半導體產業，如芯片、雷達。
下面有點燒腦細胞。
基于一些簡單的原因，科學家用硅作為半導體的基礎材料。硅的外層有4個電子，假設某個固體由100個硅原子組成，那么它的滿軌道就擠滿了400個電子。這時，用10個硼原子取代其中10個硅原子，而硼這類三價元素外層只有3個電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就相當于在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子，為電子的移動提供了條件。這叫P型半導體。
同理，如果用10個磷原子取代10個硅原子，磷這類五價元素外層有5個電子，因此滿軌道上反而又多出了10個電子。相當于擠滿人的公交車外面又掛了10個人，這些人非常容易脫離公交車，這叫N型半導體。
現在把PN這兩種半導體面對面放一起會咋樣？不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結”。(動圖來自《科學網》張云的博文)
這時候再加個正向的電壓，N型半導體那些額外的電子就會源源不斷跑到P型半導體的空位上，電子的移動就是電流，這時的PN結就是導電的。
如果加個反向的電壓呢？從P型半導體那里再抽電子到N型半導體，而N型早已掛滿了額外的電子，多出來的電子不斷增強電場，直至抵消外加的電壓，電子就不再繼續移動，此時PN結就是不導電的。
當然，實際上還是會有微弱的電子移動，但和正向電流相比可忽略不計。
如果你已經被整暈了，沒關系，用大白話總結一下：PN結具有單向導電性。
好了，我們現在已經有了單向導電的PN結，然后呢？把PN結兩端接上導線，就是二極管：
有了二極管，隨手搭個電路：
三角形代表二極管，箭頭方向表示電流可通過的方向，AB是輸入端，F是輸出端。如果A不加電壓，電流就會順著A那條線流出，F端就沒了電壓；如果AB同時加電壓，電流就會被堵在二極管的另一頭，F端也就有了電壓。假設把有電壓看作1，沒電壓看作0，那么只有從AB端同時輸入1，F端才會輸出1，這就是“與門電路”，
同理，把電路改成這樣，那么只要AB有一個輸入1，F端就會輸出1，這叫“或門電路”：
現在有了這些基本的邏輯門電路，離芯片就不遠了。你可以設計出一種電路，它的功能是，把一串1和0，變成另一串1和0。
簡單舉個例子，給第二個和第四個輸入端加電壓，相當于輸出0101，經過特定的電路，輸出端可以變成1010，即第一個和第三個輸出端有電壓。
我們來玩個稍微復雜一點的局：
左邊有8個輸入端，右邊有7個輸出端，每個輸出端對應一個發光管。從左邊輸入一串信號：00000101，經過中間一堆的電路，使得右邊輸出另一串信號：1011011。1代表有電壓，0代表無電壓，有電壓就可以點亮對應的發光管，即7個發光管點亮了5個，于是，就得到了一個數字“5”，如上圖所示。
終于，我們已經搞定了數字是如何顯示的！如果你想進行1+1的加法運算，其電路的復雜程度就已經超過了99%的人的智商了，即便本僧親自出手，設計電路的運算能力也抵不過一副算盤。
直到有一天，有人用18000只電子管，6000個開關，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個超級復雜的電路，誕生了人類第一臺計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及現在手持計算器的十分之一。不知道當時的工程師為了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。
接下來的思路就簡單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那么大的地方上呢？這就是芯片。
芯片制造與中國技術
為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多余的東西全扔了，直接在硅片上制作PN結和電路。下面從硅片出發，說說芯片的制作過程和中國所處的水平。
一、硅
把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，切成片就是我們想要的硅片。硅的評判指標就是純度，你想想，如果硅里有一堆雜質，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。
難得的是，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%的制造設備還得進口……
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。
二、晶圓
硅提純時需要旋轉，成品就長這樣：
所以切片后的硅片也是圓的，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經有點耳熟了？
切好之后，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想，以目前人類的技術，怎樣才能完成這種操作？
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種器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。
首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪里來？光刻機，可以用非常精準的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來。然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，這套設備就叫刻蝕機。在溝槽里摻入磷元素，就得到了一堆N型半導體。
完成之后，清洗干凈，重新涂上感光材料，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，大致原理就是這么回事。有點像3D打印，把導線和其他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，這些電路并不比那臺30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。只是采用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。
據說這就是一個與非門電路：
提個問題：為啥不把芯片做的更大一點呢？這樣不就可以安裝更多電路了嗎？性能不就趕上外國了嘛？
這個問題很有意思，答案出奇簡單：錢！一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做出100塊芯片，10nm工藝可以做出210塊芯片，于是價格就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又可以做更多研發，差距就這么拉開了。
說個題外話，中國軍用芯片基本實現了自給自足，因為咱不計較錢嘛！可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到雜質的概率越大，所以芯片越大良品率越低。總的來說，大芯片的成本遠遠高于小芯片，不過對軍方來說，這都不叫事兒。
可別把“龍芯”和“漢芯”混為一談
三、設計與制造
用數以億計的器件組成如此龐大的電路，想想就頭皮發麻，所以芯片的設計異常重要，重要到了和材料技術相提并論的地步。
一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結出問題，電子同樣會堵車。這種精巧的線路設計，只有一種辦法可以檢驗，那就是：用！大量大量的用！現在知道芯片成本的重要性了吧，因為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。
