本文为中国科学技能大学副研究员、有名科普达人袁岚峰老师在不雅观传媒举办的2020《答案》年终秀上的演讲。
中国芯片的正道何在？非常多的人低估了这个寻衅的难度，常常可以见到许多缺点理解。中国芯片业的掉队，看似是一个点，实在反响的是一大片。以是唯一的正道，便是把所有这些门类的根本都补上，都达到天下顶端。
活动现场视频。1:36分至15:05分为袁岚峰老师演讲
大家都知道的，我国被卡脖子最严重的领域是芯片。我创造，非常多的人低估了这个寻衅的难度，常常可以见到许多缺点理解。
例如，有人认为中国在两年内就可以造出高端芯片
实际上，这是个大大过分的估计。目前我们没法给出个韶光表。如果我们能在十年内造涌如今最高水平的芯片，便是很大的成功了。
又如，？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？常常有人说“小小的芯片”，难道我们连小小的芯片都搞不定吗？
对此的回答很大略：新冠病毒也只是个“小小的病毒”，你以为它随意马虎搞定吗？
再如，常常有人说，芯片再难，有两弹一星难吗？
实际上，这两者的难度不是同一类的。芯片的难度在于精密制造，而一个国家能不能造出核武器，在很大程度上取决于核材料的生产。看一个国家有多少离心机就能判断出他们离造出原子弹有多远，以是你会看到各个大国三天两头跟伊朗的离心机扯皮。
还常常有人说，统一台湾，拿下台积电，就能办理芯片问题
在这些人的想法中，统一台湾这种国家大事居然成理解决一个技能问题的手段。这本身便是轻重不分，十分搞笑。其余，还有一个显而易见的问题：如果荷兰ASML公司不给台积电供应最前辈的光刻机，你不还是被卡住吗？
还有一种常见的说法是，中国的芯片本来跟天下差距不大，乃至是前辈的
实际上，当时我们的芯片水平绝不是领先，乃至也不是差距不大，而是差距非常大。
我看过一篇文章，纪念我国半导体科技的奠基人之一王守武院士，个中有这样一个故事：
王守武院士
1977年，国际上开始工业生产16K的芯片，64K的芯片也已经做出样品。同时中国只有少数单位仿照国外产品，做出了靠近1K的芯片。但成品率极低，不能投入生产，只能作为样品。1K对64K，这便是当时的差距。
然后，中国科学院提出，要在一年内拿下4K芯片。但经由一年的研究，成品率仍旧很低。
1978年10月，中科院请王守武全面卖力这一任务。他带领团队奋战一年，到1979年9月，终于把4K芯片的成品率提高到了……20%以上。
这是什么观点？量产的芯片成品率至少要达到90%以上，否则难以收回本钱。可是当时王守武的这20%成品率就已经是重大进步了，得到了中国科学院科技成果一等奖。
在剖析完这些缺点理解后
我们来讲精确的理解
最基本的问题是，芯片是什么？
我来给大家出道题。下面这些哪些属于芯片，哪些不属于芯片：电脑处理器，手机处理器，机器硬盘，固态硬盘，电脑内存，手机存储卡，U盘，液晶显示器？
请大家思考一下。如果你能答对，你的知识水平就超过了90%的人。
答案是：这些险些都属于芯片，只有两个不是。一个是液晶显示器，另一个是电脑硬盘中的一类，机器硬盘。机器硬盘是用磁来存储的，不是半导体。而电脑硬盘中的另一类，固态硬盘，却属于芯片。固态硬盘、电脑内存、手机存储卡和U盘都是用半导体来存储的，它们都属于芯片。
实在，液晶显示器跟芯片也是近亲，由于它是用半导体元件掌握的，而且它的制造过程与芯片也十分相似。因此，液晶显示这个行业又被称为半导体显示。
芯片的力量何在？它实际上是来自半导体
知道这个，你的知识水平就超过了99%的人。
为什么半导体这么神通广大？
缘故原由在于，只有半导体有变革。跟半导体相对的，导体永久是导电的，绝缘体永久是不导电的，它们都没有变革。
只有半导体，可以在导电和不导电之间转换。我们可以掌握这种转换，办法有很多。用导电和不导电表示0和1，就可以打算，可以存储，产生无穷的变革。
那么，半导体是若何在导电与不导电之间转换的？
这里的基本元件是三极管。我见过的对三极管事理最好的描述，来自这本书《图解芯片技能》，作者是清华大学材料学院田民波教授。
三极管好比一个带水闸的水路。左边有个水源，右边有个水泵在抽水。但中间有个水闸，在水闸关闭时，是没有水流的。
然后我们逐渐把水闸升起。一开始，水闸的底部仍旧在水槽里，以是还是没有水流。当水闸底部升到水槽之上，就开始有水流了。水闸升得越高，水流就变得越大。
把水流换成电流，这就完备是对三极管的描述。左边的水源、右边的水泵和中间的水闸，就对应三极管的三个极，源极、漏极和栅极。水闸的高度，就对应栅极上的电压。
