中国芯、世界芯——此文彻底全面说清楚芯片的事儿，恍然大悟

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欣烁照明科技作为中国照明亮化行业的一员，天天和LED打交道，和芯片打交道。

耳濡目染，深感科技兴国、匹夫有责。我辈无力创造、改变世界，却要兢兢业业工作，清清楚楚奋斗。

弄清楚自己的专业，对工作肯定大有裨益。

本文本着严谨的态度，鞭辟入里、循序渐进，多方位、立体地分析一下中国芯、世界芯。

本文篇幅较长，内容全面。

条理清楚、浅显易懂。

心怀爱国之心，关注身边实事。

收藏此文，一劳永逸，

定会给您以醍醐灌顶、豁然开朗之感。

一、什么是芯片？

关键词：生活系统、CPU、把芯片做小、等比例缩小

比方说，一个万人居民小区的供电系统，

牵扯到总开关、分开关、变压器、应急断电设备、上万条电缆送到每家每户，干线、支线密密麻麻，数千台空调、冰箱、电视、电脑、洗衣机等各种用电器；数万个开关、插座，大大小小几千个配电箱等各种节点。这一切组成了一个有条不紊的系统；

再加上

布满密密麻麻电线、电器节点的通信系统；

有线电视网络系统；

供水供气系统

消防系统

排水系统等

这些综合起来就组成了——

小区的

生活系统。

保证了整个小区上万人的正常生活。

假如把这个小区缩小到手机那么大，整个生活系统就得等比例缩小到

指甲盖那么大；

这个时候，那千万条各种线缆的宽度就只有几纳米了。

小区以及上万居民的生态，就相当于是手机；

居民各种生活需求就相当于是手机的各种功能系统（比如：拍照功能、上网功能、通话功能、支付功能、视频浏览功能等等等等），

而保证小区正常运转的生活系统（供电系统、通信系统、等等等等）

就相当于是手机的

中央处理器——CPU

也就是我们今天所说的——

“芯片”。

芯片的技术原理其实并不难攻克，难的是

把芯片做小。

指甲盖大小的芯片，密布千万条纳米级电线，纹丝不乱，

假如人类个个长的都跟绿巨人浩克那么高大，

绿巨人使用的手机肯定得像大型手提箱那么大，那么芯片至少得像砖头那么大吧。

华为也不用担心被美国制裁了。

不用担心造不出芯片了。

二、芯片的制作流程

一款芯片从成型，到安装在设备中正式运行，需要经过四个步骤，它们分别是

设计、制造、封装、测试。

而设计和制作可以说是制作步骤的精髓，

第一大步骤、设计

说起设计芯片，不得不说到英国剑桥一个只有不到2000人的公司。

而决定了世界90%的芯片设计的，正是这家公司。

不客气地说，这2000人直接决定了全世界手机的性能、样貌。

高通的骁龙845、苹果的A13、华为的麒麟系列芯片等全部离不开这家公司的芯片设计。

这家公司，就是诞生于英国剑桥大学的

ARM公司。

目前，苹果、三星、华为、诺基亚、华为等基本所有厂商都需要向ARM购买芯片架构设计。

ARM直接划定了人类芯片能效的上限，所有手机公司都只能在其设计框架下进行再研发。

可是，ARM公司的设计方案从来不卖，只按时间授权使用，或者说就是租。

你要是敢惹我，毫不商量，直接就给停止授权。

因此哪怕是傲视世界的乔布斯，见了ARM也得老老实实买单。

目前，ARM公司已被日本孙正义的软银收购，但软银除了有钱以外，根本不敢插手该公司的任何一丁点实际工作。

