我們的科技的差距到底在哪 30噸的物質集成到指甲大小到底多難？

晶片原理和量子力學

很多文盲覺得量子力學只是一個數學遊戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機晶片尋個祖宗，請看示範：

導體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，小盆友們第一次被物理整懵的，怕是半導體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。

原子組成固體時，會有很多相同的電子混到一起，但量子力學認為，2個相同電子沒法待在一個軌道上，於是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這麼多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。

這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。

電子能移動，宏觀上表現為導電，反過來，電子動不了就不能導電。

好了，我們把事情說得簡單一點，不提「價帶、滿帶、禁帶、導帶」的概念，準備圈重點！

有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，於是就能自由移動，這就是導體。

一價金屬的導電原理稍有不同。

但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，也就不導電了。

但如果空隙的寬度在5ev之內，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，也就是導電。

這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時能導電有時不能導電，所以叫半導體。

如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。

當然，如果是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。

到這，由量子力學發展出的能帶理論就差不多成型了，能帶理論系統地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質區別，即，取決於滿軌道和空軌道之間的間隙，學術點說，取決於價帶和導帶之間的禁帶寬度。

半導體離晶片原理還很遙遠，別急。

很明顯，像導體這種直男沒啥可折騰的，所以導線到了今天仍然是銅線，技術上沒有任何進展，絕緣體的命運也差不多。

半導體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，所以與電子設備相關的產業基本都屬於半導體產業，如晶片、雷達。

下面有點燒腦細胞。

基於一些簡單的原因，科學家用矽作為半導體的基礎材料。

矽的外層有4個電子，假設某個固體由100個矽原子組成，那麼它的滿軌道就擠滿了400個電子。

這時，用10個硼原子取代其中10個矽原子，而硼這類三價元素外層只有3個電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。

這就相當於在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子，為電子的移動提供了條件。

這叫P型半導體。

同理，如果用10個磷原子取代10個矽原子，磷這類五價元素外層有5個電子，因此滿軌道上反而又多出了10個電子。

相當於擠滿人的公交車外面又掛了10個人，這些人非常容易脫離公交車，這叫N型半導體。

現在把PN這兩種半導體面對面放一起會咋樣？不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場平衡為止，這就是大名鼎鼎的「PN結」。

(動圖來自《科學網》張雲的博文)

這時候再加個正向的電壓，N型半導體那些額外的電子就會源源不斷跑到P型半導體的空位上，電子的移動就是電流，這時的PN結就是導電的。

如果加個反向的電壓呢？從P型半導體那裡再抽電子到N型半導體，而N型早已掛滿了額外的電子，多出來的電子不斷增強電場，直至抵消外加的電壓，電子就不再繼續移動，此時PN結就是不導電的。

當然，實際上還是會有微弱的電子移動，但和正向電流相比可忽略不計。

如果你已經被整暈了，沒關係，用大白話總結一下：PN結具有單嚮導電性。

好了，我們現在已經有了單嚮導電的PN結，然後呢？把PN結兩端接上導線，就是二極體：

有了二極體，隨手搭個電路：

三角形代表二極體，箭頭方向表示電流可通過的方向，AB是輸入端，F是輸出端。

如果A不加電壓，電流就會順著A那條線流出，F端就沒了電壓；如果AB同時加電壓，電流就會被堵在二極體的另一頭，F端也就有了電壓。

假設把有電壓看作1，沒電壓看作0，那麼只有從AB端同時輸入1，F端才會輸出1，這就是「與門電路」。

同理，把電路改成這樣，那麼只要AB有一個輸入1，F端就會輸出1，這叫「或門電路」：

現在有了這些基本的邏輯門電路，離晶片就不遠了。

你可以設計出一種電路，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，相當於輸出0101，經過特定的電路，輸出端可以變成1010，即第一個和第三個輸出端有電壓。

我們來玩個稍微複雜一點的局：

左邊有8個輸入端，右邊有7個輸出端，每個輸出端對應一個發光管。

從左邊輸入一串信號：00000101，經過中間一堆的電路，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的發光管，即7個發光管點亮了5個，於是，就得到了一個數字「5」，如上圖所示。

終於，我們已經搞定了數字是如何顯示的！如果你想進行1+1的加法運算，其電路的複雜程度就已經超過了99%的人的智商了，即便本僧親自出手，設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隻電子管，6000個開關，7000隻電阻，10000隻電容，50萬條線組成了一個超級複雜的電路，誕生了人類第一台計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及現在手持計算器的十分之一。

