与非门芯片 看完此文，才敢吹牛说自己懂芯片！

要点

◎文老与山脚小学和尚

三角形代表二极管，箭头的方向表示电流可以通过的方向，AB为输入端，F为输出端。

如果A不施加电压，电流就会沿着A线流出，F端就没有电压；如果AB同时加电压，电流会在二极管的另一端被阻断，F端会有电压。

假设有电压为1，没有电压为0，那么只有同时从端子AB输入1，端子F才会输出1，称为“与门电路”。

同理，电路换成这样，只要AB输入为1，F端就会输出1，称为“或门电路”:

现在有了这些基本逻辑门，离芯片也不远了。你可以设计一个电路，它的作用是把一串1和0变成另一串1和0。

举个简单的例子，向第二和第四输入端施加电压相当于输出0101。在特定电路之后，输出端子可以变成1010，即，第一和第三输出端子具有电压。

让我们玩一个稍微复杂一点的游戏:

左边有8个输入端，右边有7个输出端，每个输出端对应一个发光管。从左边输入一系列信号:00000101，中间经过一堆电路，让右边输出另一系列信号:1011011。

1表示有电压，0表示没有电压。如果有电压，可以点亮对应的发光管，也就是七个发光管点亮五个，这样就得到一个数字“5”，如上图所示。

终于搞清楚数字是怎么显示的了！

如果要加1+1，电路的复杂程度已经超过了人智商的99%，就算是和尚自己递出来的，设计电路的计算能力也比不上一个算盘。

直到有一天，有人用18000根管子，6000个开关，7000个电阻，10000个电容，500000根导线组成了一个超级复杂的电路，诞生了第一台人类电脑，重达30吨，运算能力为5000次/秒，还不到现在手持计算器的十分之一。

我不知道工程师们为了安装这一堆电路，脑子里抽筋过多少次。

接下来的思路很简单，如何把这30吨的东西整合到一个钉子那么大的地方？这是芯片。

03

芯片制造与中国技术

为了减少30吨的计算电路，工程师们扔掉了所有多余的东西，直接在硅片上制作PN结和电路。先说硅片的制造工艺和国内的水平。

第一:硅

氯化这个东西，然后蒸馏，这样我们就可以得到高纯度的硅，并把它切成我们想要的硅片。硅的评价指标是纯度。你想想，如果硅中有大量杂质，那么电子就不能在全轨道和空轨道之间平稳运行。

太阳能级高纯硅的要求是99.9999%。这玩意世界上有一大半是中国造的，早就当白菜价玩了。

芯片用电子级高纯硅要求99.99999999%(不算，11个9)，几乎全靠进口。直到2018年，江苏新华公司才实现量产。目前年产量50万吨，而中国每年进口15万吨。

难得的是，新华的高纯硅出口到半导体大国韩国，质量应该不错。然而，30%的制造设备必须进口...

传统的高纯硅霸主依然是德国的威克和美国的铁杉，中国的任仲任重任重道远。

第二:晶圆

硅提纯需要旋转，成品是这样的:

所以切片的硅片也是圆的，所以叫“晶圆”。这个词不熟悉吗？

切割后，数千个电路将被封装在晶片上。这项工作被称为“晶圆厂”。你拍着脑袋想，以现在人类的技术，怎么才能完成这个操作？

用原子操控？想多了，朋友！当你被训练出御剑飞行时，人类可能无法操纵一个原子形成各种装置。晶圆加工过程有点繁琐。

首先在晶圆上涂一层感光材料，看到光就融化。光从哪里来？光刻机可以用非常精确的光线在感光材料上刻出图案，使下面的晶片曝光。

然后，裸露的晶片将被等离子体和其他东西蚀刻。这个设备叫蚀刻机。通过将磷掺杂到沟槽中，获得了一堆N型半导体。

完成后，清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻，用蚀刻机刻出凹槽，再撒上硼，即得P型半导体。

实际过程比较复杂，一般原理是这样的。这有点像3D打印，电线和其他设备一层一层地打包在一起。

这个晶片上的小方块就是芯片。芯片放大，电路成堆。这些电路并不比30吨的电脑好多少。底层是简单的门电路。

只有使用更多的器件，才能形成更大的电路，运行性能自然提高。

据说这是一个与非门电路:

我问你一个问题:为什么不把芯片做大？不是可以多装几个电路吗？表演不是赶上国外了吗？

这个问题很有意思，答案出奇的简单:钱！

一个300mm直径的晶圆，16nm工艺可以做100个芯片，10nm工艺可以做210个芯片，价格便宜一半，竞争对手在市场上可以稳扎稳打，赚钱后可以做更多的R&D，从而拉大差距。

