高端芯片制造到底有多難？一起來看看吧！

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國集成電路產(chǎn)品連續(xù)多年每年進(jìn)口額超過2000億美元，一旦缺“芯”，可以想像會面臨什么生產(chǎn)困難。

那么“芯片”為什么這么重要？中國芯片制造業(yè)的短板在哪里？我們什么時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)真正的“中國芯，中國造”？今天我們來簡單談?wù)勚袊男酒圃鞓I(yè)。

芯片跟集成電路、半導(dǎo)體是一回事嗎？

我們經(jīng)常碰到“芯片”、“集成電路”、“半導(dǎo)體”這幾個(gè)術(shù)語，這些詞在我們?nèi)粘５挠懻撝薪?jīng)常是混用的，硬要區(qū)分的話，可以說集成電路是更廣泛的概念。

1958年9月12日，在美國德州儀器公司擔(dān)任工程師的Jack.Kilby發(fā)明了集成電路的理論模型。1959年，曾師從晶體管發(fā)明人之一肖克萊的Bob.Noyce率先創(chuàng)造了掩模版曝光刻蝕方法，發(fā)明了今天的集成電路技術(shù)。

我們所說的集成電路指的是采用特定的制造工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及元件間的連線，集成制作在一小塊硅基半導(dǎo)體晶片上并封裝在一個(gè)腔殼內(nèi)，成為具有所需功能的微型器件。在國家的產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)上，集成電路也常常作為一個(gè)寬泛的概念而使用。

芯片則是指內(nèi)含集成電路的半導(dǎo)體基片（最常用的是硅片），是集成電路的物理載體。而半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，常見的有硅、鍺、砷化鎵等，用于制造芯片。

集成電路產(chǎn)業(yè)離普通人很近又很遠(yuǎn)。大多數(shù)人只知道手機(jī)電腦、各行各業(yè)里面都要用到電子器件，CPU、GPU、單片機(jī)、數(shù)控裝備、汽車都離不開芯片，但是說起芯片的設(shè)計(jì)制造，卻只有少數(shù)人知道。

芯片行業(yè)的技術(shù)含量可以說十分密集，像畫板子、晶圓、流片、制程、封裝、光刻這樣的芯片制造“黑話”很多人可能聞所未聞。另外，芯片行業(yè)資金極度密集，生產(chǎn)線動輒數(shù)十億上百億美金。此外，人才也是這個(gè)行業(yè)的稀缺資源。一方面是技術(shù)又貴又難、人才難以培養(yǎng)，另一方面是行業(yè)的集中度很高，少數(shù)的幾家大企業(yè)壟斷了行業(yè)的尖端技術(shù)和市場，剩下的企業(yè)里人才的待遇也就很難趕上幾家巨頭了。

在指甲蓋大小的晶圓上雕來雕去，一塊芯片就誕生了

芯片生產(chǎn)是一個(gè)點(diǎn)砂成金的過程，從砂子到晶圓再到芯片，價(jià)值密度直線飆升。真正的芯片制造過程十分復(fù)雜，下面我們?yōu)榇蠹液唵谓榻B一下。

晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓。單單從晶圓到芯片，其價(jià)值就能翻12倍，2000塊錢一片的晶圓原料經(jīng)過加工后，出來的成品價(jià)值約2.5萬元，可以買一臺高性能的計(jì)算機(jī)了。

從熔融態(tài)Si中拉出晶圓并切片

獲得晶圓后，將感光材料均勻涂抹在晶圓上，利用***將復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到感光材料上，被曝光的部分會溶解并被水沖掉，從而在晶圓表面暴露出復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，再使用刻蝕機(jī)將暴露出來的硅片的部分刻蝕掉。

晶圓片拋光后利用***將設(shè)計(jì)好的電路轉(zhuǎn)印到晶圓上

在晶圓上刻蝕出來復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

接著，經(jīng)過離子注入等數(shù)百道復(fù)雜的工藝，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)便擁有了特定的半導(dǎo)體特性，并能在幾平方厘米的范圍內(nèi)制造出數(shù)億個(gè)有特定功能的晶體管。

鍍銅后再切削掉表面多余的銅

再覆蓋上銅作為導(dǎo)線，就能將數(shù)以億計(jì)的晶體管連接起來。

經(jīng)過測試、晶片切割和封裝，就得到了我們見到的芯片

一塊晶圓經(jīng)過數(shù)個(gè)月的加工，在指甲蓋大小的空間中集成了數(shù)公里長的導(dǎo)線和數(shù)以億計(jì)的晶體管器件，經(jīng)過測試，品質(zhì)合格的晶片會被切割下來，剩下的部分會報(bào)廢掉。千挑萬選后，一塊真正的芯片就這么誕生了。

切割出合格晶片后報(bào)廢的晶圓

***精度，芯片制造的卡脖子環(huán)節(jié)

制約集成電路技術(shù)發(fā)展的有四大要素：功耗、工藝、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，其中***就是一個(gè)重中之重，核心技術(shù)中的核心。

一些裝備由于其巨大的制造難度被冠以“工業(yè)皇冠上的明珠”的稱號，最主流的說法是兩大裝備：航空發(fā)動機(jī)和***，最先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)目前的報(bào)價(jià)在千萬美元量級，但是最先進(jìn)的***目前的報(bào)價(jià)已經(jīng)過億美金。

芯片的集成程度取決于***的精度，***需要達(dá)到幾十納米甚至更高的圖像分辨率，***的兩套核心系統(tǒng)——光學(xué)系統(tǒng)和對準(zhǔn)系統(tǒng)的精度越高，可以在硅片上刻的溝槽越細(xì)小，芯片的集成度越高、計(jì)算能力越強(qiáng)。