正因為如此，芯片設計不光要燒錢，也需要時間沉淀，屬于“燒錢燒時間”的核心技術。既然是核心技術，自然就會發展出獨立的公司，所以芯片公司有三類：設計制造都做、只做設計、只做制造。
半導體是臺灣少有的仍領先大陸的技術了，基于兩岸實質上的分治狀態，所以中國大陸和臺灣暫且分開表述。
早期的設計制造都是一塊兒做的，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，最落后的就是大陸，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！
后來隨著芯片越來越復雜，設計與制造就分開了，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，大陸的華為海思、展訊等。
挨個點評幾句。
大名鼎鼎的高通就不多說了，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，很多國產手機都用，比如小米、OPPO、魅族。不過最近被高通干的有點慘，銷量連連下跌。
華為海思是最爭氣的，大家肯定看過很多故事了，不展開。除了通信芯片，海思也做手機用的麒麟芯片，市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。個人切身體會，海思芯片的進步真的相當不錯(這一波廣告，不收華為一分錢)。
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，硬著頭皮上，走的是低端路線。前段時間傳出了不少危機，后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，產品應用于電視、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！
還有一類只制造、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，才把芯片的設計和制造分開了。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，成為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。不過受制于臺灣詭譎的社會現狀，臺積電開始布局大陸，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。
大陸的中芯國際具備28nm工藝，14nm的生產線也在路上，可惜還沒盈利。大家還是愿意把這活交給臺積電，臺積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業務。
美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力，最近幾個站臺積電剛剛上線了7nm工藝，穩穩壓過三星，首批客戶就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設計芯片，臺積電加工芯片。
說真的，如果大陸能集成臺灣的半導體產業，并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松一半。現在嘛，大陸任重而道遠吶！
四、核心設備
芯片良品率取決于晶圓廠整體水平，但加工精度完全取決于核心設備，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！不好意思，產量還不高，你們慢慢等著吧！無論是臺積電、三星，還是英特爾，誰先買到阿斯麥的光刻機，誰就能率先具備7nm工藝。沒辦法，就是這么強大！
日本的尼康和佳能也做光刻機，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。
阿斯麥是唯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，其中一臺是給咱們的中芯國際。
既然這么重要，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納米光刻機研制成功(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上設備銷售給中國，后來中國開始攻關65nm光刻機，2015年美帝允許65nm以上設備銷售給中國，再后來美帝開始管不住小弟了，中芯國際才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，銷售額輕松秒殺阿斯麥，哦耶！
重要性僅次于光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經量產運行，7-10nm刻蝕機也在路上了，所以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月終于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。涂感光材料得用“涂膠顯影機”，日本東京電子公司拿走了90%的市場份額。即便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650億美元，其中設備投資500億美元，再其中480億美元用于購買進口設備。
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130億美元。
論半導體設備，中國，任無比重、道無比遠啊！
五、封測
芯片做好后，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，后面還跟著一堆實力不俗的小弟：硅品、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
說起中國芯片，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，作為自主研發成果，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！以致于很長一段時間，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，絕大部分領域中國還是處于“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，中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實現零突破的階段，雖然市場份額微乎其微，但每個領域都參了一腳，前景還是可期待的。
極限
文末，習慣性抱怨一下人類科技的幼稚。芯片，作為大伙削尖腦袋能達到的最高科技水準，其基礎的能帶理論竟然只是個近似理論，電子的行為仍然沒法精確計算。再往大了說，別看現在的技術紛繁復雜，其實就是玩玩電子而已，至于其他幾百種粒子，還完全不知道怎么玩！
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差不多就是幾個原子而已，量子效應非常顯著，近似理論就不好使了，電子的行為更加難以預測，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！工程師可以半道出家，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，如今每年填報熱度還不如耍戲的。
不能光折騰電子了，為了把中微子也用起來，咱趕緊忽悠......哎，不對，是呼吁更多孩子學基礎科學吧！
本文來自微信公眾號：老和山下的小學僧。
