好了，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了單向?qū)щ姷腜N結(jié)，然后呢？把PN結(jié)兩端接上導(dǎo)線，就是二極管：

有了二極管，隨手搭個電路：

三角形代表二極管，箭頭方向表示電流可通過的方向，AB是輸入端，F(xiàn)是輸出端。如果A不加電壓，電流就會順著A那條線流出，F(xiàn)端就沒了電壓；如果AB同時加電壓，電流就會被堵在二極管的另一頭，F(xiàn)端也就有了電壓。假設(shè)把有電壓看作1，沒電壓看作0，那么只有從AB端同時輸入1，F(xiàn)端才會輸出1，這就是“與門電路”，

同理，把電路改成這樣，那么只要AB有一個輸入1，F(xiàn)端就會輸出1，這叫“或門電路”：

現(xiàn)在有了這些基本的邏輯門電路，離芯片就不遠了。你可以設(shè)計出一種電路，它的功能是，把一串1和0，變成另一串1和0。

簡單舉個例子，給第二個和第四個輸入端加電壓，相當(dāng)于輸出0101，經(jīng)過特定的電路，輸出端可以變成1010，即第一個和第三個輸出端有電壓。

我們來玩?zhèn)€稍微復(fù)雜一點的局：

左邊有8個輸入端，右邊有7個輸出端，每個輸出端對應(yīng)一個發(fā)光管。從左邊輸入一串信號：00000101，經(jīng)過中間一堆的電路，使得右邊輸出另一串信號：1011011。1代表有電壓，0代表無電壓，有電壓就可以點亮對應(yīng)的發(fā)光管，即7個發(fā)光管點亮了5個，于是，就得到了一個數(shù)字“5”，如上圖所示。

終于，我們已經(jīng)搞定了數(shù)字是如何顯示的！如果你想進行1+1的加法運算，其電路的復(fù)雜程度就已經(jīng)超過了99%的人的智商了，即便本僧親自出手，設(shè)計電路的運算能力也抵不過一副算盤。

直到有一天，有人用18000只電子管，6000個開關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個超級復(fù)雜的電路，誕生了人類第一臺計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及現(xiàn)在手持計算器的十分之一。不知道當(dāng)時的工程師為了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。

接下來的思路就簡單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那么大的地方上呢？這就是芯片。

芯片制造與中國技術(shù)

為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多余的東西全扔了，直接在硅片上制作PN結(jié)和電路。下面從硅片出發(fā)，說說芯片的制作過程和中國所處的水平。

一、硅

把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，切成片就是我們想要的硅片。硅的評判指標就是純度，你想想，如果硅里有一堆雜質(zhì)，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

太陽能級高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產(chǎn)的，早被玩成了白菜價。芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數(shù)了，11個9)，幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現(xiàn)量產(chǎn)，目前年產(chǎn)0.5萬噸，而中國一年進口15萬噸。

難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導(dǎo)體強國韓國，品質(zhì)應(yīng)該還不錯。不過，30%的制造設(shè)備還得進口……

高純硅的傳統(tǒng)霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資)，中國任重而道遠。

二、晶圓

硅提純時需要旋轉(zhuǎn)，成品就長這樣：

所以切片后的硅片也是圓的，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經(jīng)有點耳熟了？

切好之后，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想，以目前人類的技術(shù)，怎樣才能完成這種操作？

用原子操縱術(shù)？想多了，朋友！等你練成御劍飛行的時候，人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。

首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪里來？光刻機，可以用非常精準的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來。然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，這套設(shè)備就叫刻蝕機。在溝槽里摻入磷元素，就得到了一堆N型半導(dǎo)體。

完成之后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導(dǎo)體。

實際過程更加繁瑣，大致原理就是這么回事。有點像3D打印，把導(dǎo)線和其他器件一點點一層層裝進去。

這塊晶圓上的小方塊就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路并不比那臺30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。只是采用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。

據(jù)說這就是一個與非門電路：

提個問題：為啥不把芯片做的更大一點呢？這樣不就可以安裝更多電路了嗎？性能不就趕上外國了嘛？

這個問題很有意思，答案出奇簡單：錢！一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做出100塊芯片，10nm工藝可以做出210塊芯片，于是價格就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開了。

說個題外話，中國軍用芯片基本實現(xiàn)了自給自足，因為咱不計較錢嘛！可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到雜質(zhì)的概率越大，所以芯片越大良品率越低?？偟膩碚f，大芯片的成本遠遠高于小芯片，不過對軍方來說，這都不叫事兒。