一点办法也没有，

ARM最宝贵的资产就是那1000多个世界最顶尖聪明的脑袋，你要把这帮人惹毛了，整个地球都找不出可以替补的大脑。

剑桥是牛顿的母校、也是获得诺贝尔科技类奖项最多的大学，这一点绝对不是盖的。

1000多位剑桥天才花了几十年研究出的技术成果，全球根本找不到任何替代方案。

最近美国制裁华为，规定只要使用了美国技术的公司都禁止与华合作。

ARM自查了一遍，然后公开坦然表示，特朗普，不好意思啊，我家的核心技术均为原创，美国佬管不着我。

特朗普政府一点办法也没有。

目前，ARM仍然在和华为紧密合作。

其实，如果说设计的话，我们熟知的高通，苹果，华为实际上都是设计类的公司。

但只能在ARM公司的设计框架下进行再研发、再设计。

这些公司的芯片再设计工作，是通过EDA软件进行的。现在，华为的设计水平已经能够做到符合我们的需求了，

尴尬的是，这款软件就是我们芯片设计领域的软肋。

EDA芯片设计软件是美国的。美国对华为的升级制裁措施之一就是：

对华为断供EDA软件

第二大步骤、制造

在芯片制造过程中，需要各种材料，其中主要材料有：晶圆（硅晶片），光掩膜，光刻胶，湿电子化学品，等离子、CMP抛光材料，靶材，电子特种气体等等。

先了解一下芯片制造的步骤，这样你可能更容易知道芯片制造的难度有多大。

第一步：

我们需要的是将晶圆从沙子里提炼出来，提炼出来的单晶硅，做成硅锭，再把硅锭加工切割成一个一个的圆片，这就是硅晶片，也叫晶圆。

硅晶片其实大家都见过，太阳能电池板上用的那玩意儿就是。

只不过，那只是纯度“仅仅只有”99.99%的硅晶片。

而制造最高级的芯片，需要的是纯度高达99.999999999%的硅晶片。

不用数了，一共是11个9。

晶圆-纯度高达99.999999999%的硅晶片

这意思就是说，每1千亿个原子中只能有一个外来原子。

而能生产出这么牛逼的硅晶片的企业，

全世界有且只有一家，绝无分店——

日本信越化学工业株式会社。

日本信越化学工业株式会社

目前，以日本信越为首日本企业在全球硅晶片市场中，占据了60%的份额。

而在99.999999999%高纯度的硅晶片市场中，日本则占领100%份额。

2017年，日本信越曾经宣布提价。于是，一时之间全球几乎所有IT企业的股价全部大跌。

如果哪天日本信越这些企业领导人一拍脑门、一冲动：宣布硅晶片对外禁运，

这会比当年阿拉伯国家搞的石油禁运还要可怕100倍。

第二步：

要在晶圆上涂抹一层光刻胶（光刻胶是一种化学液体，通过紫外光照射可以固化，但是它又容易被水溶解）；以液态涂在晶圆（硅晶片）表面，而后被干燥成胶膜。光刻过程中，光刻胶起到防腐蚀的保护作用。作为光刻过程的核心材料，光刻胶的质量和性能直接决定集成电路的性能、良率。

据估计，光刻胶每年的市场规模至少是20亿美元，可是遗憾的是，光刻胶领域具有很高的技术壁垒，现在被美国和日本的企业所垄断。

主要生产企业为日本的 TOK、JSR、富士、信越化学和住友化学、美国的陶氏化学。

其中，日本的JSR作为全球最大的、技术最领先的光刻胶巨头，市场份额占到30%左右，JSR以前主要生产乳胶，在上世纪80年代才转产进入光刻胶市场，至今已经发展成为了光刻胶领域的龙头企业，在中国大陆、韩国、台湾都设有工厂。客户对象主要是：Intel、三星和台积电 。

