美國對中興的一紙禁令，便輕而易舉的讓中興陷入絕境，泱泱大國，竟也擺脫不了對美的依賴。缺”芯”的命門顯露無遺，不禁讓我們深思，芯片真的那么難制造嗎？

并非所有的芯片都很難制造

其實，并非所有的芯片都很難制造。如果你回家隨便拆開一個藍(lán)牙音箱、機頂盒、冰箱洗衣機，你便會發(fā)現(xiàn)，里面的核心芯片大部分都是國產(chǎn)品牌。但不可否認(rèn)的是，這些芯片大多應(yīng)用于消費類領(lǐng)域。在對穩(wěn)定性和可靠性要求很高的通信、工業(yè)、醫(yī)療以及軍事的大批量應(yīng)用中，國產(chǎn)芯片跟國際一般水平相比，仍然還有很大差距。

為什么芯片很難制造？

為什么芯片很難制造，原因主要有兩點：①試錯成本高；②排錯難度大。

1、試錯成本高

做一個app，可以一天一個版本，有bug也沒關(guān)系，第2天就可以修復(fù)，試錯和修改的成本幾乎為零；

做一個電路板，設(shè)計時長在1-30天之間，生產(chǎn)周期在3-14天之間，出錯重新投板，試錯費用在幾百到幾千之間，最多數(shù)萬塊錢；

而做一個芯片，不算架構(gòu)設(shè)計，從電路設(shè)計到投片，最少半年；投片到加工，2-3個月；一次投片的費用最少也是數(shù)十萬元，先進(jìn)工藝高達(dá)一千萬到幾千萬。

如此高的試錯和時間成本，對成功率有著極高的要求，需要多個工種密切配合，延長流程，反復(fù)驗證，團隊中一個人出錯，3個月后回來的芯片可能就是一塊兒石頭。修改一輪，于是，又三個月過去了。

2、排錯難度大

互聯(lián)網(wǎng)編個軟件，調(diào)試程序可以在任意地方設(shè)置斷點，查看變量實時狀態(tài)或者做出記錄；

硬件電路板上，幾乎任何一根信號線都可以拉到示波器上看波形；

而一顆小小的芯片，上億個晶體管，能測量到的信號線卻只有十幾根到幾百根。憑借這少得可憐的信息，推理出哪個晶體管的設(shè)計錯誤，難度可想而知。

模仿也好，抄襲也罷，在互聯(lián)網(wǎng)，我們有BAT可以和facebook/google過過招；在電子整機，我們有華為中興可以對抗思科愛立信；但在IT行業(yè)里，獨獨芯片，我們沒有跟美國抗衡的能力。

雖然芯片很難制造，但好在我們有一個華為。麒麟處理器已在華為手機上得到實現(xiàn)，還是高端的類型，雖說暫時還拼不過高通，但也占據(jù)了一地之席。

君不見，十年前華為研發(fā)芯片的時候，我們對它嗤之以鼻，而今，它卻成了唯一的安慰。

為什么芯片很難制造？“試錯成本高”和“排錯難度大”便是最根本的因素，啥也不說了，中國加油！

你沒見過芯片制造，就別低估制造芯片的難度，除了沒有光刻機，還有更深層次的原因。

2020年，中國芯片進(jìn)口額3800億美元，占全部進(jìn)口商品的18%；華為Mate40系列手機，因芯片供應(yīng)受阻，被迫減產(chǎn)供貨。

看到這樣的消息，你或許會質(zhì)疑，連北斗導(dǎo)航、嫦娥五號這樣的頂尖科技，中國都實現(xiàn)了，為何偏偏做不出高端芯片？芯片制造真的這樣難嗎？

什么是芯片，有什么價值

芯片是集成電路的簡稱，需要將數(shù)以億的晶體管，按照預(yù)先設(shè)計的電路圖，有序地實現(xiàn)布局。

芯片的出現(xiàn)，讓電路的小型化成指數(shù)級發(fā)展，不僅讓電子設(shè)備的體型更小，而且運算速度更快、耗能更低、可靠性更強。

我們可以做一個簡單的對比，1964年，美國造出了世界第一臺電子計算機，這個大家伙占地170平方米，比你家的房子還要大。

這臺被命名為“埃尼阿克”的計算機，裝有18000個電子管，每秒可運行5000次。

而如今一臺普通的智能手機，雖然只有手掌這么大，但手機的內(nèi)核芯片，晶體管的數(shù)量已多達(dá)數(shù)十億個，運算速度高達(dá)數(shù)十億次。

