中國人心中永遠的痛——手機晶片之殤

從上世紀九十年代擔任聯想總工程師的倪光南，決心創造新的技術制高點，試圖尋求晶片技術上的突破，稱之為「技工貿方式」，柳傳志則反對過多投入，提倡發展渠道的「貿工技方式」發展，兩者之爭。

到去年的中興事件反應出中國通信產業缺乏核心技術的痛點，「缺芯問題」又一次成為熱點引起媒體討論。

中國絕大多數晶片還需要進口，據統計，2016年我國進口晶片金額高達2400億美元左右，幾乎是第二名石油的2倍 。

作為能送衛星上天，GDP全球第二的中國，一枚僅指甲大小的晶片，為何能難倒我們？今天就以手機晶片為例，是來扒一扒原因……

手機晶片主要分設計和製造兩個步驟，負責製造晶片的廠又叫「圓晶廠」。

打個比喻，如果把晶片比喻成一幅畫，圓晶廠是製作畫板，設計公司就是畫家，負責畫畫。

早期手機晶片的設計、製造都是一塊兒做，最有名的：美國英特爾、韓國三星； 台灣的：旺宏電；中國大陸的：華潤微電子、士蘭微。

中國大陸產品多集中在家電遙控器之類的低端市場，手機、電腦這些高端晶片幾乎都依賴進口。

後來隨著晶片製造工藝越來越複雜，設計與製造就分開了，有些公司只設計晶片。

如美國的高通、博通、台灣的聯發科，中國大陸的 華為、展訊等。

製作晶圓片代工的「晶圓廠」，最著名的就是台灣的台積電。

正是台積電先進的製作工藝，使得高通、三星等企業逐漸放棄了製造晶圓片，只專注於晶片的設計。

2017年台積電已承擔了全球56%的晶圓片生產業務，市值超過了英特爾，成為全球第大的半導體企業。

台灣晶圓廠除了台積電，還有一幫小弟，如台灣聯華電子、力晶半導體等等，這些企業占據全球晶片製造市場八成以上份額，連美國韓國都得靠邊站。

大陸最大的晶圓廠是中芯國際，還有上海華力微電子也還不錯，但技術和規模與台灣還相差甚遠。

接下來我們說一說晶圓片（畫板）製作流程：

晶圓片製作基礎材料是矽，來源其實很豐富，就是我們生活中隨處可見的沙子，沙子的主要成分是二氧化矽。

首先要把二氧化矽提純成高濃度的矽。

把沙子倒入溫度2000度的熔爐，再加入碳，化學反應後，進行蒸餾，矽氣體矽遇冷凝固結晶，變成晶體矽，切成片後，就是「圓晶片」。

為什麼要用矽？

因為矽是一種半導體，我們順便來說一說什麼是半導體？

我們都知道，像銅、銅鐵等金屬都有由銅原子、鐵原子組成，可以作為電線，通電時，原子的電子能從負極往正極流動，產生電流，這種材料就稱為導體。

而塑料、木頭，因為他們電子之間得軌道差距太大，通電後，電子不能跨軌道跑，所以不能導電，這類材料就稱為絕緣體。

而矽的矽元素的電子，電子軌道之間的距離，不大不小，平時通電時是絕緣體，但電壓加大或者受到加熱時，電子就可以跑動起來，於是便可以導電了，這種材料就叫做半導體。

用半導體材做晶片料有一個重要的特性：

如果在純凈的半導體物質中適當地摻入特定的微量雜質，其導電能力將會成百萬倍地增加，這就是優於鐵、塑料的地方。

我們利用這一特性可製造各種不同用途的半導體器件，如半導體二極體。

同時，難點也來了，那就是對矽晶體純度要求一定要高，因為雜質會影響電子跑動。

像太陽能級高純矽要求99.9999%，我國已經完全能自主生產，全世界超過一半太陽能矽材料都是中國大陸生產的，但手機晶片級高純矽要求高達99.999999999%，幾乎全依賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現量產，目前年產0.5萬噸，遠遠不能滿足中國一年進口15萬噸的需要。