往晶圆上面涂抹光刻胶，必须用到一个设备——涂胶显影机。

并且

目前，只有日本能造出涂胶显影机。

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第三步：

终于说到最最最重要的设备了——

光刻机

首先必须在晶圆上已经涂抹了一层光刻胶，需要我们通过光刻机的特殊光源，将胶水固化。

而且这个过程，一定是按照之前设计好的线路图（——就是在最牛逼的那个剑桥的ARM公司架构下再研发出来的芯片图纸）固化。

没有光刻机，你的晶圆就不能够固化线路图，下一步就无法进行。

很遗憾的是，美国的光源，德国的镜头等等组成了荷兰ASML公司的光刻机。这里面又没有我们国家什么事儿。

下面，我们着重介绍一下，比剑桥ARM公司还牛的

荷兰ASML公司。

ASML光刻机

ASML公司，1984年从PHILIPS（飞利浦）公司独立出来，看来这飞利浦公司也是牛X的祖宗级别的。

目前，荷兰ASML是全世界唯一一家能生产7纳米及以下光刻机的企业，

唯一。

荷兰ASML其实是一家全球性企业，英特尔、三星、台积电都是他的股东，美国英特尔投资高达26亿欧元。

ASml作为全球技术最强悍的光刻机制造企业，目前垄断了全球高端光刻机90%以上的市场份额，几乎所有牛逼的芯片制造厂家都离不开asml，

比如在2017年全球光刻机总出货量是294台，其中荷兰asml公司就占到了198台，光刻机出货量占全球市场份额的近70%，

而在EUV高端光刻机上，Asml的出货量是11台，全球占有率100%。不愧是目前全球唯一一个掌握7nm光刻机技术并量产的企业。

ASML90%的零部件都是外包生产，但就是这剩余的10%核心组件以及举世无双的设计整合能力让他可以潇潇洒洒地吹牛逼。

ASML曾公开表示：“我就是把图纸全部公开，也没人造得出来”。

“我不是针对谁，我是说，在座的各位，都是垃圾。

而美国日本德国这些超牛科技强国听了这话之后

除了低头沉默，一句也不敢反驳。

在光刻机制造领域，ASML的领先优势实在是大到逆天，就连新冠疫情确诊人数都要争世界第一的美国，

连研发的想法都没有，直接放弃追赶。老老实实地每年排队给ASML公司送钱。

ASML公司脾气也很大，ASML高端光刻机，顶级7纳米光刻机由荷兰ASML垄断。曾经1亿美元一台。

尽管这么贵，你送钱过来，那也得乖乖排队，爱买不买。

如果你现在下单，哪怕加钱加急，最快也得要三年以后才能提货。

顺便提一下，1996年由美国主导并通过了的《瓦森纳协定》规定，ASML最先进的光刻机不允许卖给我国（台湾地区除外）。

而由于美国在芯片领域对我国制裁不断加码，目前我国已在大力研发相关技术。

中国第一领军芯片代工企业是中芯国际，目前的技术还只停留在28纳米制程上，并且不良率过高，良率只达到40%。

上海微电子装备公司（SMEE）生产的中国最好的光刻机，其意义与中国的大飞机、登月车并列。

它的加工精度是90纳米，只达到2004年上市的奔腾四CPU处理器的水准。而美国高通，台积电都实现10纳米，7纳米精密度了，可想而知差距非常大。

最近，上海微电子装备公司（SMEE）官宣：

2020-2021年间，将交付第一台28纳米制程国产光刻机，

这也给华为吃了颗定心丸。这已经解决了70%国内芯片的生产国产化问题，据统计，中国70%以上需求的芯片要求的制程工艺都在28纳米以下。

而从90nm到28nm。中间还有65nm/45nm/32nm等制程工艺，

以两年一代工艺为节点计算的话。上海微电子此次从90nm的光刻机直接跳跃至28nm的光刻机。

在时间方面节约了大约六年左右的时间。

因此毫无疑问，明年即将交付的上海微电子28nm国产光刻机是一次飞跃式的发展。

但是尽管如此目前我们和国际领先水平还是有很大的差距。

比如目前制程工艺方面最领先的台积电。从规格路线图方面来看，2020年下半年将会率先量产5nm制程工艺。

而目前国内的中芯国际在使用ASML进口光刻机的情况下。2020年下半年将量产N+1工艺。所谓的N+1工艺在晶体管性能方面。性能相比14nm工艺提升20%。功耗降低57%。逻辑面积缩小63%。从总体的提升来看。中芯国际的N+1工艺。介于台积电的7nm和10nm制程工艺之间。

因此，目前中芯国际的芯片代工工艺和比较领先的台积电还有不小的差距。

并且目前根据台积电的技术线来看，

台积电将会在2021年。采用3nm的逻辑技术平台。

并在2021年下半年进行3nm制程工艺的试产。

2023年将采用突破3nm的逻辑技术平台。也就是

目前台积电在台湾新竹投资建设的2nm制程工艺生产线2024年投产。

因此台积电目前不仅在现有制程工艺方面比较领先。

同时在制程工艺的技术储备方面已经

步入了3nm和2nm制程工艺。

当然对于国产制程工艺来说。我们依然有可以赶超台积电的机会。

目前中芯国际已经实现了14nm制程工艺的量产。并且今年下半年将开始N+1工艺的工艺量产。在综合性能表现方面能够接近台积电的7nm制程工艺。

但是这意味着我们目前和现在世界最领先的制程工艺方面仍然有两到三代的代差。

这真是一个令国人振奋的消息

只是，坦率地说，20年内，我国的光刻机技术仍然完全不可能追上ASML。

差点忘了说一下，ASML光刻机的主要零部件德国的镜头的制作工艺，

光刻机跟照相机差不多，它的底片，是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机，缩微投射到底片，蚀刻掉一部分胶，露出硅面做化学处理。

