中国芯片技术现状以及展望

最近阅读了大量的科技书籍，或许搞清楚了现在中国的科技现状，现在花几个小时缕一缕。另外本文借鉴： 老和山下的小学僧

首先，中国技术到底现在在世界上是什么情况呢？例如高铁巨型装备设备，10万吨的锻压机，造桥速度，基建狂魔。其实例如基建，装备，高铁这些基本上可以归为应用技术，绝对可以和西欧平起平坐了。应用技术就是我们在西欧基础科学原创科学的基础上搭建的。好比高铁，我们能组装造出来，可是发念头呢？轮子我们能完全自己造出来吗？谜底是否认的。

因为制造高铁发念头，最焦点的工具不是发念头的结构，而是发念头的质料，怎么样才气长时间耐高温，稳定，高功率不会爆炸失事故。

除了生物医学之外，焦点技术说到底就是质料技术。看一串例子：发念头，工业皇冠上的明珠，是我们最遭人诟病的短板。其焦点技术说白了就是涡轮叶片不够结实，油门踩狠了就得散架，无论是航天发念头、航空发念头、燃气轮机，只要带个“机”字，我们腰杆都有点软。质料技术除了烧钱、烧时间，有时还要点运气。还是以发念头为例：金属铼，和镍混一混，做出的涡轮叶片最优，铼的全球探明储量约莫2500吨，主要漫衍在西欧，70%用来做发念头涡轮叶片，这种战略物资，妥妥被美国禁运。前几年在陕西发现一个储量176吨的铼矿，这几年艰辛生活才有了起色。

芯片也是如此，我们研发的时间太短，各方面都是基础部门差的太远。

那么我们从造芯片的几个部门开始一一说起：

一、硅

将其氯化了再蒸馏，可以获得纯度很高的硅，切成片就是硅片。硅的评判指标就是纯度，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。

太阳能级高纯硅要求99.9999%，全世界凌驾一半是中国产的，早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求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，现在年产0.5万吨，而中国一年入口15万吨。

难过的是，鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国，品质应该还不错。不外，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(美日合资)，中国任重而道远。

二、晶圆

把纯的单晶硅切好之后就酿成晶圆，在晶圆上把成千上万的电路装起来的，就叫“晶圆厂”。晶圆加工的历程有点繁琐。

首先在晶圆上涂一层感光质料，这质料见光就融化，那光从那里来？光刻机，可以用很是精准的光线，在感光质料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。然后，用等离子体这类工具冲刷，裸露的晶圆就会被刻出许多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素，就获得了一堆N型半导体。

完成之后，清洗洁净，重新涂上感光质料，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。

实际历程越发繁琐，大致原理如此。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就是芯片。芯片放大了看就是成堆的电路，最底层都是简朴的门电路。只是接纳了更多的器件，组成了更庞大的电路，运算性能自然就提高了。为何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？

谜底出奇简朴：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，于是价钱就自制了一半，在市场上就能死死摁住竞争对手，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。

另外，越大的硅片遇到杂质的概率越大，所以芯片越大良品率越低。大芯片的成本远远高于小芯片。

三、设计与制造

用数以亿计的器件组成如此庞大的电路，想想就头皮发麻，所以芯片的设计异常重要，重要到了和质料技术相提并论的田地。

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，稍微有个PN结出问题，电子同样会堵车。这种精巧的线路设计，只有一种措施可以磨练，那就是：用！大量的用！现在知道芯片成本的重要性了吧，因为你不会多花钱去买一台性能相同的电脑，而芯片企业没了市场份额，很容易陷入恶性循环。

正因如此，芯片设计不光要烧钱，也需要时间沉淀，属于“烧钱烧时间”的焦点技术。既然是焦点技术，自然就会生长出独立的公司，所以芯片公司有三类：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内地的技术了，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；中海内地的：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，最落伍的就是内地，产物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！

厥后随着芯片越来越庞大，设计与制造就离开了，有些公司只设计，成了纯粹的芯片设计公司。如，美国高通、博通、AMD，中国台湾的联发科，大陆的华为海思、展讯等。

高通，世界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。这些全是美国公司。

台湾联发科走的中低端门路，手机芯片的市场份额排第三，许多国产手机都用，好比小米、OPPO、魅族。不外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，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。小我私家切身体会，海思芯片的进步真的相当不错。

展讯是清华大学的校办企业，比力早的内地芯片企业，走的是低端门路。前段时间传出了不少危机，厥后又说是厘革的开始，过的很不容易，和世界巨头相差甚多。

内地另有一批芯片设计企业，晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等，都是台湾子公司，产物应用于电视、便携式电子产物等领域，还挺滋润。在内地的芯片设计公司，台湾顶住了泰半边天！

另有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾的台积电。正是台积电的泛起，才把芯片的设计和制造离开了。2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%，规模和技术均列全球第一，市值甚至凌驾了英特尔，成为全球第一半导体企业。

晶圆代工厂又是台湾的天下，除了台积电这个巨无霸，台湾另有联华电子、力晶半导体等等，连美国韩国都得靠边站。大陆最大的代工厂是中芯国际，另有上海华力微电子也还不错，但技术和规模都远不及台湾。不外受制于台湾诡谲的社会现状，台积电开始结构大陆，落户南京。这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂，这架势和当年合资汽车有的一拼。

大陆的中芯国际具备28nm工艺，14nm的生产线也在路上，惋惜还没盈利。大家还是愿意把这活交给台积电，台积电险些拿下了全球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，首批客户就是华为的麒麟980芯片。这俩哥们儿早就是老搭档了，华为设计芯片，台积电加工芯片。

四、焦点设备

芯片良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度完全取决于焦点设备，就是前面提到的“光刻机”。

光刻机，荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下！欠好意思，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。没措施，就是这么强大！

日本的尼康和佳能也做光刻机，但技术远不如阿斯麦，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年预计能产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，其中一台是给咱们的中芯国际。

既然这么重要，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》，敏感技术不能卖，中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。

有意思的是，2009年上海微电子的90纳米光刻机研制乐成(焦点部件入口)，2010年美国允许90nm以上设备销售给中国，厥后中国开始攻关65nm光刻机，2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国，再厥后美帝开始管不住小弟了，中芯国际才有时机去捡漏一台高端机。

重要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好许多，16nm刻蚀机已经量产运行，7-10nm刻蚀机也在路上了，所以美国很贴心的排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月终于有了第一台国产商用机，水平先不提了。离子注入机70%的市场份额是美国应用质料公司的。涂感光质料得用“涂胶显影机”，日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即即是光刻胶这些辅助质料，也险些被日本信越、美国陶氏等垄断。

2015年至2020年，海内半导体工业计划投资650亿美元，其中设备投资500亿美元，再其中480亿美元用于购置入口设备。

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凌驾130亿美元。

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。

封测又是台湾的天下，排名世界第一，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。

内地的三大封测巨头，长电科技、华天科技、通富微电，混的都还不错，究竟只是芯片工业的末了，技术含量不高。

硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测，以及相关的半导体设备，绝大部门领域中国还是处于“任重而道远”的状态，那这种状态还得连续多久呢？凭据“烧钱烧时间”理论，掐指算算，约莫是2030年吧！国务院印发的《集成电路工业生长纲要》明确提出，2030年集成电路工业链主要环节到达国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，工业实现跨越式生长。

当前，中国芯片的总体水平处在刚刚实现零突破的阶段，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。

作者：木文田

泉源：雪球

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