1.本文是转载，作者是搞纳米材料的科研大牛，自号小学僧，关于芯片说的深入浅出，让我一个学芯片出身的都敬佩不已，同时也感惭愧，当年画电路的22寸大屁股CRT显示器都用来看艳照门了，还好的是我现在已经转业了！
2，纯技能谈论，贴标签的请绕道，一律不搭理，这篇是芯片系列的末了一帖！
3，关于原创发帖，在酝酿中，待润色好跟大家说说这10年的巨变与感悟。实在我把论坛发帖当资料收藏夹了，看到好的文章就发到论坛来，待须要看时，登录论坛就可以看。
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点沙成金：半导体芯片
文/老和山下的小学僧
在中国和“外国”这两国的较劲中，究竟哪一国更占上风？有说中国吊打外国，有说外国轻松把中国摁在地上摩擦，双方都列举了各类各样的例子，整得我们吃瓜群众一脸懵逼。
中间派肯定说两国各有利弊，但这结论虽然精确却没啥营养。想要在中外两国这个话题上显得有见识，得先搞明白啥是技能？
01
核心技能，到底是个啥？
把技能分分类，第一类姑且叫“可山寨技能”，或者叫“纯烧钱技能”，有人喜好往左边烧，有人喜好往右边烧，于是就烧出了不同的运用技能。
这实质上是用旧技能整合出新玩意儿，比如，美帝登月的土星五号，中国的跨海大桥，小胡子的鼠式坦克，乃至包括长城和埃及金字塔。
打个比方，这有点像吉尼斯记录：最长的头发，最长的指甲，等等……这类东西，只要钱到位，搁谁都烧的出，关键看有没有需求，以是这些也可以叫运用技能。
比如上图这种架桥机，几个工业大首都能搞，但搞出来只能当玩具，只有中国搞出来才赢利。
我国在经济发展起来之后，迸发出海量需求，推动各种烧钱的运用技能井喷，赚了钱又可以勤学不辍地完善各种细节，于是，可以不吹牛的说，中国的运用技能已经和全体外国不相上下。
第二类技能暂且叫“不可山寨技能”，或者叫“烧钱烧韶光技能”，任何牛逼设备，你冒死往细拆，终极创造都是材料技能。
做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的身分可以见告你，但你做的菜便是没我做的好吃，这便是核心技能。
除了生物医学之外，核心技能说到底便是材料技能，看一串例子：
发动机，工业皇冠上的明珠，是我国最遭人诟病的短板。其核心技能说白了便是涡轮叶片不足结实，油门踩狠了就得散架，无论是航天发动机、航空发动机、燃气轮机，只要带个“机”字，我们腰杆都有点软。
材料技能除了烧钱、烧韶光，有时还要点运气。还是以发动机为例：金属铼，这玩意儿和镍混一混，做出的涡轮叶片吊炸天，铼的环球探明储量大约2500吨，紧张分布在欧美，70%用来做发动机涡轮叶片，这种计策物资，妥妥被美帝禁运。
前几年在陕西创造一个储量176吨的铼矿，可把国人乐的，立时拼了老命烧钱，这几年苦逼生活才有了转机。
稀土永磁体，便是用稀土做的磁铁，能一贯保持磁性，用途大大的。高品位稀土矿大多分布在中国，以是和“磁”干系的技能，我们比美帝还能嘚瑟，比如核聚变、太空暗物质探测等。
听说，我国前几年也对美帝禁运，逼得美帝拿铼交流，外加陕西安徽刨出来的那点铼，J20的发动机才算有些眉目。
作为“工业之母”的高端机床，我们基本和男国足一个水平，只能仰望日本德国瑞士。
材料是最大的限定之一，比如，高速加工时，主轴和轴承摩擦产生热变形，导致主轴抬升和倾斜，还有刀具磨损，等等，以是对加工精度哀求极高的活，国人还是望“洋”兴叹。
光学晶体，我国的部分产品还能对美帝履行禁运，以是和光干系的技能都不弱，比如激光武器、量子通信。气动形状，得益于钱学森那辈人的积淀，与之干系的技能也是杠杠的。
如果我们连续罗列，就会创造，运用宽泛的根本性材料，中国还是掉队外国，运用相对较窄的细分领域，中国逐渐领跑。
下面，重点来了！
这种关键核心材料，环球统共约130种，也便是说，只要你有了这130种材料，就可以组装出世界上已有的任何设备，进而生产出已有的任何东西。
人类的核心科技，某种程度上说，指的便是这130种材料，个中32%海内完备空缺，52%依赖入口，在高端机床、火箭、大飞机、发动机等尖端领域比例更悬殊，零件虽然实现了国产，但生产零件的设备95%依赖入口。
这些可不是陈芝麻烂谷子的事情，而是工信部2018年7月发布的数据，还新鲜着呢。
核心材料技能，说一句“外国仍把中国摁在地上”，一点都不过分。这实在很随意马虎理解，毕竟发财韶光不长，而材料技能不但要烧钱，更要烧韶光。
这里得强调一下，运用技能并不比核心技能次要，它须要资金、需求和社会实际情形的结合，虽然外国有能力烧，但大概一辈子都没机会烧。
这儿肯定有人抬杠了：人家只是不愿意烧，不然分分钟秒杀你！
呵呵，如果强行烧钱，后果参照老毛子。
磨叽半天，该回正题了，半导体芯片之以是难，是由于它不但涉及海量烧钱的运用技能，还有浩瀚烧钱烧韶光的材料技能。为了便于大家理解，这话得从事理提及。
02
芯片事理和量子力学
很多人以为量子力学只是一个数学游戏，没有运用代价，呵呵，下面咱给打算机芯片寻个祖宗，请看示范：
导体，咱能理解，绝缘体，咱也能理解，我们第一次被物理整懵的，怕是半导体了，以是先替各位的物理老师把这债还上。
原子组成固体时，会有很多相同的电子混到一起，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斗殴，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一起，欠妥心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。这种由很多细轨道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，宏不雅观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。
好了，我们把事情说得大略一点，不提“价带、满带、禁带、导带”的观点，准备圈重点！
