美國(guó)對(duì)中興的一紙禁令，便輕而易舉的讓中興陷入絕境，泱泱大國(guó)，竟也擺脫不了對(duì)美的依賴。缺”芯”的命門(mén)顯露無(wú)遺，不禁讓我們深思，芯片真的那么難制造嗎？

并非所有的芯片都很難制造

其實(shí)，并非所有的芯片都很難制造。如果你回家隨便拆開(kāi)一個(gè)藍(lán)牙音箱、機(jī)頂盒、冰箱洗衣機(jī)，你便會(huì)發(fā)現(xiàn)，里面的核心芯片大部分都是國(guó)產(chǎn)品牌。但不可否認(rèn)的是，這些芯片大多應(yīng)用于消費(fèi)類領(lǐng)域。在對(duì)穩(wěn)定性和可靠性要求很高的通信、工業(yè)、醫(yī)療以及軍事的大批量應(yīng)用中，國(guó)產(chǎn)芯片跟國(guó)際一般水平相比，仍然還有很大差距。

為什么芯片很難制造？

為什么芯片很難制造，原因主要有兩點(diǎn)：①試錯(cuò)成本高；②排錯(cuò)難度大。

1、試錯(cuò)成本高

做一個(gè)app，可以一天一個(gè)版本，有bug也沒(méi)關(guān)系，第2天就可以修復(fù)，試錯(cuò)和修改的成本幾乎為零；

做一個(gè)電路板，設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)在1-30天之間，生產(chǎn)周期在3-14天之間，出錯(cuò)重新投板，試錯(cuò)費(fèi)用在幾百到幾千之間，最多數(shù)萬(wàn)塊錢(qián)；

而做一個(gè)芯片，不算架構(gòu)設(shè)計(jì)，從電路設(shè)計(jì)到投片，最少半年；投片到加工，2-3個(gè)月；一次投片的費(fèi)用最少也是數(shù)十萬(wàn)元，先進(jìn)工藝高達(dá)一千萬(wàn)到幾千萬(wàn)。

如此高的試錯(cuò)和時(shí)間成本，對(duì)成功率有著極高的要求，需要多個(gè)工種密切配合，延長(zhǎng)流程，反復(fù)驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)中一個(gè)人出錯(cuò)，3個(gè)月后回來(lái)的芯片可能就是一塊兒石頭。修改一輪，于是，又三個(gè)月過(guò)去了。

2、排錯(cuò)難度大

互聯(lián)網(wǎng)編個(gè)軟件，調(diào)試程序可以在任意地方設(shè)置斷點(diǎn)，查看變量實(shí)時(shí)狀態(tài)或者做出記錄；

硬件電路板上，幾乎任何一根信號(hào)線都可以拉到示波器上看波形；

而一顆小小的芯片，上億個(gè)晶體管，能測(cè)量到的信號(hào)線卻只有十幾根到幾百根。憑借這少得可憐的信息，推理出哪個(gè)晶體管的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，難度可想而知。

模仿也好，抄襲也罷，在互聯(lián)網(wǎng)，我們有BAT可以和facebook/google過(guò)過(guò)招；在電子整機(jī)，我們有華為中興可以對(duì)抗思科愛(ài)立信；但在IT行業(yè)里，獨(dú)獨(dú)芯片，我們沒(méi)有跟美國(guó)抗衡的能力。

雖然芯片很難制造，但好在我們有一個(gè)華為。麒麟處理器已在華為手機(jī)上得到實(shí)現(xiàn)，還是高端的類型，雖說(shuō)暫時(shí)還拼不過(guò)高通，但也占據(jù)了一地之席。

君不見(jiàn)，十年前華為研發(fā)芯片的時(shí)候，我們對(duì)它嗤之以鼻，而今，它卻成了唯一的安慰。

為什么芯片很難制造？“試錯(cuò)成本高”和“排錯(cuò)難度大”便是最根本的因素，啥也不說(shuō)了，中國(guó)加油！

你沒(méi)見(jiàn)過(guò)芯片制造，就別低估制造芯片的難度，除了沒(méi)有光刻機(jī)，還有更深層次的原因。

2020年，中國(guó)芯片進(jìn)口額3800億美元，占全部進(jìn)口商品的18%；華為Mate40系列手機(jī)，因芯片供應(yīng)受阻，被迫減產(chǎn)供貨。

看到這樣的消息，你或許會(huì)質(zhì)疑，連北斗導(dǎo)航、嫦娥五號(hào)這樣的頂尖科技，中國(guó)都實(shí)現(xiàn)了，為何偏偏做不出高端芯片？芯片制造真的這樣難嗎？

什么是芯片，有什么價(jià)值

芯片是集成電路的簡(jiǎn)稱，需要將數(shù)以億的晶體管，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的電路圖，有序地實(shí)現(xiàn)布局。