芯片被廣泛地應(yīng)用到智能手機、電腦、汽車，甚至衛(wèi)星和火箭上。芯片的出現(xiàn)，為很多行業(yè)都帶來了顛覆性的影響，也改變了現(xiàn)在人類的生活方式。

尤其是運算速度高達(dá)每秒億億次的超級計算機，發(fā)揮其運算速度的優(yōu)勢，能實現(xiàn)很多數(shù)據(jù)模擬和運算，而其價值的核心，就是芯片的完美呈現(xiàn)。

既然芯片如此重要，而且應(yīng)用前景廣泛，具備很強的科技和使用價值，為何我們自己卻造不出高端芯片呢？

芯片制造，全是黑科技

提到芯片，你可能會首先想到晶圓，這種用于芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵原材料。不少人對晶圓有誤解，不就是一堆沙子提純嗎，應(yīng)該不會太難。

原理沒有錯，但芯片需要的純度，卻格外苛刻。之所有選擇利用沙子提純，得到生產(chǎn)芯片的晶圓，是因為硅是一種很好的半導(dǎo)體材料，而沙子的主要成分是二氧化碳，正好富含硅元素，而且價格便宜。

目前全球有能力生產(chǎn)晶圓的企業(yè)中，排在前十的僅有中芯國際一家，而且中芯國際目前僅能生產(chǎn)12寸晶圓。

排在前三位的，分別是韓國的三星、臺灣省的臺積電和美國的美光科技。僅憑中芯國際的產(chǎn)能，很難撐起國內(nèi)半導(dǎo)體市場的巨大需求，目前晶圓的國產(chǎn)化率僅1%左右。

不過也有好消息，上海上海硅產(chǎn)業(yè)、中環(huán)股份已有能力生產(chǎn)12英寸的硅材料，相信晶圓的國產(chǎn)化也能很快到來。

石油不夠可以進(jìn)口，晶圓同樣可以花錢買到，但紛繁復(fù)雜的芯片制造過程，才是芯片制造的核心技術(shù)。

沙子在經(jīng)過凈化和提純后，會首先去除里面的鎂、鈣等雜質(zhì)，隨后加入碳進(jìn)行還原，得到相對純凈的硅。

此時的硅純度只能達(dá)到90%左右，依舊不能作為芯片的原材料。提純之后，硅材料還要再次經(jīng)過生產(chǎn)、成型等工藝，最終得到純度高達(dá)99.9999%的高純度硅棒。

有了硅棒之后，接下來就需要切片，就像切土豆片一樣，需要將高純度的硅棒切成薄片。

不過晶圓的切片，比切土豆要難太多，至于切片的過程，這里不做過多的分析，你只需要知道，晶圓需要被切割為厚度僅厚0.5-1.5mm的薄片。

經(jīng)過切片之后，就能得到一張像光盤一樣的單晶硅片，由于芯片的制造是納米級，此時還需要對單晶硅片進(jìn)行拋光處理。

拋光后的硅片，其表面平整度不能低于0.2納米，即便是在顯微鏡下，硅片的表面依然光滑靚麗。

擁有了單晶硅片，芯片的制造才算正式開始，硅元素本身是一種半導(dǎo)體材料，芯片需要在硅片表面，形成數(shù)以億計的電路和晶體管，為了避免相互干擾，此時需要對硅片進(jìn)行二次處理。

單晶硅片的表面，需要分次鋪上一層二氧化硅和氧化氮，為了保證均勻分布，往往采用真空沉淀法。接下來，就要用到芯片生產(chǎn)的另一種關(guān)鍵輔助材料，俗稱光刻膠。