可別把“龍芯”和“漢芯”混為一談

三、設(shè)計與制造

用數(shù)以億計的器件組成如此龐大的電路，想想就頭皮發(fā)麻，所以芯片的設(shè)計異常重要，重要到了和材料技術(shù)相提并論的地步。

一個路口紅綠燈設(shè)置不合理，就可能導(dǎo)致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結(jié)出問題，電子同樣會堵車。這種精巧的線路設(shè)計，只有一種辦法可以檢驗，那就是：用！大量大量的用！現(xiàn)在知道芯片成本的重要性了吧，因為你不會多花錢去買一臺性能相同的電腦，而芯片企業(yè)沒了市場份額，很容易陷入惡性循環(huán)。

正因為如此，芯片設(shè)計不光要燒錢，也需要時間沉淀，屬于“燒錢燒時間”的核心技術(shù)。既然是核心技術(shù)，自然就會發(fā)展出獨立的公司，所以芯片公司有三類：設(shè)計制造都做、只做設(shè)計、只做制造。

半導(dǎo)體是臺灣少有的仍領(lǐng)先大陸的技術(shù)了，基于兩岸實質(zhì)上的分治狀態(tài)，所以中國大陸和臺灣暫且分開表述。

早期的設(shè)計制造都是一塊兒做的，最有名的：美國英特爾、韓國三星、日本東芝、意大利法國的意法半導(dǎo)體；中國大陸的：華潤微電子、士蘭微；中國臺灣的：旺宏電子等。

外國、臺灣、大陸三方，最落后的就是大陸，產(chǎn)品多集中在家電遙控器之類的低端領(lǐng)域，手機、電腦這些高端芯片幾乎空白！

后來隨著芯片越來越復(fù)雜，設(shè)計與制造就分開了，有些公司只設(shè)計，成了純粹的芯片設(shè)計公司。如，美國的高通、博通、AMD，中國臺灣的聯(lián)發(fā)科，大陸的華為海思、展訊等。

挨個點評幾句。

大名鼎鼎的高通就不多說了，世界上一半手機裝的是高通芯片；博通是蘋果手機的芯片供應(yīng)商，手機芯片排第二毫無懸念；AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。這些全是美國公司，世界霸主真不是吹的。

臺灣聯(lián)發(fā)科走的中低端路線，手機芯片的市場份額排第三，很多國產(chǎn)手機都用，比如小米、OPPO、魅族。不過最近被高通干的有點慘，銷量連連下跌。

華為海思是最爭氣的，大家肯定看過很多故事了，不展開。除了通信芯片，海思也做手機用的麒麟芯片，市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。個人切身體會，海思芯片的進步真的相當(dāng)不錯(這一波廣告，不收華為一分錢)。

展訊是清華大學(xué)的校辦企業(yè)，比較早的大陸芯片企業(yè)，畢竟不能被人剃光頭吧，硬著頭皮上，走的是低端路線。前段時間傳出了不少危機，后來又說是變革的開始，過的很不容易，和世界巨頭相差甚多。

大陸還有一批芯片設(shè)計企業(yè)，晨星半導(dǎo)體、聯(lián)詠科技、瑞昱半導(dǎo)體等，都是臺灣老大哥的子公司，產(chǎn)品應(yīng)用于電視、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，還挺滋潤。

在大陸的芯片設(shè)計公司，臺灣頂住了大半邊天！

還有一類只制造、不設(shè)計的晶圓代工廠，這必須得先說臺灣的臺積電。正是臺積電的出現(xiàn)，才把芯片的設(shè)計和制造分開了。2017年臺積電包下了全世界晶圓代工業(yè)務(wù)的56%，規(guī)模和技術(shù)均列全球第一，市值甚至超過了英特爾，成為全球第一半導(dǎo)體企業(yè)。

晶圓代工廠又是臺灣老大哥的天下，除了臺積電這個巨無霸，臺灣還有聯(lián)華電子、力晶半導(dǎo)體等等，連美國韓國都得靠邊站。

大陸最大的代工廠是中芯國際，還有上海華力微電子也還不錯，但技術(shù)和規(guī)模都遠不及臺灣。不過受制于臺灣詭譎的社會現(xiàn)狀，臺積電開始布局大陸，落戶南京。這幾年臺資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢和當(dāng)年合資汽車有的一拼。

大陸的中芯國際具備28nm工藝，14nm的生產(chǎn)線也在路上，可惜還沒盈利。大家還是愿意把這活交給臺積電，臺積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業(yè)務(wù)。

美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力，最近幾個站臺積電剛剛上線了7nm工藝，穩(wěn)穩(wěn)壓過三星，首批客戶就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設(shè)計芯片，臺積電加工芯片。

說真的，如果大陸能集成臺灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，并利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，土工追趕美帝的步伐至少輕松一半。現(xiàn)在嘛，大陸任重而道遠吶！

四、核心設(shè)備

芯片良品率取決于晶圓廠整體水平，但加工精度完全取決于核心設(shè)備，就是前面提到的“光刻機”。

光刻機，荷蘭阿斯麥公司(ASML)橫掃天下！不好意思，產(chǎn)量還不高，你們慢慢等著吧！無論是臺積電、三星，還是英特爾，誰先買到阿斯麥的光刻機，誰就能率先具備7nm工藝。沒辦法，就是這么強大！