题外话，中国军工芯片基本实现了自给自足，因为我们不在乎钱！可以把筹码做大。

另外，硅片越大，遇到杂质的概率就越高，所以芯片越大，成品率就越低。一般来说，大芯片的成本要比小芯片高很多，但这对军方来说不算什么。

不要把“龙芯”和“汉芯”混淆了

第三:设计和制造

芯片制作工艺，建议在wifi下观看

用上亿个器件组成这么庞大的电路，让人头皮发麻，所以芯片的设计极其重要，和材料技术一样重要。

十字路口不合理的交通灯可能会导致大面积的交通堵塞。电子在芯片上跑来跑去，PN结有点小问题，电子也会堵车。

测试这个精致的电路设计只有一个方法，就是用！非常非常有用！

现在你知道芯片成本的重要性了，因为你不会花更多的钱去买一台同样性能的电脑，芯片公司没有市场份额很容易陷入恶性循环。

正因为如此，芯片设计不仅需要烧钱，还需要时间沉淀，属于“烧钱烧时间”的核心技术。

既然是核心技术，独立公司自然会发展，所以芯片公司有三种:设计制造，只设计只制造。

半导体是台湾为数不多的仍然领先于大陆的技术之一。基于台湾海峡两岸分治的事实，中国大陆和台湾暂时分开陈述。

早期的设计和制造都是一起做的，最著名的有:美国的Intel，韩国的三星，日本的东芝，意大利和法国的意法半导体；中国大陆:华润微电子、兰斯微；中国台湾:王鸿电子等。

国外，台湾，大陆，最落后的是大陆。产品大多集中在家电、遥控器等低端领域。手机电脑等高端芯片几乎空白色！

后来芯片越来越复杂，设计和制造分离，有的公司只做设计，变成纯芯片设计公司。比如美国的高通、博通、AMD，台湾的联发科，大陆的华为海思、展讯等。

逐一点评几句。

著名的高通就不多说了。全球一半的手机都配备了高通芯片；

博通是苹果手机的芯片供应商，手机芯片第二名毫无悬念；

AMD和Intel基本上把电脑芯片打包了。

台湾联发科走低端路线，手机芯片市场份额排名第三。用的国产手机很多，小米，OPPO，魅族。但是高通最近做的有点惨，销量一降再降。

华为海思康最有竞争力。大家肯定看了很多故事，不会开讲。除了通信芯片，海思还生产手机用麒麟芯片，随着华为手机的增长，其市场份额位列前五。个人觉得海思芯片的进步真的挺不错的。

展讯是清华大学的校办企业。是早期的大陆芯片企业。毕竟不能剃。是低端路线。前段时间有很多危机。后来又说是改变的开始。这并不容易，而且与世界巨人大不相同。

mainland China还有多家芯片设计企业，如晨星半导体、永琏科技、瑞宇半导体等。，都是台湾老大哥的子公司。他们的产品用在电视、便携电子产品等领域，相当滋润。

还有一种只制造不设计的晶圆代工厂，首先要说的是台湾TSMC。正是TSMC的出现把芯片的设计和制造分开了。

2017年，TSMC承包了全球56%的代工业务，规模和技术排名第一，市值甚至超过英特尔，成为全球第一半导体企业。

晶圆代工厂是台湾的天下。除了TSMC，台湾还有联华电子、立晶半导体等等，连美韩都要靠边站。

mainland China最大的代工厂是SMIC，上海华立微电子也不错，但是技术和规模远不如台湾。

然而，由于台湾神秘的社会形势，TSMC开始布局大陆，定居南京。近年来，台资和外资企业在mainland China疯狂建造晶圆代工厂，与当年的合资汽车如出一辙。

mainland China的SMIC有一个28纳米的工艺和一条14纳米的生产线，但不幸的是它还没有盈利。每个人都愿意把这份工作交给TSMC，它已经赢得了全球28纳米以下原始设备制造商业务的近70%。

