核心技术 芯片

在中国和“外国”这两国的较量中,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,双方都列举了林林总总的例子,整得我们吃瓜群众一脸懵逼。当然,中间派肯定说两国各有利弊,但这结论虽然正确却没啥营养。想要在中外两国这个话题上显得有见识,得先搞明白啥是技术?

核心技术到底是个啥?

把技术分分类,第一类姑且叫“可山寨技术”,或者叫“纯烧钱技术”,有人喜欢往左边烧,有人喜欢往右边烧,于是就烧出了不同的应用技术。这本质上是用旧技术整合出新玩意儿,比如,美帝登月的土星五号,土工的跨海大桥,小胡子的鼠式坦克,甚至包括中国长城和埃及金字塔。打个比方,这有点像吉尼斯纪录: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,所以这些也可以叫应用技术。
比如这种架桥机,几个工业大国都能搞,但搞出来只能当玩具,只有土工搞出来才赚钱。
土工发家后,迸发出海量需求,推动各种烧钱的应用技术井喷,赚了钱又可以孜孜不倦地完善各种细节,于是,可以不吹牛的说,中国的应用技术已经和整个外国平起平坐。

第二类技术暂且叫“不可山寨技术”,或者叫“烧钱烧时间技术”,任何牛逼设备,你拼命往细拆,最终发现都是材料技术。
做材料和做菜差不多,番茄炒蛋的成分可以告诉你,但你做的菜就是没我做的好吃,这就是核心技术。 除了生物医学之外,核心技术说到底就是材料技术。看一串例子:
发动机,工业皇冠上的明珠,是土工最遭人诟病的短板。其核心技术说白了就是涡轮叶片不够结实,油门踩狠了就得散架,无论是航天发动机、航空发动机、燃气轮机,只要带个“机”字,土工腰杆都有点软。
材料技术除了烧钱、烧时间,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,铼的全球探明储量大约2500吨,主要分布在欧美,70%用来做发动机涡轮叶片,这种战略物资,妥妥被美帝禁运。前几年在陕西发现一个储量176吨的铼矿,可把土工乐的,马上拼了老命烧钱,这几年苦逼生活才有了起色。
稀土永磁体,就是用稀土做的磁铁,能一直保持磁性,用处大大的。高品位稀土矿大多分布在中国,所以和“磁”相关的技术,土工比美帝还能嘚瑟,比如核聚变、太空暗物质探测等。据说,土工前几年也对美帝禁运,逼得美帝拿铼交换,外加陕西安徽刨出来的那点铼,J20的发动机才算有些眉目。
核心技术 芯片 核心技术 芯片
作为“工业之母”的高端机床,土工基本和男国足一个水平,只能仰望日本德国瑞士。材料是最大的限制之一,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,所以对加工精度要求极高的活,土工还是望“洋”兴叹。
光学晶体,土工的部分产品还能对美帝实施禁运,所以和光相关的技术都不弱,比如激光武器、量子通信。气动外形,得益于钱学森那辈人的积淀,与之相关的技术也是杠杠的。
如果我们继续罗列,就会发现,应用宽泛的基础性材料,中国还是落后外国,应用相对较窄的细分领域,中国逐渐领跑。
小盆友们坐端正,重点来了!这种关键核心材料,全球总共约130种,也就是说,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,指的就是这130种材料,其中32%国内完全空白,52%依赖进口,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%依赖进口。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。

核心材料技术,说一句“外国仍把中国摁在地上”,一点都不过分。这其实很容易理解,毕竟发家时间不长,而材料技术不但要烧钱,更要烧时间。

这里得强调一下,应用技术并不比核心技术不重要,它需要资金、需求和社会实际情况的结合,虽然外国有能力烧,但也许一辈子都没机会烧。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,半导体芯片之所以难,是因为它不但涉及海量烧钱的应用技术,还有众多烧钱烧时间的材料技术。为了便于理解,这话得从原理说起。

芯片原理和量子力学(转发者注:太专业了,转发时删除,这个科普各位可以自行检索)
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芯片制造与中国技术

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。

一、硅

核心技术 芯片

把这玩意儿氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,切成片就是我们想要的硅片。硅的评判指标就是纯度,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。
太阳能级高纯硅要求99.9999%,这玩意儿全世界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要求99.999999999%(别数了,11个9),几乎全赖进口,直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产,目前年产0.5万吨,而中国一年进口15万吨。

难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该还不错。不过,30%的制造设备还得进口……
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
硅提纯时需要旋转,成品就长这样:

核心技术 芯片

所以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?
核心技术 芯片
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,以目前人类的技术,怎样才能完成这种操作?
用原子操纵术?想多了,朋友!等你练成御剑飞行的时候,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线,在感光材料上刻出图案,让底下的晶圆裸露出来。然后,用等离子体这类东西冲刷,裸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,清洗干净,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,大致原理就是这么回事。有点像3D打印,把导线和其他器件一点点一层层装进去。

核心技术 芯片

这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路,这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明,最底层都是简单的门电路。只是采用了更多的器件,组成了更庞大的电路,运算性能自然就提高了。
 
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?性能不就赶上外国了嘛?
这个问题很有意思,答案出奇简单: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。

说个题外话,中国军用芯片基本实现了自给自足,因为咱不计较钱嘛!可以把芯片做的大大的。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。总的来说,大芯片的成本远远高于小芯片,不过对军方来说,这都不叫事儿。

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,重要到了和材料技术相提并论的地步。
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,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,只有一种办法可以检验,那就是:用!大量大量的用!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。
正因为如此,芯片设计不光要烧钱,也需要时间沉淀,属于“烧钱烧时间”的核心技术。既然是核心技术,自然就会发展出独立的公司,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大陆的技术了,基于两岸实质上的分治状态,所以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,最落后的就是大陆,产品多集中在家电遥控器之类的低端领域,手机、电脑这些高端芯片几乎空白!
后来随着芯片越来越复杂,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,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,世界霸主真不是吹的。
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当不错(这一波广告,不收华为一分钱)。
展讯是清华大学的校办企业,比较早的大陆芯片企业,毕竟不能被人剃光头吧,硬着头皮上,走的是低端路线。前段时间传出了不少危机,后来又说是变革的开始,过的很不容易,和世界巨头相差甚多。
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,产品应用于电视、便携式电子产品等领域,还挺滋润。
在大陆的芯片设计公司,台湾顶住了大半边天!
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。正是台积电的出现,才把芯片的设计和制造分开了。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,市值甚至超过了英特尔,成为全球第一半导体企业。
晶圆代工厂又是台湾老大哥的天下,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,连美国韩国都得靠边站。
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,但技术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,可惜还没盈利。大家还是愿意把这活交给台积电,台积电几乎拿下了全球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。
说真的,如果大陆能整合台湾的半导体产业,并利用灵活的政策和庞大的市场促进其进一步升级,土工追赶美帝的步伐至少轻松一半。现在嘛,大陆任重而道远呐!

四、核心设备
芯片良品率取决于晶圆厂整体水平,但加工精度完全取决于核心设备,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!不好意思,产量还不高,你们慢慢等着吧!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,就是这么强大!
核心技术 芯片
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纳米光刻机研制成功(核心部件进口),2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国,后来中国开始攻关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。
核心技术 芯片

重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,所以美帝很贴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。即便是光刻胶这些辅助材料,也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。
核心技术 芯片
2015年至2020年,国内半导体产业计划投资650亿美元,其中设备投资500亿美元,再其中480亿美元用于购买进口设备。
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!
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。
封测又又又是台湾老大哥的天下,排名世界第一的日月光,后面还跟着一堆实力不俗的小弟:矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。
大陆的三大封测巨头,长电科技、华天科技、通富微电,混的都还不错,毕竟只是芯片产业的末端,技术含量不高。

中国芯

说起中国芯片,不得不提“汉芯事件”。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,骗取无数资金和荣誉,消耗大量社会资源,影响之恶劣可谓空前!以致于很长一段时间,科研圈谈芯色变,严重干扰了芯片行业的正常发展。

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“烧钱烧时间”理论,掐指算算,大约是2030年吧!国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出,2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,产业实现跨越式发展。
当前,中国芯片的总体水平差不多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。
核心技术 芯片

极限

文末,习惯性抱怨一下人类科技的幼稚。芯片,作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准,其基础的能带理论竟然只是个近似理论,电子的行为仍然没法精确计算。再往大了说,别看现在的技术纷繁复杂,其实就是玩玩电子而已,至于其他几百种粒子,还完全不知道怎么玩!
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?你还能继续烧吗?1nm差不多就是几个原子而已,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,烧时间也罢,烧到尽头就是理论物理。基础科学除了烧钱烧时间,还得烧人,烧的异常惨烈,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,基础科学在中国被忽视了五千多年,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,是呼吁更多孩子学基础科学吧!



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