台積電提煉矽的工藝水平全球領先，所以製造晶圓片的純度極高，華為手機的麒麟晶片、高通驍龍晶片的圓晶片等都是請台積電代工。

接下來進入第二步，就是設計了。

一般的晶圓片直徑大小約15厘米，要在上面裝幾千個集成電路，用一般的方法肯定行不通。

我們看看設計公司是怎麼做的：

首先晶圓片上塗感光材料，然後再用光刻機（關鍵機器），射出幾納米大小的光線，大概是頭髮絲的萬分之一大小，在感光材料上刻出精準圖案，這種感光材料遇到光線立即腐蝕掉了，剩下的就是密密麻麻的格子，感光材料作用相當於隔離板。

然後再一邊加磷和一邊加硼兩元素，也就是特定的雜質，做成PS結，調整導電性能，最後切割、封存後，就做成很多了晶片。

每個晶片放大來看，就是無數個集成電路。

整個過程非常複雜，有幾千到工序，但是有幾個關鍵點：

1、裝同樣多的集成電路，晶片面積越小，切割成的晶片就越多。

如30厘米直徑的晶圓片，32nm（電晶體之間的距離）工藝可以做出50塊晶片，16nm工藝就可以做出100塊晶片。

所以，誰能在把晶片做小，誰就成大幅降低成本，最後的結果是，電晶體之間的距離越來越小，需要的技術越來越複雜。

目前最先進的工藝是台積電的7nm，首批客戶就是華為的麒麟980晶片，三星的晶片廠10nm、英特爾的10nm工藝還處於研發中。

2、關鍵設備光刻機有錢也買不到。

能用錢解決的問題都不叫問題

前面提到，光刻機是在晶片上畫電路的，射出的極紫外光相當於就是幾納米大小的畫筆。

光刻機被譽為集成電路產業皇冠上的明珠，研發的技術和資金門檻都非常高。

所以這裡不得不提荷蘭的阿斯麥公司（ASML），ASML壟斷了全球光刻機80%的市場份額，目前能生產最先進的7nm、14nm光刻機，它由全球3萬多個零件組成，大約1億美元一台，而且僅僅只有荷蘭的ASML能生產。

ASML 在2017年只生產了12台，2018年預計能產24台，這些都已經被台積電、三星、英特爾搶完了。

為什麼我們搶不到這種光刻機？看看這家公司的股東就知道了。

ASML是上世紀八十年代從飛利浦獨立出來的公司，英特爾有阿斯麥15%的股份，台積電有5%，三星有3%，已經是三足鼎立之勢。

除此之外，美國整了個《瓦森納協定》，敏感技術不能賣，中國、朝鮮、利比亞都是被限制的國家。

3、晶片設計實驗成本高。

手機晶片業有」兩十定律「，即一年十億，十年生效。

投資金額大，周期長。

一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車。

數以萬計的電子在晶片上跑，如果有一個PN結出問題，同樣會堵車。

所以良品率的改良很難依靠某個天才的發明來解決，只有靠無數次實驗才能設計出精巧的路線，在這個過程中會浪費巨大的圓晶片。

小米公司，以前經常嘲笑華為不會做晶片，等自己投資數億資金研發澎湃晶片1代後，毫無下文，後來再也不啃聲了。

設計、製造晶片一般的私企很難做到，這需要政府在政策和資金上的強力支持，才能做強做大。

他山之石，可以攻玉

看看美國、日本、韓國的半導體企業崛起之路就知道了。

美國依靠軍用轉民用的道路建立先發優勢，日本政府曾經靠「官產學」三位一體的集團軍作戰方式，不僅強勢要求德州儀器在日本公開所有技術專利，而且要求本國半導體企業無償互相分享研發成果，強力支持日本晶片公司長達二十年，才縮短與美國的差距，而韓國則是憑藉國家的投入和三星財閥獨特的集權式管理才殺出一條血路。

中國的半導體晶片企業已經取得長足的進步，但是與已開發國家的差距還很大，這個任務重道而深遠。

手機晶片工藝水平的提高，要建立在無數個失敗的生產批次之上，這需要前期大量資金的投入，著眼於長遠和大局才能成功。