目前，世界上80%的***市場被荷蘭公司占據(jù)，高端***也被其壟斷。中國在努力追趕，但是目前仍與國外存在技術(shù)代差，比美國差兩代、比美國的盟國差一代——但是這不是說我們的追趕不重要，如果我們不做出來，國外就可以想怎么賣就怎么賣，賣不賣、賣啥型號、賣多少錢都不由我們，而我們做出來了，國外更高精度的設(shè)備就會賣給我們，價(jià)格也相對實(shí)惠很多。

中國的芯片制造究竟處在什么水平？

1、發(fā)展很快，落后兩代，技術(shù)受限，產(chǎn)品低端

總的來說，中國的芯片制造技術(shù)在快速發(fā)展，同時(shí)存在工藝落后、產(chǎn)能不足、人才緊缺等問題。

中國集成電路行業(yè)共分芯片封裝、設(shè)計(jì)、制造三部分，總體呈現(xiàn)高速增長狀態(tài)。2004年至2017年，年均增長率接近20%。2010至2017年間，年均復(fù)合增長率達(dá)20.82%，同期全球僅為3%-5%。

但是另一方面，中國集成電路制造工藝落后國際同行兩代，預(yù)計(jì)于2019年1月，中國可完成14納米級產(chǎn)品制造，同期國外可完成7納米級產(chǎn)品制造；產(chǎn)能嚴(yán)重不足，50%的芯片依賴進(jìn)口；同時(shí)中國的產(chǎn)能和需求之間結(jié)構(gòu)失配，實(shí)際能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品，與市場需求不匹配；長期的代工模式導(dǎo)致設(shè)計(jì)能力和制造能力失配、核心技術(shù)缺失；投資混亂、研發(fā)投入和人才不足等問題，導(dǎo)致中國集成電路產(chǎn)業(yè)目前總體還處于“核心技術(shù)受制于人、產(chǎn)品處于中低端”的狀態(tài)，并且在很長的一段時(shí)間內(nèi)無法根本改變。

再具體一點(diǎn)的，數(shù)字電路部分的芯片設(shè)計(jì)我們還可以抄一抄、趕上來，但是在模擬電路部分，我們的晶振、AD采集卡等產(chǎn)品的精度還不夠高，積累得還不夠，核心技術(shù)還沒有把握到手里。

2、在手機(jī)、礦機(jī)領(lǐng)域，“中國芯”已占有一席之地

雖然中國的芯片產(chǎn)業(yè)整體上還比較落后，但是這并不妨礙我們在一些具體的應(yīng)用場景中造出自己的芯片。

舉兩個(gè)例子，一個(gè)是手機(jī)芯片、一個(gè)是新興的區(qū)塊鏈技術(shù)中的底層——“挖礦”用的計(jì)算芯片。

在移動互聯(lián)網(wǎng)的大潮中，中國企業(yè)早早介入了手機(jī)芯片的研發(fā)之中，在手機(jī)這個(gè)應(yīng)用場景中占有了自己的地位。

在區(qū)塊鏈技術(shù)火爆的今天，礦機(jī)專用的芯片基本上已經(jīng)被中國的產(chǎn)品所壟斷。挖礦用的芯片起初只是普通電腦的CPU，后來是GPU、FPGA芯片，再后來中國的創(chuàng)業(yè)者通過把其中不必要的部件都減掉，造出來專門用來挖礦的芯片，把算力和能耗發(fā)揮到極致，再加上中國強(qiáng)大的基礎(chǔ)制造體系，一舉壟斷了這個(gè)新興的市場。

在傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域已經(jīng)被巨頭壟斷的當(dāng)今，一些面向?qū)ｉT的應(yīng)用領(lǐng)域的芯片是中國未來實(shí)現(xiàn)彎道超車的重點(diǎn)，除了上面提到的手機(jī)芯片、礦機(jī)芯片，還有專門用于人工智能計(jì)算的AI芯片等等。

3、物聯(lián)網(wǎng)下的三維“芯片”具有維度碾壓上的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的芯片更多的是在硅片上畫二維的電路，而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，萬物互聯(lián)對傳感器技術(shù)提出了巨大的需求，一種在硅片上雕出來三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的新技術(shù)“MEMS”（微機(jī)電系統(tǒng)）逐漸走入了人們的視野。

MEMS的加速度計(jì)

相比于傳統(tǒng)的傳感器，MEMS傳感器具有維度碾壓上的優(yōu)勢，利用MEMS技術(shù)造的陀螺儀、麥克風(fēng)、壓力計(jì)等傳感器用在導(dǎo)彈、手機(jī)和穿戴設(shè)備中，發(fā)揮著巨大的作用。

目前MEMS領(lǐng)域正在經(jīng)歷年均200%-300%的快速增長。中國在該領(lǐng)域的研究處于世界的前列。

結(jié)語

芯片制造是一個(gè)對技術(shù)、資金、人才都高度依賴的行業(yè)，特別是在工藝上，***的精度是制約芯片制造關(guān)鍵中的關(guān)鍵。傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域被國際巨頭壟斷的今天，一些新興芯片領(lǐng)域是中國彎道超車的重要突破口，目前中國已經(jīng)占據(jù)有一席之地。

而近期的中興事件，也向公眾傳達(dá)了這樣的一個(gè)現(xiàn)狀：芯片的***，絕不是可有可無的，雖然急不得，但是也必須要加緊推進(jìn)了。