【注释：源极、漏极和栅极实际上是场效应管的三个极，三极管的三个极叫做发射极、集电极和基极。不过《图解芯片技能》的原文便是如此，我理解这是由于场效应管和三极管在逻辑上的浸染相同，都是通过某种办法掌握导电与不导电之间的转换，以是田民波教授采取了一种简化的阐明，以方便初学者。】
芯片的28纳米、14纳米、7纳米等等究竟是什么意思？
实在这便是栅极的厚度，专业的名称叫“栅长”。如果你能记住这些多少纳米是栅长，那么你的知识水平就超过了99.9%的人。
纳米成为常用单位，这是非常神奇的一件事。一纳米是10的-9次方米，大约只有10个原子的长度，一根头发丝直径的几万分之一。现在一粒芝麻的面积上（小于一平方毫米）能排列上亿个三极管，这是多么惊人的奇迹！
由此就引出了芯片的一个特色：它是目前人类精密制造的最高水平。
这便是为什么我们不能制订一个太乐不雅观的韶光表，由于精密制造正是中国跟天下前辈水平相差最远的方向。有一句话很形象：中国制造在西方的阛阓里，德日制造在中国的工厂里，美国制造在中国的实验室里。
芯片制造难在哪里呢？
实在每一步都很难，没有随意马虎的。芯片制造分为五个阶段。
芯片制造的五个阶段
第一，把沙子，也便是二氧化硅，转化成多晶硅。
第二，把多晶硅提炼成单晶硅，再把单晶硅切成一个个圆盘，也便是晶圆。
第三，在晶圆上制造各种器件。
第四，把芯片封装起来。
第五，做末了的测试。
例如第一个阶段，多晶硅的纯度要达到11个9，即99.999999999%。我们平时说的纯金，只不过是4个9，99.99%而已。
第二个阶段，晶圆要做得非常平，连它自身的重量导致的波折，都是要掌握的。如何掌握这些晶体毛病，是各个厂商从长期的履历教训中总结出来的，是他们高度重视的技能秘密。
前两个阶段都很难，第三个阶段又是难中之难。光刻便是个中的核心技能。
光刻是什么？
实在就好比传统的胶片摄影技能，包括曝光、显影、定影等等。详细的操作是这样的。
首先，在晶圆表面涂一层光刻胶。
然后，在晶圆上面放一层掩膜，要刻的图案就画在掩膜上。
然后，用光通过掩膜去照射下面的晶圆。这里的关键在于，光刻胶碰着光会发生化学反应。这样，图案就转移到了光刻胶上。
然后，把光刻胶去掉。但发生过化学反应的地方，就留下了。
末了，对没有光刻胶的地方进行刻蚀。这样，图案终于转移到了晶圆上。真正在晶圆上刻出东西来，是在这一步。
大家可能听说过，有个东西叫做刻蚀机，而且中国的中微半导体在刻蚀机方面是天下领先的。这当然很好，不过在很多其他步骤上我们便是掉队的，就有非常多的毛病。比如说，一样平常人都知道我们没有高真个光刻机，实在刚才提到的那个光刻胶，我们也还没有高质量的。
近年来，每当宣布一个中国在芯片方面的技能进展，急速就有很多人欢呼可以取代光刻了，可以摆脱卡脖子了。实在这完备是误解。
光刻真正的厉害之处，在于它保持这么高精度的同时，还能有很高的生产效率
如果单说分辨率能达到纳米级的技能，那么这样的技能实在有很多。我发的论文里就有不少是关于这些技能的，例如我们实验室2001年在《Nature》上的文章，那里用到的技能叫做扫描隧道显微镜。
袁岚峰等人2001年在《Nature》上的文章
但这些技能都是一个原子一个原子去操作。它们跟光刻的比拟，就彷佛抄书跟印刷术的比拟，实在是太慢了。以是这些技能都是用于根本研究的，而不是工业生产。
抄书对印刷术
现在制造一个芯片，须要经由300至500道工序，涉及精密机床、精密化工、精密光学等险些所有领域的尖端技能。如果说芯片是当代工业技能的皇冠，那么它便是在其他好几顶皇冠的根本上累加起来的，是皇冠上的皇冠。
皇冠上的皇冠
中国芯片业的掉队，看似是一个点，实在反响的是一大片。以是唯一的正道，便是把所有这些门类的根本都补上，都达到天下顶端。
我们常常说危急既是危，也是机。每当美国打压我们，都有人欢呼危要转化成机了。但这绝不是一定的。危转化成机，关键是我们自己要努力，要做出改革，包括科研系统编制、教诲系统编制、市场机制、思想文化等很多层面的改革。
很多层面的改革
如果我们只是在嘴上说说，指望事情自动变好，老想着走捷径，或者淡化困难，或者委过于人，那么危便是危，不会转化成机。我们该做的事情做够了吗？我看远远不足。
这便是我希望通报给大家的最主要的信息。我们要走正道，付出巨大的努力，做出巨大的改革。这不但是为了我们自己，也是为了全人类。
来源：共青团中心