不知道當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，集成到指甲那麼大的地方上呢？這就是晶片。

晶片製造與中國技術

為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多餘的東西全扔了，直接在矽片上製作PN結和電路。

下面從矽片出發，說說晶片的製作過程和中國所處的水平。

第一：矽

把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的矽，切成片就是我們想要的矽片。

矽的評判指標就是純度，你想想，如果矽里有一堆雜質，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

太陽能級高純矽要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產的，早被玩成了白菜價。

晶片用的電子級高純矽要求99.999999999%(別數了，11個9)，幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現量產，目前年產0.5萬噸，而中國一年進口15萬噸。

難得的是，鑫華的高純矽出口到了半導體強國韓國，品質應該還不錯。

不過，30%的製造設備還得進口……

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

第二：晶圓

矽提純時需要旋轉，成品就長這樣：

所以切片後的矽片也是圓的，因此就叫「晶圓」。

這詞是不是已經有點耳熟了？

切好之後，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，幹這活的就叫「晶圓廠」。

各位拍腦袋想想，以目前人類的技術，怎樣才能完成這種操作？

用原子操縱術？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。

首先在晶圓上塗一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪裡來？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。

然後，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型半導體。

完成之後，清洗乾淨，重新塗上感光材料，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導體。

實際過程更加繁瑣，大致原理就是這麼回事。

有點像3D列印，把導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晶片。

晶片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路並不比那台30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。

只是採用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。

據說這就是一個與非門電路：

提個問題：為啥不把晶片做的更大一點呢？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塊晶片，10nm工藝可以做出210塊晶片，於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，差距就這麼拉開了。

說個題外話，中國軍用晶片基本實現了自給自足，因為咱不計較錢嘛！可以把晶片做的大大的。

另外，越大的矽片遇到雜質的機率越大，所以晶片越大良品率越低。

總的來說，大晶片的成本遠遠高於小晶片，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

第三：設計與製造

用數以億計的器件組成如此龐大的電路，想想就頭皮發麻，所以晶片的設計異常重要，重要到了和材料技術相提並論的地步。

一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車。

電子在晶片上跑來跑去，稍微有個PN結出問題，電子同樣會堵車。

這種精巧的線路設計，只有一種辦法可以檢驗，那就是：用！大量大量的用！現在知道晶片成本的重要性了吧，因為你不會多花錢去買一台性能相同的電腦，而晶片企業沒了市場份額，很容易陷入惡性循環。

正因為如此，晶片設計不光要燒錢，也需要時間沉澱，屬於「燒錢燒時間」的核心技術。

既然是核心技術，自然就會發展出獨立的公司，所以晶片公司有三類：設計製造都做、只做設計、只做製造。

半導體是台灣少有的仍領先大陸的技術了，基於兩岸實質上的分治狀態，所以中國大陸和台灣暫且分開表述。

早期的設計製造都是一塊兒做的，最有名的：美國英特爾、韓國三星、日本東芝、義大利法國的意法半導體；中國大陸的：華潤微電子、士蘭微；台灣的：旺宏電子等。

外國、台灣、大陸三方，最落後的就是大陸，產品多集中在家電遙控器之類的低端領域，手機、電腦這些高端晶片幾乎空白！

後來隨著晶片越來越複雜，設計與製造就分開了，有些公司只設計，成了純粹的晶片設計公司。

如，美國的高通、博通、AMD，台灣的聯發科，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晶片；博通是蘋果手機的晶片供應商，手機晶片排第二毫無懸念；AMD和英特爾基本把電腦晶片包場了。

這些全是美國公司，世界霸主真不是吹的。

台灣聯發科走的中低端路線，手機晶片的市場份額排第三，很多國產手機都用，比如小米、OPPO、魅族。

不過最近被高通乾的有點慘，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。

除了通信晶片，海思也做手機用的麒麟晶片，市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。

個人切身體會，海思晶片的進步真的相當不錯(這一波廣告，不收華為一分錢)。

展訊是清華大學的校辦企業，比較早的大陸晶片企業，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，後來又說是變革的開始，過的很不容易，和世界巨頭相差甚多。