芯片的出現(xiàn)，讓電路的小型化成指數(shù)級(jí)發(fā)展，不僅讓電子設(shè)備的體型更小，而且運(yùn)算速度更快、耗能更低、可靠性更強(qiáng)。

我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比，1964年，美國(guó)造出了世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這個(gè)大家伙占地170平方米，比你家的房子還要大。

這臺(tái)被命名為“埃尼阿克”的計(jì)算機(jī)，裝有18000個(gè)電子管，每秒可運(yùn)行5000次。

而如今一臺(tái)普通的智能手機(jī)，雖然只有手掌這么大，但手機(jī)的內(nèi)核芯片，晶體管的數(shù)量已多達(dá)數(shù)十億個(gè)，運(yùn)算速度高達(dá)數(shù)十億次。

芯片被廣泛地應(yīng)用到智能手機(jī)、電腦、汽車(chē)，甚至衛(wèi)星和火箭上。芯片的出現(xiàn)，為很多行業(yè)都帶來(lái)了顛覆性的影響，也改變了現(xiàn)在人類的生活方式。

尤其是運(yùn)算速度高達(dá)每秒億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，發(fā)揮其運(yùn)算速度的優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)很多數(shù)據(jù)模擬和運(yùn)算，而其價(jià)值的核心，就是芯片的完美呈現(xiàn)。

既然芯片如此重要，而且應(yīng)用前景廣泛，具備很強(qiáng)的科技和使用價(jià)值，為何我們自己卻造不出高端芯片呢？

芯片制造，全是黑科技

提到芯片，你可能會(huì)首先想到晶圓，這種用于芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵原材料。不少人對(duì)晶圓有誤解，不就是一堆沙子提純嗎，應(yīng)該不會(huì)太難。

原理沒(méi)有錯(cuò)，但芯片需要的純度，卻格外苛刻。之所有選擇利用沙子提純，得到生產(chǎn)芯片的晶圓，是因?yàn)楣枋且环N很好的半導(dǎo)體材料，而沙子的主要成分是二氧化碳，正好富含硅元素，而且價(jià)格便宜。

目前全球有能力生產(chǎn)晶圓的企業(yè)中，排在前十的僅有中芯國(guó)際一家，而且中芯國(guó)際目前僅能生產(chǎn)12寸晶圓。

排在前三位的，分別是韓國(guó)的三星、臺(tái)灣省的臺(tái)積電和美國(guó)的美光科技。僅憑中芯國(guó)際的產(chǎn)能，很難撐起國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體市場(chǎng)的巨大需求，目前晶圓的國(guó)產(chǎn)化率僅1%左右。

不過(guò)也有好消息，上海上海硅產(chǎn)業(yè)、中環(huán)股份已有能力生產(chǎn)12英寸的硅材料，相信晶圓的國(guó)產(chǎn)化也能很快到來(lái)。

石油不夠可以進(jìn)口，晶圓同樣可以花錢(qián)買(mǎi)到，但紛繁復(fù)雜的芯片制造過(guò)程，才是芯片制造的核心技術(shù)。

沙子在經(jīng)過(guò)凈化和提純后，會(huì)首先去除里面的鎂、鈣等雜質(zhì)，隨后加入碳進(jìn)行還原，得到相對(duì)純凈的硅。

此時(shí)的硅純度只能達(dá)到90%左右，依舊不能作為芯片的原材料。提純之后，硅材料還要再次經(jīng)過(guò)生產(chǎn)、成型等工藝，最終得到純度高達(dá)99.9999%的高純度硅棒。

有了硅棒之后，接下來(lái)就需要切片，就像切土豆片一樣，需要將高純度的硅棒切成薄片。

不過(guò)晶圓的切片，比切土豆要難太多，至于切片的過(guò)程，這里不做過(guò)多的分析，你只需要知道，晶圓需要被切割為厚度僅厚0.5-1.5mm的薄片。

經(jīng)過(guò)切片之后，就能得到一張像光盤(pán)一樣的單晶硅片，由于芯片的制造是納米級(jí)，此時(shí)還需要對(duì)單晶硅片進(jìn)行拋光處理。

拋光后的硅片，其表面平整度不能低于0.2納米，即便是在顯微鏡下，硅片的表面依然光滑靚麗。

擁有了單晶硅片，芯片的制造才算正式開(kāi)始，硅元素本身是一種半導(dǎo)體材料，芯片需要在硅片表面，形成數(shù)以億計(jì)的電路和晶體管，為了避免相互干擾，此時(shí)需要對(duì)硅片進(jìn)行二次處理。

單晶硅片的表面，需要分次鋪上一層二氧化硅和氧化氮，為了保證均勻分布，往往采用真空沉淀法。接下來(lái)，就要用到芯片生產(chǎn)的另一種關(guān)鍵輔助材料，俗稱光刻膠。