美国、韩国、台湾已经有10纳米的加工能力。最近几个月，TSMC刚刚推出7纳米工艺，稳定了三星。第一个客户是华为的麒麟980芯片。

这两个哥们早就是老伙伴了。华为设计芯片，TSMC加工芯片。

说真的，如果大陆能够整合台湾的半导体产业，利用灵活的政策和巨大的市场推动其进一步升级，我们追赶美帝的步伐至少会轻松一半。

第四:核心设备

芯片产量取决于工厂的整体水平，但加工精度完全取决于核心设备，即前述的“光刻机”。

光刻机，荷兰ASML公司风靡全球！不好意思，产量不高，慢慢等！

无论是TSMC、三星还是英特尔，谁先买阿斯玛光刻机，谁就能率先拥有7纳米工艺。没办法。太厉害了！

日本的尼康和佳能也做光刻机，但技术远不如阿斯玛。这几年阿斯玛一直找不到北，只能在低端市场抢份额。

Asme是唯一一家高端光刻机制造商，每台价格至少1亿美元。2017年只生产12台，预计2018年生产24台。所有这些机器都被TSMC、三星和英特尔抢走了。

预计2019年将有40台，其中一台用于SMIC。

既然这么重要，就不能多赚点钱吗？

首先，英特尔拥有阿斯美15%的股份，TSMC拥有5%，三星拥有3%。有时候，钱不是万能的。

第二，美帝立了瓦森纳协议，敏感技术不能卖。

有趣的是，2009年上海微电子的90 nm光刻机研制成功(核心部件进口)，2010年美帝允许90nm以上设备销往中国。

后来，中国开始解决65纳米光刻机的问题。2015年，美国皇帝允许65纳米以上的设备出售给中国。后来，美帝开始失去对弟弟的控制，SMIC有机会找到了高端机。

但我们不必气馁。任何一家房地产公司都可以在销售上轻松干掉阿斯迈。哦，耶！

蚀刻机在重要性上仅次于光刻机，国内情况好很多。16纳米的蚀刻机已经量产，7-10纳米的蚀刻机也在路上，于是美帝亲密解除了对中国蚀刻机的封锁。

在晶片上注入硼、磷和其他元素需要“离子注入机”。2017年8月，国内第一台商用机终于面世，水平未提及。美国应用材料公司拥有离子注入机70%的市场份额。

用一台“胶水显影机”来涂布感光材料，日本东京电子公司占有90%的市场份额。就连光刻胶等辅助材料也几乎被日本信越和美国陶氏所垄断。

2015年至2020年，国内半导体行业计划投资650亿美元，其中设备投资500亿美元，进口设备480亿美元。

据计算，近年来，中国平均投资130亿元，而英特尔在R&D的投资就超过了130亿美元。

在半导体设备上，中国没有比例，路还很远！

第五:密封和测试

芯片完成后，必须从晶圆上切下，用导线连接，装上外壳，顺便测试，这就是所谓的密封测试。

封测是台湾的天下，排名世界第一，紧随其后的是一帮实力不错的小弟:四平、历城、南茂、新邦、靖远电子。

大陆三大封装测试巨头长江电子科技、华天科技、同福微电子都做得不错。毕竟他们只是芯片行业的末端，技术含量不高。

04

谈谈我们的中国核心

说到中国芯片，我们不得不提到“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了芯片，并磨掉了原有标记。由于独立研发，他骗取了无数的资金和荣誉，消耗了大量的社会资源。不好的影响是空以前！于是，长期以来，研究界一直在谈论核心色变，严重干扰了芯片行业的正常发展。

在硅原材料、芯片设计、晶圆加工、封装测试、相关半导体设备等大部分领域，中国仍处于“任中任重道远”的状态。

这种强制状态会持续多久？按照“烧钱烧时间”的理论，大概是2030年吧！

国务院发布的《集成电路产业发展纲要》明确指出，到2030年，集成电路产业链主要环节将达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，产业实现跨越式发展。

目前，中国芯片的整体水平几乎处于零突破阶段。虽然市场份额很小，但是各个领域都有参与，前景可期。

05

芯片的极限在哪里

文末习惯性的抱怨人类科技的幼稚。

芯片作为每个人削尖脑袋都能达到的最高科技水平，它的基本能带理论只是一个近似理论，电子的行为仍然无法精确计算。

更进一步说，现在的技术虽然复杂，但其实只是玩电子而已。至于其他几百个粒子，完全不知道怎么玩！

芯片加工精度达到了7nm，虽然三星吹嘘会烧到3nm，那又如何？

能不能一直烧？1nm几乎只是几个原子，量子效应非常显著，所以近似理论不好，电子的行为更难预测，半导体行业不得不在这里停下吃饭。

烧钱，烧时间，烧到底是理论物理。基础科学除了烧钱烧时间，还要烧人，这是极其激烈的。100个智商高，99个是垫脚石！

工程师可以成为半僧侣，但物理学家必须经过训练。基础科学在中国被忽视了五千多年。现在没有每年打游戏那么火了。

我们不能只考虑电子。为了用中微子，还是赶紧忽悠吧。哦，不，我们正在号召更多的孩子学习基础科学。

你怎么想呢?欢迎大家一起留言~