看完這個文，你還會不會無知地高喊快快造出「愛國芯」
Feb.
9
灼見（微信號：penetratingview)
少年強則中國強！
在中國和「外國」這兩國的較量中，究竟哪一國更佔上風？有說中國吊打外國，有說外國輕鬆把中國摁在地上摩擦，雙方都列舉了林林總總的例子，整得我們吃瓜群眾一臉懵逼。
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。想要在這個話題上顯得有見識，得先搞明白啥是技術？
-01-
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，於是就燒出了不同的應用技術。
這本質上是用
舊技術整合出新玩意兒
，比如，美帝登月的土星五號，中國的跨海大橋，小鬍子的鼠式坦克，甚至包括長城和埃及金字塔。
打個比方，這有點像吉尼斯紀錄：最長的頭髮，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
。
比如上圖這種架橋機，幾個工業大國都能搞，但搞出來只能當玩具，只有中國搞出來才賺錢。
我國在經濟發展起來之後，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，於是，可以不吹牛地說，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」
，任何厲害的設備，你拚命往細拆，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，是我國最遭人詬病的短板。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，我們腰桿都有點軟。
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。
前幾年在陝西發現一個儲量176噸的錸礦，可把國人樂的，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，我們比美帝還能嘚瑟，比如核聚變、太空暗物質探測等。
據說，我國前幾年也對美帝禁運，逼得美帝拿錸交換，外加陝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
，我們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，國人還是望「洋」興嘆。
光學晶體
，我國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，得益於錢學森那輩人的積澱，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，中國還是落後外國，應用相對較窄的細分領域，中國逐漸領跑。
下面，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穀子的事情，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。
這裡得強調一下，
應用技術並不比核心技術次要，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：人家只是不願意燒，不然分分鐘秒殺你！呵呵，如果強行燒錢，後果參照老毛子。
磨嘰半天，該回正題了，半導體晶元之所以難，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。為了便於大家理解，這話得從原理說起。
-02-
晶元原理和量子力學
很多人覺得量子力學只是一個數學遊戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機晶元尋個祖宗，請看示範：
導體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，我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。
於是，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，這麼多軌道擠在一起，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。
簡單來說，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，於是就能自由移動，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。
如果你想進行1+1的加法運算，其電路的複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隻電子管，6000個開關，7000隻電阻，10000隻電容，50萬條線組成了一個超級複雜的電路，
誕生了人類第一台計算機，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，集成到指甲那麼大的地方上呢？這就是晶元。
-03-
晶元製造與中國技術
為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多餘的東西全扔了，直接在矽片上製作PN結和電路。下面從矽片出發，說說晶元的製作過程和中國所處的水平。
第一：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矽片。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，早已成為白菜價。
晶元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%的製造設備還得進口……
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。
第二：晶圓
硅提純時需要旋轉，成品就長這樣：
所以切片後的矽片也是圓的，因此就叫「晶圓」。這詞是不是已經有點耳熟了？
切好之後，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來，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。
首先在晶圓上塗一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪裡來？
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。
然後，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。
完成之後，清洗乾淨，重新塗上感光材料，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，大致原理就是這麼回事。有點像3D列印，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晶元。晶元放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路並不比那台30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。
只是採用了更多的器件，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：為啥不把晶元做的更大一點呢？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塊晶元，10nm工藝可以做出210塊晶元，於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，差距就這麼拉開了。
說個題外話，中國軍用晶元基本實現了自給自足，因為咱不計較錢嘛！可以把晶元做的大大的。
另外，越大的矽片遇到雜質的概率越大，所以晶元越大良品率越低。總的來說，大晶元的成本遠遠高於小晶元，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
第三：設計與製造
用數以億計的器件組成如此龐大的電路，想想就頭皮發麻，所以晶元的設計異常重要，重要到了和材料技術相提並論的地步。