按字面意思理解，其實(shí)就是一種特殊的膠水，這種膠水在紫外線的照射下，會(huì)變得容易溶解，但在顯影液中，它卻又極其穩(wěn)定，光刻膠在芯片電路的印刻中，發(fā)揮了很好的阻隔作用。

光刻膠目前也是國(guó)產(chǎn)芯片技術(shù)的難點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)化率不足10%，而且光刻膠還分為i線光刻膠、KrF光刻膠、G線光刻膠等數(shù)個(gè)類別。

飛凱材料、南大光電、晶瑞股份這些企業(yè)，目前都在聚焦光刻膠的研發(fā)，為光刻膠的國(guó)產(chǎn)化努力。

涂上光刻膠的單晶硅片，依然是一片空白，接下來(lái)就需要將設(shè)計(jì)好的芯片電路圖，印刻到硅片上。

芯片設(shè)計(jì)雖然是半導(dǎo)體行業(yè)的難點(diǎn)，不過(guò)海思半導(dǎo)體已提前攻克相關(guān)技術(shù)，具備世界一流的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，這里讓我們?cè)俅螢槿A為點(diǎn)個(gè)贊。

芯片上的電路錯(cuò)綜復(fù)雜，憑人工印刻，幾乎沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)，即使在顯微鏡下手工刻制電路，產(chǎn)品的良率和效率都沒(méi)法保證。

芯片制造中，采用的是光刻法，就是利用光線沿直線傳播的固有特性，將電路圖繪制到硅片表面。

不少人對(duì)日本的半導(dǎo)體發(fā)展歷程都有些了解，你也必然聽(tīng)說(shuō)過(guò)索尼、佳能這些相機(jī)企業(yè)，其實(shí)他們都曾為日本半導(dǎo)體的發(fā)展，做出了很大貢獻(xiàn)，這其中的關(guān)鍵就是對(duì)光刻技術(shù)的貢獻(xiàn)。

光刻就是利用掩膜和透鏡，將電路圖投射到硅片表面，這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)像過(guò)去的投影儀，只不過(guò)設(shè)計(jì)會(huì)更加復(fù)雜。

掩膜分為透明和不透明，當(dāng)紫外線照射到掩膜表面，通過(guò)透鏡將電路圖的比例縮小，這樣一張完整的電路圖，就完美地投射到硅片表面。

順便提一下，光掩膜的國(guó)產(chǎn)化率也并不高，大約20%左右。

前面提到，光刻膠在遇到紫外線后，會(huì)變得很容易溶解，這樣沒(méi)有被掩膜遮擋的部分，就不會(huì)受到紫外線的照射，光刻膠就能完好保留。

而當(dāng)紫外線經(jīng)過(guò)透明部分的掩膜后，會(huì)直達(dá)硅片表面，與這部分區(qū)域的光刻膠直接接觸。經(jīng)過(guò)紫外線的照射，硅片表面形成了兩種狀態(tài)，一種是被紫外線照射過(guò)的光刻膠表面，另一種則是沒(méi)有被紫外線照射過(guò)的光刻膠表面。

再將硅片放置到顯影液中，被紫外線照射過(guò)的光刻膠，會(huì)迅速分解，這樣硅片表面有一部分的光刻膠就會(huì)被溶解。

此時(shí)的硅片表面，又會(huì)變成兩種狀態(tài)，一種覆蓋有光刻膠，而另一種則沒(méi)有光刻膠，但整個(gè)過(guò)程都是在按芯片設(shè)計(jì)的規(guī)劃進(jìn)行。

接下來(lái)的過(guò)程將變得更加微觀和細(xì)膩，清洗掉顯影液和雜質(zhì)后，硅片將被投放到一種腐蝕液中。

腐蝕液能快速溶解二氧化硅和氧化氮，但是光刻膠卻又能很好的阻擋腐蝕液，經(jīng)過(guò)腐蝕液的腐蝕后，硅片表面沒(méi)有光刻膠覆蓋的部分，硅會(huì)直接顯露在表層。

為了起到絕緣的作用，此時(shí)會(huì)再將鍍上一層二氧化硅。經(jīng)過(guò)這些復(fù)雜的供需，芯片表面會(huì)形成有規(guī)律的凹凸不平，在進(jìn)行粒子注入，填充凹下去的部分，芯片制造的光刻環(huán)節(jié)基本完成。

此時(shí)的芯片還不具備實(shí)用性，隨后技術(shù)人員會(huì)將二氧化硅上開(kāi)槽，并將銅和鎢作為各個(gè)晶體管之間的導(dǎo)線。