制造芯片，要重复几十遍这个过程。

缩微投射就是位于光刻机中心的镜头完成的，由20多块锅底大的镜片串联组成。

镜片得需要高纯度透光材料+高质量抛光。

SMEE（上海微电子集团）总经理贺荣明说，他在德国看到，有的抛光镜片的工人，祖孙三代在同一家公司的同一个职位会连续工作上百年。

所以芯片行业要想长足发展必须要五十年一百年的长远眼光去做，而不能期望短时间内解决问题。

备注：极紫外光源-EUV在主要有两种：一种是用放电产生的等离子体来发射EUV光子（discharge-produced plasma，DPP）；另一种是用激光激发的等离子来发射EUV光子（laser-produced plasma，LPP）

第四步：

蚀刻，

这时候，我们需要溶解掉一些多余的涂层。第三步的光刻胶已经固化，可是我们必须得知道，晶圆上面我们不需要的涂层也存在了。

通过进入蚀刻，再溶解掉不需要的涂层，留下光刻的部分，并形成一道道的凹槽。

光刻机关键步骤就是曝光，也就是和照相机在底片上投影一样，

1、光刻机实际上只是画出图形，

真正的微电路实现，还需要

2、刻蚀机去腐蚀出电路，

3、需要将凹槽中注入其它离子元素，用以改变单晶硅的导电特性，把这些凹槽变成一根根纳米级的“电线”。

刻蚀机的种类很多，在芯片制造的过程中就需要等离子刻蚀机，

等离子刻蚀机配合光刻机最终才能完成芯片的生产。

等离子蚀刻机

目前等离子刻蚀机的市场份额基本上被美国的泛林半导体还有应用材料所垄断，

不过好消息是国内的中微半导体等离子刻蚀机已经达到国际先进水平，可以用来生产5nm工艺，据说已经和台积电合作用来制造5nm芯片了，除此之外一些其他的科技公司也在生产其他种类的刻蚀机。

等离子蚀刻机，蚀刻掉晶圆表面多余的光刻胶

第五步：

掺杂

需要将凹槽中注入其它离子元素，用以改变单晶硅的导电特性，把这些凹槽变成一根根纳米级的“电线”。

这一步，叫做掺杂。

做这一步，需要离子注入机，离子注入机也是集成电路制造工序中最关键的设备，主要是用于掺杂工艺，用来改变固体表面层物理和化学性质，达到对于半导体电学特性的控制还有金属的改性，

相对于传统的掺杂工艺，精度更高，温度要求更低，更加均匀，

目前市场离子元素材料份额还是主要被美国的应用材料和Axcelis所掌控。

而这种高端离子注入机，目前产自我们的邻居——日本。

可喜的是：国内的万业企业公司，在2018年成功收购了上海凯世通半导体（一家专业从事离子注入及研发的企业，在全球光伏离子注入领域占比第一）目前万业企业也开始转型积极开始研发离子注入机，除此之外还有中电科电子。

沉积设备

沉积设备有很多种，比如原子层沉积设备、化学气相沉积设备，物理气相沉积设备等等，也就是使材料气化之后再沉积在被镀工件上的一种薄膜制备技术，我们所知道OLED屏幕的工艺实际上就是用到了沉积工艺，沉积工艺的设备非常多样，用途广泛，主要也是美国和日本的科技公司所掌控。

前两个步骤大概就这些了

第三大步骤、封装

第四大步骤、测试

这两个步骤不必多讲了，智慧的中国人已经搞定

目前我国高端芯片全部由台积电、三星等代工生产，他们将拿走很大一块利润。

路漫漫兮修远兮，吾将上下而求索。

为国家的强盛而奋斗！

为我国的科技工作者致敬！！