按字面意思理解，其實就是一種特殊的膠水，這種膠水在紫外線的照射下，會變得容易溶解，但在顯影液中，它卻又極其穩(wěn)定，光刻膠在芯片電路的印刻中，發(fā)揮了很好的阻隔作用。

光刻膠目前也是國產(chǎn)芯片技術(shù)的難點，國產(chǎn)化率不足10%，而且光刻膠還分為i線光刻膠、KrF光刻膠、G線光刻膠等數(shù)個類別。

飛凱材料、南大光電、晶瑞股份這些企業(yè)，目前都在聚焦光刻膠的研發(fā)，為光刻膠的國產(chǎn)化努力。

涂上光刻膠的單晶硅片，依然是一片空白，接下來就需要將設(shè)計好的芯片電路圖，印刻到硅片上。

芯片設(shè)計雖然是半導(dǎo)體行業(yè)的難點，不過海思半導(dǎo)體已提前攻克相關(guān)技術(shù)，具備世界一流的芯片設(shè)計技術(shù)，這里讓我們再次為華為點個贊。

芯片上的電路錯綜復(fù)雜，憑人工印刻，幾乎沒有辦法實現(xiàn)，即使在顯微鏡下手工刻制電路，產(chǎn)品的良率和效率都沒法保證。

芯片制造中，采用的是光刻法，就是利用光線沿直線傳播的固有特性，將電路圖繪制到硅片表面。

不少人對日本的半導(dǎo)體發(fā)展歷程都有些了解，你也必然聽說過索尼、佳能這些相機企業(yè)，其實他們都曾為日本半導(dǎo)體的發(fā)展，做出了很大貢獻(xiàn)，這其中的關(guān)鍵就是對光刻技術(shù)的貢獻(xiàn)。

光刻就是利用掩膜和透鏡，將電路圖投射到硅片表面，這個過程有點像過去的投影儀，只不過設(shè)計會更加復(fù)雜。

掩膜分為透明和不透明，當(dāng)紫外線照射到掩膜表面，通過透鏡將電路圖的比例縮小，這樣一張完整的電路圖，就完美地投射到硅片表面。

順便提一下，光掩膜的國產(chǎn)化率也并不高，大約20%左右。

前面提到，光刻膠在遇到紫外線后，會變得很容易溶解，這樣沒有被掩膜遮擋的部分，就不會受到紫外線的照射，光刻膠就能完好保留。

而當(dāng)紫外線經(jīng)過透明部分的掩膜后，會直達(dá)硅片表面，與這部分區(qū)域的光刻膠直接接觸。經(jīng)過紫外線的照射，硅片表面形成了兩種狀態(tài)，一種是被紫外線照射過的光刻膠表面，另一種則是沒有被紫外線照射過的光刻膠表面。

再將硅片放置到顯影液中，被紫外線照射過的光刻膠，會迅速分解，這樣硅片表面有一部分的光刻膠就會被溶解。

此時的硅片表面，又會變成兩種狀態(tài)，一種覆蓋有光刻膠，而另一種則沒有光刻膠，但整個過程都是在按芯片設(shè)計的規(guī)劃進(jìn)行。

接下來的過程將變得更加微觀和細(xì)膩，清洗掉顯影液和雜質(zhì)后，硅片將被投放到一種腐蝕液中。

腐蝕液能快速溶解二氧化硅和氧化氮，但是光刻膠卻又能很好的阻擋腐蝕液，經(jīng)過腐蝕液的腐蝕后，硅片表面沒有光刻膠覆蓋的部分，硅會直接顯露在表層。

為了起到絕緣的作用，此時會再將鍍上一層二氧化硅。經(jīng)過這些復(fù)雜的供需，芯片表面會形成有規(guī)律的凹凸不平，在進(jìn)行粒子注入，填充凹下去的部分，芯片制造的光刻環(huán)節(jié)基本完成。