日本的尼康和佳能也做光刻機，但技術(shù)遠不如阿斯麥，這幾年被阿斯麥打得找不到北，只能在低端市場搶份額。

阿斯麥是唯一的高端光刻機生產(chǎn)商，每臺售價至少1億美金，2017年只生產(chǎn)了12臺，2018年預(yù)計能產(chǎn)24臺，這些都已經(jīng)被臺積電三星英特爾搶完了，2019年預(yù)測有40臺，其中一臺是給咱們的中芯國際。

既然這么重要，咱不能多出點錢嗎？第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，臺積電有5%，三星有3%，有些時候吧，錢不是萬能的。第二，美帝整了個《瓦森納協(xié)定》，敏感技術(shù)不能賣，中國、朝鮮、伊朗、利比亞均是被限制國家。

有意思的是，2009年上海微電子的90納米光刻機研制成功(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上設(shè)備銷售給中國，后來中國開始攻關(guān)65nm光刻機，2015年美帝允許65nm以上設(shè)備銷售給中國，再后來美帝開始管不住小弟了，中芯國際才有機會去撿漏一臺高端機。

不過咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產(chǎn)公司，銷售額輕松秒殺阿斯麥，哦耶！

重要性僅次于光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經(jīng)量產(chǎn)運行，7-10nm刻蝕機也在路上了，所以美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。

在晶圓上注入硼磷等元素要用到“離子注入機”，2017年8月終于有了第一臺國產(chǎn)商用機，水平先不提了。離子注入機70%的市場份額是美國應(yīng)用材料公司的。涂感光材料得用“涂膠顯影機”，日本東京電子公司拿走了90%的市場份額。即便是光刻膠這些輔助材料，也幾乎被日本信越、美國陶氏等壟斷。

2015年至2020年，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)計劃投資650億美元，其中設(shè)備投資500億美元，再其中480億美元用于購買進口設(shè)備。

算下來，這幾年中國年均投入130億，而英特爾一家公司的研發(fā)投入就超過130億美元。

論半導(dǎo)體設(shè)備，中國，任無比重、道無比遠??！

五、封測

芯片做好后，得從晶圓上切下來，接上導(dǎo)線，裝上外殼，順便還得測試，這就叫封測。

封測又又又是臺灣老大哥的天下，排名世界第一的日月光，后面還跟著一堆實力不俗的小弟：硅品、力成、南茂、欣邦、京元電子。

大陸的三大封測巨頭，長電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯，畢竟只是芯片產(chǎn)業(yè)的末端，技術(shù)含量不高。

中國芯

說起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學(xué)微電子學(xué)院院長陳進教授從美國買回芯片，磨掉原有標記，作為自主研發(fā)成果，騙取無數(shù)資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空前！以致于很長一段時間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

硅原料、芯片設(shè)計、晶圓加工、封測，以及相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備，絕大部分領(lǐng)域中國還是處于“任重而道遠”的狀態(tài)，那這種懵逼狀態(tài)還得持續(xù)多久呢？根據(jù)“燒錢燒時間”理論，掐指算算，大約是2030年吧！國務(wù)院印發(fā)的《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要》明確提出，2030年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

當(dāng)前，中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實現(xiàn)零突破的階段，雖然市場份額微乎其微，但每個領(lǐng)域都參了一腳，前景還是可期待的。

極限

文末，習(xí)慣性抱怨一下人類科技的幼稚。芯片，作為大伙削尖腦袋能達到的最高科技水準，其基礎(chǔ)的能帶理論竟然只是個近似理論，電子的行為仍然沒法精確計算。再往大了說，別看現(xiàn)在的技術(shù)紛繁復(fù)雜，其實就是玩玩電子而已，至于其他幾百種粒子，還完全不知道怎么玩！

芯片加工精度已經(jīng)到了7nm，雖然三星吹牛說要燒到3nm，可那又如何？你還能繼續(xù)燒嗎？1nm差不多就是幾個原子而已，量子效應(yīng)非常顯著，近似理論就不好使了，電子的行為更加難以預(yù)測，半導(dǎo)體行業(yè)就得在這兒歇菜。

燒錢也好，燒時間也罷，燒到盡頭就是理論物理?；A(chǔ)科學(xué)除了燒錢燒時間，還得燒人，燒的異常慘烈，100個高智商，99個都是墊腳石！工程師可以半道出家，但物理學(xué)家必須科班出身，基礎(chǔ)科學(xué)在中國被忽視了五千多年，如今每年填報熱度還不如耍戲的。

不能光折騰電子了，為了把中微子也用起來，咱趕緊忽悠......哎，不對，是呼吁更多孩子學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)吧！

本文來自微信公眾號：老和山下的小學(xué)僧。