有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以绝不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这便是导体。一价金属的导电事理稍有不同。
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，也就不导电了。
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，也便是导电。
这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时能导电有时不能导电，以是叫半导体。
如果空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常情形下电子是跨不过去的，这便是绝缘体。当然，如果是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都还是跑过去，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，能带理论系统地阐明了导体、绝缘体和半导体的实质差异，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。
半导体离芯片事理还很迢遥，别急。
很明显，像导体这种直男没啥可折腾的，以是导线到了本日仍旧是铜线，技能上没有任何进展，绝缘体的命运也差不多。
半导体这种暧暧昧昧的性情最随意马虎搞事情，以是与电子设备干系的家当基本都属于半导体家当，如芯片、雷达。
下面有点烧脑细胞。
基于一些大略的缘故原由，科学家用硅作为半导体的根本材料。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个硼原子取代个中10个硅原子，而硼这类三价元素外层只有3个电子，以是这块固体的满轨道就有了10个空位。这就相称于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动供应了条件。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。相称于挤满人的公交车表面又挂了10个人，这些人非常随意马虎分开公交车。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型那些额外的电子一定是跑到P型那些空位上去了，一贯到电场平衡为止，这便是大名鼎鼎的“PN结”。(动图来自《科学网》张云的博文)
这时候再加个正向的电压，N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上，电子的移动便是电流，这时的PN结便是导电的。
如果加个反向的电压呢？从P型半导体那里再抽电子到N型半导体，而N型早已挂满了额外的电子，多出来的电子不断增强电场，直至抵消外加的电压，电子就不再连续移动，此时PN结便是不导电的。
当然，实际上还是会有微弱的电子移动，但和正向电流比较可忽略不计。
如果你已经被整晕了，没紧要，用大口语总结一下：PN结具有单引导电性。
好了，我们现在已经有了单引导电的PN结，然后呢？把PN结两端接上导线，便是二极管：
有了二极管，随手搭个电路：
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，这便是“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”：
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。
大略举个例子，给第二个和第四个输入端加电压，相称于输出0101，经由特定的电路，输出端可以变成1010，即第一个和第三个输出端有电压。
我们来玩个轻微繁芜一点的局：
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。从左边输入一串旗子暗记：00000101，经由中间一堆的电路，使得右边输出另一串旗子暗记：1011011。
1代表有电压，0代表无电压，有电压就可以点亮对应的发光管，即7个发光管点亮了5个，于是，就得到了一个数字“5”，如上图所示。
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，其电路的繁芜程度就已经超过了99%的人的智商了，即便本僧亲自脱手，设计电路的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繁芜的电路，出身了人类第一台打算机，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及现在手持打算器的十分之一。
不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑筋抽筋了多少回。
下来的思路就大略了，如何把这30吨东西，集成到指甲那么大的地方上呢？这便是芯片。
03
芯片制造与中国技能
为了把30吨的运算电路缩小，工程师们把多余的东西全扔了，直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发，说说芯片的制作过程和中国所处的水平。
第一：硅
把这玩意儿氯化了再蒸馏，可以得到纯度很高的硅，切成片便是我们想要的硅片。硅的评判指标便是纯度，你想想，如果硅里有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。
太阳能级高纯硅哀求99.9999%，这玩意儿全天下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哀求99.999999999%(别数了，11个9)，险些全赖入口，直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产，目前年产0.5万吨，而中国一年入口15万吨。