大陸還有一批晶片設計企業，晨星半導體、聯詠科技、瑞昱半導體等，都是台灣老大哥的子公司，產品應用於電視、可攜式電子產品等領域，還挺滋潤。

在大陸的晶片設計公司，台灣頂住了大半邊天！

還有一類只製造、不設計的晶圓代工廠，這必須得先說台灣的台積電。

正是台積電的出現，才把晶片的設計和製造分開了。

2017年台積電包下了全世界晶圓代工業務的56%，規模和技術均列全球第一，市值甚至超過了英特爾，成為全球第一半導體企業。

晶圓代工廠又是台灣老大哥的天下，除了台積電這個巨無霸，台灣還有聯華電子、力晶半導體等等，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，但技術和規模都遠不及台灣。

不過受制於台灣詭譎的社會現狀，台積電開始布局大陸，落戶南京。

這幾年台資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢和當年合資汽車有的一拼。

大陸的中芯國際具備28nm工藝，14nm的生產線也在路上，可惜還沒盈利。

大家還是願意把這活交給台積電，台積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業務。

美國、韓國、台灣已具備10nm的加工能力，最近幾個月台積電剛剛上線了7nm工藝，穩穩壓過三星，首批客戶就是華為的麒麟980晶片。

這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設計晶片，台積電加工晶片。

說真的，如果大陸能整合台灣的半導體產業，並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鬆一半。

現在嘛，大陸任重而道遠吶！

第四：核心設備

晶片良品率取決於晶圓廠整體水平，但加工精度完全取決於核心設備，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，產量還不高，你們慢慢等著吧！無論是台積電、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，就是這麼強大！

日本的尼康和佳能也做光刻機，但技術遠不如阿斯麥，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商，每台售價至少1億美金，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，2019年預測有40台，其中一台是給咱們的中芯國際。

既然這麼重要，咱不能多出點錢嗎？第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，台積電有5%，三星有3%，有些時候吧，錢不是萬能的。

第二，美帝整了個《瓦森納協定》，敏感技術不能賣，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納米光刻機研製成功(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上設備銷售給中國，後來中國開始攻關65nm光刻機，2015年美帝允許65nm以上設備銷售給中國，再後來美帝開始管不住小弟了，中芯國際才有機會去撿漏一台高端機。

不過咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產公司，銷售額輕鬆秒殺阿斯麥，哦耶！

重要性僅次於光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經量產運行，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月終於有了第一台國產商用機，水平先不提了。

離子注入機70%的市場份額是美國應用材料公司的。

塗感光材料得用「塗膠顯影機」，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，國內半導體產業計劃投資650億美元，其中設備投資500億美元，再其中480億美元用於購買進口設備。

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投入就超過130億美元。

論半導體設備，中國，任無比重、道無比遠啊！

第五：封測

晶片做好後，得從晶圓上切下來，接上導線，裝上外殼，順便還得測試，這就叫封測。

封測又又又是台灣老大哥的天下，排名世界第一的日月光，後面還跟著一堆實力不俗的小弟：矽品、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，畢竟只是晶片產業的末端，技術含量不高。

中國芯

說起中國晶片，不得不提「漢芯事件」。

2003年上海交通大學微電子學院院長陳進教授從美國買回晶片，磨掉原有標記，作為自主研發成果，騙取無數資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空前！以致於很長一段時間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了晶片行業的正常發展。

矽原料、晶片設計、晶圓加工、封測，以及相關的半導體設備，絕大部分領域中國還是處於「任重而道遠」的狀態，那這種懵逼狀態還得持續多久呢？根據「燒錢燒時間」理論，掐指算算，大約是2030年吧！國務院印發的《集成電路產業發展綱要》明確提出，2030年集成電路產業鏈主要環節達到國際先進水平，一批企業進入國際第一梯隊，產業實現跨越式發展。

當前，中國晶片的總體水平差不多處在剛剛實現零突破的階段，雖然市場份額微乎其微，但每個領域都參了一腳，前景還是可期待的。

極限

文末，習慣性抱怨一下人類科技的幼稚。

晶片，作為大夥削尖腦袋能達到的最高科技水準，其基礎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，別看現在的技術紛繁複雜，其實就是玩玩電子而已，至於其他幾百種粒子，還完全不知道怎麼玩！

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

燒錢也好，燒時間也罷，燒到盡頭就是理論物理。

基礎科學除了燒錢燒時間，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，但物理學家必須科班出身，基礎科學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，是呼籲更多孩子學基礎科學吧！