就如同蓋房子的管道一樣，這些連接線會(huì)將數(shù)以億計(jì)的晶體管相連，并具備電流連通性。

到這里，芯片的一層電路就完成制造，現(xiàn)在的芯片往往多達(dá)數(shù)層電路，后面的原理很簡(jiǎn)單，只需不斷重復(fù)上面的操作即可。但電路層數(shù)越多，對(duì)芯片的制造要求就越高，原理相同，考驗(yàn)的是制造的精度。

完成所有電路的刻蝕后，將晶圓切割為需要的大小，并將引腳連接，用蓋子封裝起來(lái)，一塊完整的芯片，才算制造完成。

芯片的制造原理并不復(fù)雜，但每道工序?qū)夹g(shù)和設(shè)備的要求都極為苛刻，曾有一種說(shuō)法，即便把圖紙給中國(guó)，我們也造不出光刻機(jī)，如此看來(lái)并不是完全沒(méi)有道理。

芯片的整個(gè)制造過(guò)程中，最受關(guān)注的就是光刻機(jī)，也就是荷蘭的ASML生產(chǎn)的設(shè)備，目前國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)成品基本處于空白狀態(tài)。我們也想買(mǎi)，可以別人不愿意賣(mài)，那就只能靠自研技術(shù)來(lái)解決。

目前全球先進(jìn)的光刻機(jī)，大多被三星、臺(tái)積電買(mǎi)走，為什么會(huì)賣(mài)給臺(tái)積電。其實(shí)道理很簡(jiǎn)單，臺(tái)積電是ASML的股東之一，有優(yōu)先供貨權(quán)。

國(guó)產(chǎn)芯片，只是時(shí)間問(wèn)題

看到這里，你腦子里或許只剩下一個(gè)概念，芯片制造太難了，別說(shuō)沒(méi)有光刻機(jī)，即便有了光刻機(jī)，也不一定能造出芯片。

先別著急否定自己，雖然芯片制造很難，我們也有很多短板，但我國(guó)依然是半導(dǎo)體行業(yè)佼佼者，除了中國(guó)，目前依然能在芯片制造領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的，恐怕很難再找出第二個(gè)。

在過(guò)去的2020年，半導(dǎo)體行業(yè)投入1400億元，中芯國(guó)際、海思半導(dǎo)體等國(guó)產(chǎn)科技企業(yè)，依然在不竭余力地聚焦芯片制造。

有消息認(rèn)為，中國(guó)將在2025年，基本實(shí)現(xiàn)芯片國(guó)產(chǎn)化，從此芯片將不再成為痛點(diǎn)，而將成為新的科技發(fā)展點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)動(dòng)力源。

芯片國(guó)產(chǎn)化后，手機(jī)和電腦將更加便宜，迭代速度將更快，再也不會(huì)出現(xiàn)高端手機(jī)，一機(jī)難求的局面，這樣的盛況，你期待嗎？

在2018年的芯片危機(jī)，以及美國(guó)對(duì)中興和華為的找茬，讓我們認(rèn)識(shí)到了芯片的巨大價(jià)值，以及我國(guó)在芯片制造領(lǐng)域與美國(guó)的巨大差距。芯片真的很難制造嗎？是的，非常難制造。

1、巨大的研發(fā)成本和投入

芯片的投入非常巨大，而且時(shí)間非常的長(zhǎng)，高通成立幾十年在2017年的研發(fā)投入還有近90億美元，也就是600億人民幣，連續(xù)投入了幾十年。

芯片領(lǐng)域做的比較好的國(guó)產(chǎn)品牌華為，在2017年整體研發(fā)成本也是有900億，分到芯片上的投入也是百億水平。

無(wú)論是國(guó)家支持，還是風(fēng)投支持，都很難持續(xù)的投入巨資來(lái)發(fā)展。

2、芯片研發(fā)難度太高

芯片研發(fā)難度也非常高，而且無(wú)法跨越式發(fā)展，這就形成了一步落后步步落后的現(xiàn)狀。只有攻破每個(gè)技術(shù)難題才有可能做出最新的芯片，這是最難的，所以別看高通已經(jīng)做了7nm芯片，我們開(kāi)始做芯片還要從40nm開(kāi)始做，難度非常高。

3、芯片很難盈利

芯片領(lǐng)域除了高通，聯(lián)發(fā)科，華為，蘋(píng)果，三星，本來(lái)也有其他的玩家，但是芯片太難盈利了，只有做成細(xì)分領(lǐng)域最好的才能發(fā)展。

而且芯片賣(mài)的越多才能攤平成本，否則就會(huì)持續(xù)虧損，這對(duì)于新玩家，是巨大的難度。

不過(guò)好在我們有華為芯片，代表中國(guó)芯片先進(jìn)性。

你認(rèn)為華為芯片有可能超過(guò)高通芯片嗎？