Military版 - 看完这个文，你还会不会无知地高喊快快造出“爱国芯”[@裸嘢李 转] |
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发帖数: 9770 | 1 裸嘢李 裸嘢李 微信号 gzh54446700
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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。
今日话题
有关芯片，您有什么想说的？文末留言区，写下您的观点！
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？
01、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，中国的跨海大桥，
小胡子的鼠式坦克，甚至包括长城和埃及金字塔。
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。
比如上图这种架桥机，几个工业大国都能搞，但搞出来只能当玩具，只有中国搞出来才
赚钱。
我国在经济发展起来之后，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，是我国最遭人诟病的短板。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，我们腰杆都有点软。
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，可把国人乐的，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，我们比美帝还能嘚瑟，比如核聚变、太空暗物
质探测等。
据说，我国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。
作为“工业之母”的高端机床，我们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，国人还是望“洋”兴
叹。
光学晶体，我国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。
下面，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次要，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。为了便于大家理解，这话得从原理说起。
02、芯片原理和量子力学
很多人觉得量子力学只是一个数学游戏，没有应用价值，呵呵，下面咱给计算机芯片寻
个祖宗，请看示范：
导体，咱能理解，绝缘体，咱也能理解，我们第一次被物理整懵的，怕是半导体了，所
以先替各位的物理老师把这债还上。
原子组成固体时，会有很多相同的电子混到一起，但量子力学认为，2个相同电子没法
待在一个轨道上。
于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多
轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。这种由很多细轨道挤在一起
变成的宽轨道就叫能带。
有些宽轨道挤满了电子，电子就没法移动，有些宽轨道空旷的很，电子就可自由移动。
电子能移动，宏观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。
好了，我们把事情说得简单一点，不提“价带、满带、禁带、导带”的概念，准备圈重
点！
有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自
由移动，这就是导体。一价金属的导电原理稍有不同。
但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，也就不导电了。
但如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能
自由移动，也就是导电。
这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时能导电有时不能导电，所以叫半导体。
如果空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。
当然，如果是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都照样跑过去，比如高压电击穿
空气。
如果你想进行1+1的加法运算，其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了，即便
本僧亲自出手，设计电路的运算能力也抵不过一副算盘。
直到有一天，有人用18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条
线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机，重达30吨，运算能力5000次
/秒，还不及现在手持计算器的十分之一。
不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑子抽筋了多少回。
接下来的思路就简单了，如何把这30吨东西，集成到指甲那么大的地方上呢？这就是芯
片。
03、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。
第一：硅
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。
第二：晶圆
硅提纯时需要旋转，成品就长这样：
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？
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。
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。
据说这就是一个与非门电路：
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。
可别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈
第三：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。
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。
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。
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，我们追赶美帝的步伐至少轻松一半。
第四：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！
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。
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。
不过咱也不用气馁，咱随便一家房地产公司，销售额轻松秒杀阿斯麦，哦耶！
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。
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！
第五：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。
（按：最新的消息，紫光29.18亿台币入股第一封装大厂日月光：占股30％）
04、说说我们的中国芯
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。
05
芯片的极限在哪里
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！
（来源于网络）
@裸嘢李：其实这帖子我也没完全看懂，仅供参考。 |
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