难得的是，鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国，品质该当还不错。不过，30%的制造设备还得入口……
高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合伙)，中国任重而道远。
第二：晶圆
切片后的硅片也是圆的，因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了？
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，以目前人类的技能，若何才能完成这种操作？
用原子操纵术？想多了，朋友！
等你练成御剑翱翔的时候，人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件。晶圆加工的过程有点繁琐。
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，可以用非常精准的光芒，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆袒露出来。
然后，用等离子体这类东西冲刷，袒露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素，就得到了一堆N型半导体。
完成之后，洗濯干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻沟槽，再撒上硼，就有了P型半导体。
实际过程更加繁琐，大致事理便是这么回事。有点像3D打印，把导线和其他器件一点点一层层装进去。
这块晶圆上的小方块便是芯片。芯片放大了看便是成堆成堆的电路，这些电路并不比那台30吨打算机的电路高明，最底层都是大略的门电路。
只是采取了更多的器件，组成了更弘大的电路，运算性能自然就提高了。
听说这便是一个与非门电路：
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？性能不就遇上外国了嘛？
这个问题很故意思，答案出奇大略：钱！
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，在市场上就能去世去世摁住竞争对手，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。
其余，越大的硅片碰着杂质的概率越大，以是芯片越大良品率越低。总的来说，大芯片的本钱远远高于小芯片，不过对军方来说，这都不叫事儿。
可别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈
第三：设计与制造
用数以亿计的器件组成如此弘大的电路，想想就头皮发麻，以是芯片的设计非常主要，主要到了和材料技能相提并论的地步。
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，轻微有个PN结出问题，电子同样会堵车。
这种风雅的线路设计，只有一种办法可以考验，那便是：用！
大量大量的用！
现在知道芯片本钱的主要性了吧，由于你不会多费钱去买一台性能相同的电脑，而芯片企业没了市场份额，很随意马虎陷入恶性循环。
正由于如此，芯片设计不只要烧钱，也须要韶光沉淀，属于“烧钱烧韶光”的核心技能。
既然是核心技能，自然就会发展出独立的公司，以是芯片公司有三类：设计制造都做、只做设计、只做制造。
半导体是台湾少有的仍领先大陆的技能了，基于两岸本色上的分治状态，以是中国大陆和台湾暂且分开表述。
早期的设计制造都是一块儿做的，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，最掉队的便是大陆，产品多集中在家电遥控器之类的低端领域，手机、电脑这些高端芯片险些空缺！
后来随着芯片越来越繁芜，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。
挨个点评几句。
大名鼎鼎的高通就不多说了，天下上一半手机装的是高通芯片；
博通是苹果手机的芯片供应商，手机芯片排第二毫无悬念；
AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。
台湾联发科走的中低端路线，手机芯片的市场份额排第三，很多国产手机都用，比如小米、OPPO、魅族。不过最近被高通干的有点惨，销量连连下跌。
华为海思是最争气的，大家肯定看过很多故事了，不展开。除了通信芯片，海思也做手机用的麒麟芯片，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称不错。
展讯是清华大学的校办企业，比较早的大陆芯片企业，毕竟不能被人剃秃顶吧，硬着头皮上，走的是低端路线。前段韶光传出了不少危急，后来又说是变革的开始，过的很不随意马虎，和天下巨子相差甚多。
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，产品运用于电视、便携式电子产品等领域，还挺滋润津润。
还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾的台积电。正是台积电的涌现，才把芯片的设计和制造分开了。
2017年台积电包下了全天下晶圆代工业务的56%，规模和技能均列环球第一，市值乃至超过了英特尔，成为环球第一半导体企业。
晶圆代工厂又是台湾的天下，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，连美国韩首都得靠边站。
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，但技能和规模都远不及台湾。