此時的芯片還不具備實用性，隨后技術(shù)人員會將二氧化硅上開槽，并將銅和鎢作為各個晶體管之間的導(dǎo)線。

就如同蓋房子的管道一樣，這些連接線會將數(shù)以億計的晶體管相連，并具備電流連通性。

到這里，芯片的一層電路就完成制造，現(xiàn)在的芯片往往多達(dá)數(shù)層電路，后面的原理很簡單，只需不斷重復(fù)上面的操作即可。但電路層數(shù)越多，對芯片的制造要求就越高，原理相同，考驗的是制造的精度。

完成所有電路的刻蝕后，將晶圓切割為需要的大小，并將引腳連接，用蓋子封裝起來，一塊完整的芯片，才算制造完成。

芯片的制造原理并不復(fù)雜，但每道工序?qū)夹g(shù)和設(shè)備的要求都極為苛刻，曾有一種說法，即便把圖紙給中國，我們也造不出光刻機，如此看來并不是完全沒有道理。

芯片的整個制造過程中，最受關(guān)注的就是光刻機，也就是荷蘭的ASML生產(chǎn)的設(shè)備，目前國產(chǎn)光刻機成品基本處于空白狀態(tài)。我們也想買，可以別人不愿意賣，那就只能靠自研技術(shù)來解決。

目前全球先進(jìn)的光刻機，大多被三星、臺積電買走，為什么會賣給臺積電。其實道理很簡單，臺積電是ASML的股東之一，有優(yōu)先供貨權(quán)。

國產(chǎn)芯片，只是時間問題

看到這里，你腦子里或許只剩下一個概念，芯片制造太難了，別說沒有光刻機，即便有了光刻機，也不一定能造出芯片。

先別著急否定自己，雖然芯片制造很難，我們也有很多短板，但我國依然是半導(dǎo)體行業(yè)佼佼者，除了中國，目前依然能在芯片制造領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的，恐怕很難再找出第二個。

在過去的2020年，半導(dǎo)體行業(yè)投入1400億元，中芯國際、海思半導(dǎo)體等國產(chǎn)科技企業(yè)，依然在不竭余力地聚焦芯片制造。

有消息認(rèn)為，中國將在2025年，基本實現(xiàn)芯片國產(chǎn)化，從此芯片將不再成為痛點，而將成為新的科技發(fā)展點和經(jīng)濟動力源。

芯片國產(chǎn)化后，手機和電腦將更加便宜，迭代速度將更快，再也不會出現(xiàn)高端手機，一機難求的局面，這樣的盛況，你期待嗎？

在2018年的芯片危機，以及美國對中興和華為的找茬，讓我們認(rèn)識到了芯片的巨大價值，以及我國在芯片制造領(lǐng)域與美國的巨大差距。芯片真的很難制造嗎？是的，非常難制造。

1、巨大的研發(fā)成本和投入

芯片的投入非常巨大，而且時間非常的長，高通成立幾十年在2017年的研發(fā)投入還有近90億美元，也就是600億人民幣，連續(xù)投入了幾十年。

芯片領(lǐng)域做的比較好的國產(chǎn)品牌華為，在2017年整體研發(fā)成本也是有900億，分到芯片上的投入也是百億水平。

無論是國家支持，還是風(fēng)投支持，都很難持續(xù)的投入巨資來發(fā)展。

2、芯片研發(fā)難度太高

芯片研發(fā)難度也非常高，而且無法跨越式發(fā)展，這就形成了一步落后步步落后的現(xiàn)狀。只有攻破每個技術(shù)難題才有可能做出最新的芯片，這是最難的，所以別看高通已經(jīng)做了7nm芯片，我們開始做芯片還要從40nm開始做，難度非常高。

3、芯片很難盈利

芯片領(lǐng)域除了高通，聯(lián)發(fā)科，華為，蘋果，三星，本來也有其他的玩家，但是芯片太難盈利了，只有做成細(xì)分領(lǐng)域最好的才能發(fā)展。

而且芯片賣的越多才能攤平成本，否則就會持續(xù)虧損，這對于新玩家，是巨大的難度。

不過好在我們有華為芯片，代表中國芯片先進(jìn)性。

你認(rèn)為華為芯片有可能超過高通芯片嗎？