一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車。電子在晶元上跑來跑去，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！
現在知道晶元成本的重要性了吧，因為你不會多花錢去買一台性能相同的電腦，而晶元企業沒了市場份額，很容易陷入惡性循環。
正因為如此，晶元設計不光要燒錢，也需要時間沉澱，屬於「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
晶元公司有三類：設計製造都做、只做設計、只做製造。
半導體是台灣少有的仍領先大陸的技術了，基於兩岸實質上的分治狀態，所以中國大陸和台灣暫且分開表述。
早期的設計製造都是一塊兒做的，最有名的：
美國英特爾、韓國三星、日本東芝、義大利法國的意法半導體；中國大陸的：華潤微電子、士蘭微；中國台灣的：旺宏電子等。
外國、台灣、大陸三方，最落後的就是大陸，產品多集中在家電遙控器之類的低端領域，手機、電腦這些高端晶元幾乎空白！
後來隨著晶元越來越複雜，設計與製造就分開了，有些公司只設計，成了純粹的晶元設計公司。如
美國的高通、博通、AMD，中國台灣的聯發科，大陸的華為海思、展訊等。
大名鼎鼎的
高通
就不多說了，世界上一半手機裝的是高通晶元；
博通
是蘋果手機的晶元供應商，手機晶元排第二毫無懸念；
AMD
和
英特爾
基本把電腦晶元包場了。
台灣聯發科
走的中低端路線，手機晶元的市場份額排第三，很多國產手機都用，比如小米、OPPO、魅族。不過最近被高通乾的有點慘，銷量連連下跌。
華為海思
最為爭氣，許多故事大家也都有所耳聞。除了通信晶元，海思也做手機用的麒麟晶元，市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。個人切身體會，海思晶元的進步真得相當不錯。
展訊
是清華大學的校辦企業，比較早的大陸晶元企業，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，後來又說是變革的開始，過的很不容易，和世界巨頭相差甚多。
大陸還有一批晶元設計企業，
晨星半導體、聯詠科技、瑞昱半導體等
，都是台灣老大哥的子公司，產品應用於電視、攜帶型電子產品等領域，還挺滋潤。
還有一類只製造、不設計的晶圓代工廠，這必須得先說台灣的台積電。
正是台積電的出現，才把晶元的設計和製造分開了。
2017年台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。
晶圓代工廠是台灣的天下
，除了台積電這個巨無霸，台灣還有
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
，但技術和規模都遠不及台灣。
不過受制於台灣詭譎的社會現狀，台積電開始布局大陸，落戶南京。這幾年台資、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。
大家還是願意把這活交給台積電，台積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業務。
美國、韓國、台灣已具備10nm的加工能力，最近幾個月台積電剛剛上線了7nm工藝，穩穩壓過三星，首批客戶就是華為的麒麟980晶元。
這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設計晶元，台積電加工晶元。
如果大陸能整合台灣的半導體產業，並利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，我們追趕美帝的步伐至少輕鬆一半。
第四：核心設備
晶元良品率取決於晶圓廠整體水平，但加工精度完全取決於核心設備，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！
不過產量還不高，咱只能慢慢等了。
無論是台積電、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。
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，每台售價至少1億美金，2017年只生產了12台，2018年預計能產24台，這些都已經被台積電三星英特爾搶完了。
2019年預測有40台，其中一台是給咱們的中芯國際。
既然這麼重要，咱不能多出點錢嗎？
第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，台積電有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。
有意思的是，2009年上海微電子的90納米光刻機研製成功(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上設備銷售給中國。
後來，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，再後來美帝開始管不住了，中芯國際才有機會去撿漏一台高端機。
不過咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產公司，銷售額輕鬆秒殺阿斯麥！
重要性僅次於光刻機的刻蝕機，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，所以美帝很貼心地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月終於有了第一台國產商用機，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。
塗感光材料得用「塗膠顯影機」，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480億美元用於購買進口設備。
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！
第五：封測
晶元做好後，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。
封測還是台灣的天下，
排名世界第一的日月光
，後面還跟著一堆實力不俗的小弟：
矽品、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，畢竟只是晶元產業的末端，技術含量不高。
（按：最新的消息，紫光29.18億台幣入股第一封裝大廠日月光：占股30％）
-04-
說說我們的中國芯
說起中國晶元，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晶元，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！
以致於很長一段時間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了晶元行業的正常發展。
硅原料、晶元設計、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於「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，中國晶元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。
-05-
晶元的極限在哪裡
文末，習慣性抱怨一下人類科技的幼稚。
晶元，作為大夥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。
雖然現在的技術紛繁複雜，其實就是玩玩電子而已，至於其他幾百種粒子，還完全不知道怎麼玩！
晶元加工精度已經到了7nm，雖然三星公開說要燒到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停滯前行了。
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演戲的。
不能光折騰電子了，為了把中微子也用起來，呼籲更多孩子學基礎科學！
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