不过受制于台湾诡谲的社会现状，台积电开始布局大陆，落户南京。这几年台资、外企猖獗在大陆建晶圆代工厂，这架势和当年合伙汽车有的一拼。
大陆的中芯国际具备28nm工艺，14nm的生产线也在路上，可惜还没盈利。大家还是乐意把这活交给台积电，台积电险些拿下了环球70%的28nm以下代工业务。
美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力，最近几个月台积电刚刚上线了7nm工艺，稳稳压过三星，首批客户便是华为的麒麟980芯片。
这俩哥们儿早便是老差错了，华为设计芯片，台积电加工芯片。
说真的，如果大陆能整合台湾的半导体家当，并利用灵巧的政策和弘大的市场促进其进一步升级，我们追赶美帝的步伐至少轻松一半。
第四：核心设备
芯片良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度完备取决于核心设备，便是前面提到的“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，你们逐步等着吧！
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，便是这么强大！
日本的尼康和佳能也做光刻机，但技能远不如阿斯麦，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年估量能产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，个中一台是给咱们的中芯国际。
既然这么主要，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》，敏感技能不能卖。
故意思的是，2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功(核心部件入口)，2010年美帝许可90nm以上设备发卖给中国。
后来，中国开始攻关65nm光刻机，2015年美帝许可65nm以上设备发卖给中国，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，发卖额轻松秒杀阿斯麦，哦耶！
主要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好很多，16nm刻蚀机已经量产运行，7-10nm刻蚀机也在路上了，以是美帝很知心的解除了对中国刻蚀机的封锁。
在晶圆上注入硼磷等元素要用到“离子注入机”，2017年8月晦于有了第一台国产商用机，水平先不提了。离子注入机70%的市场份额是美国运用材料公司的。
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。即便是光刻胶这些赞助材料，也险些被日本信越、美国陶氏等垄断。
2015年至2020年，海内半导体家当操持投资650亿美元，个中设备投资500亿美元，再个中480亿美元用于购买入口设备。
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！
第五：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。
封测又又又是台湾的天下，排名天下第一的日月光，后面还随着一堆实力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。
大陆的三大封测巨子，长电科技、华天科技、通富微电，混的都还不错，毕竟只是芯片家当的末端，技能含量不高。
（按：最新的，紫光29.18亿台币入股第一封装大厂日月光：占股30％）
04
说说我们的中国芯
提及中国芯片，不得不提“汉芯事宜”。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，骗取无数资金和名誉，花费大量社会资源，影响之恶劣可谓空前！
甚至于很长一段韶光，科研圈谈芯色变，严重滋扰了芯片行业的正常发展。
硅质料、芯片设计、晶圆加工、封测，以及干系的半导体设备，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？根据“烧钱烧韶光”理论，掐指算算，大约是2030年吧！
国务院印发的《集成电路家当发展纲要》明确提出，2030年集成电路家当链紧张环节达到国际前辈水平，一批企业进入国际第一梯队，家当实现超过式发展。
当前，中国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零打破的阶段，虽然市场份额微乎其微，但每个领域都参了一脚，前景还是可期待的。
05
芯片的极限在哪里
文末，习气性抱怨一下人类科技的稚子。
芯片，作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准，其根本的能带理论竟然只是个近似理论，电子的行为仍旧没法精确打算。
再往大了说，别看现在的技能纷繁繁芜，实在便是玩玩电子而已，至于其他几百种粒子，还完备不知道怎么玩！
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？
你还能连续烧吗？1nm差不多便是几个原子而已，量子效应非常显著，近似理论就不好使了，电子的行为更加难以预测，半导体行业就得在这儿歇菜。
烧钱也好，烧韶光也罢，烧到尽头便是理论物理。根本科学除了烧钱烧韶光，还得烧人，烧的非常惨烈，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，根本科学在中国被忽略了五千多年，如今每年填报热度还不如耍戏的。
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，是呼吁更多孩子学根本科学吧！
你怎么看？欢迎大家一起互换
