芯片，以儲量最豐富成本最廉價的二氧化硅為原料，成就了這個星球的科技之巔，頒一枚最佳逆襲獎，實至名歸！

芯片原理和量子力學

很多文盲覺得量子力學只是物理學家的數學遊戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，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，不小心捱得近了，就變成了寬寬的大軌道。在量子力學裡，這種細軌道叫能級，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。不過一價金屬的導電原理稍有不同，它的滿軌道原本就不太滿，所以電子不用跑到空軌道也能移動。

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，表現為不導電。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，表現為導電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時導電、有時不導電，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。

這裡有個問題，一旦細軌道變少了，能不能擠成寬軌道就不好說了，所以能帶理論本質上是一個近似理論，不適用於少量原子組成的固體。

半導體離芯片原理還很遙遠，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，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，如芯片、雷達。

下面有點燒腦細胞。

基於一些簡單的原因，科學家用硅作為半導體的基礎材料。硅的外層有4個電子，假設某個固體由100個硅原子組成，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個硅原子，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個硅原子，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結具有單向導電性。

好了，我們現在已經有了單向導電的PN結，然後呢？把PN結兩端接上導線，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管的另一頭，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，離芯片就不遠了。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。

一不小心，我們就得到了芯片運算的本質：把一串1,0，變成另一串1,0。

簡單舉個例子，在左邊輸入1010，在右邊輸出0101，這就算完成了一次運算。

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，7個發光管組成一個數字顯示器。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，有電壓就可以點亮對應的發光管，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，設計的電路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，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個超級複雜的電路，誕生了人類第一臺計算機，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？這就是芯片。

芯片製造與中國技術

為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把能扔東西全扔了，直接在硅片上製作PN結和電路。下面從硅片出發，說說芯片的逆襲之路。

第一：硅

把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，就叫多晶硅吧，這種硅原子排列混亂，會影響電子運動，所以還得拉制成原子排列整齊的單晶硅，最後切成片就是我們想要的硅片。

硅的主要評判指標是純度，你想想，如果硅原子之間有一堆雜質，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

無論啥東西，純度越高製造難度越大。用於太陽能發電的高純硅要求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。芯片用的電子級高純硅要求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，只是目前產量少的可憐，還不及進口的一個零頭。難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導體強國韓國，品質應該不錯。不過，30%的製造設備還得進口……

電子級高純硅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

硅提純時需要旋轉，成品就長這樣。把這圓柱切片後得到的硅片也是圓的，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。

晶圓加工的過程相當繁瑣，咱說個大概輪廓，謝絕專業人士挑刺。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，可以用非常精細的光線，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衝刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，這套設備就叫刻蝕機。再用離子注入機在溝槽裡摻入磷元素，加熱退火處理，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，用離子注入機撒上硼，就有了P型半導體。

整個過程有點像3D打印，把器件一點點一層層裝進去。

這塊晶圓上的小方塊就是芯片，一塊晶圓可以做多個芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路並不比那臺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，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，中國軍用芯片基本實現了自給自足，因為軍用不計較錢嘛！可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到雜質的概率越大，所以芯片越大良品率越低。總的來說，大芯片的成本遠遠高於小芯片，不過對軍方來說，這都不叫事兒。

其實除了成本之外，大芯片的佈線比小芯片更長，所以延時也更明顯，驅動電流也大很多，由此導致整體設計更臃腫，性能上還是會吃虧。反正，小芯片就是比大芯片好用。

別把“龍芯”和“漢芯”混為一談

第三：架構

用70億個晶體管在指甲蓋大小的地方組成電路，想想就頭皮發麻！一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結出問題，電子同樣會堵車。所以芯片的設計異常重要，重要到了和材料技術相提並論的地步。

這麼複雜的設計，必須得先有個章法。七十年代，英特爾率先想出了一個好辦法：X86架構。詳細內容不提了，簡單來說，這架構雖然能耗高點、體積大點，但性能那是嗖嗖的，幾乎壟斷了電腦芯片市場，成就瞭如日中天的英特爾。

這相當於，英特爾提出造汽車用4個輪子，以後其他人想造4個輪子的汽車，就得先付授權費。這尼瑪怎麼忍，隨後英國ARM公司提出了2個輪子的汽車方案：ARM架構。

毫無疑問，2個輪子肯定跑不過4個輪子，ARM架構雖然省電小巧，但性能實在有點寒磣，於是一直被英特爾摁著打。ARM熬到了九十年代，終於熬不住了，決定不再生產芯片，而是將ARM架構授權給其他公司生產，賺點授權費，這才保住了一條命。

人算不如天算，進入21世紀，智能手機橫空出世，芯片的能耗和體積一下成了關注點，於是ARM架構一飛中天，幾乎壟斷了手機芯片。

小結一下：

X86架構，能耗高、體積大、性能強。

ARM架構，能耗低、體積小、性能弱。

於是，一個佔了電腦，一個佔了手機，直到今天，仍是主流設計方案。至於其他3個輪子或5個輪子的汽車，多多少少還是有些劣勢，沒有形成主流。

決定汽車用幾個輪子，距離造出汽車還差得很遠。有了基本架構，後面的設計依然是漫漫長征路，所以還得要有好工具，簡稱EDA軟件。

Synopsys，Cadence，Mentor，三巨頭幾乎壟斷了全球EDA市場，一水兒的美帝公司。直到最近，熬了三十年的華大九天終於露頭了，這家中國電子信息產業集團的二級公司，連續多年以50%的年增長率狂追，算是站穩了腳跟。

業界首創模擬電路異構仿真系統Empyrean ALPS-GT

雖然藉助EDA軟件的仿真功能可以判斷電路設計是否靠譜，但要真正驗證這種精巧線路的靠譜程度，只有一種辦法，那就是：用！廣泛的用！長久的用！正因為如此，芯片設計不光要燒錢，也需要燒時間，屬於試錯週期較長的核心技術。

既然是核心技術，自然就會發展出獨立的公司，所以芯片公司有三類：既設計又製造、只設計不製造、只製造不設計。

第四：設計製造

但凡要處理信息，基本都有芯片，包括通信芯片、服務器芯片、手機芯片、電腦芯片等等。早期的芯片複雜程度不算誇張，所以設計製造可以在同一家公司完成，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，最落後的就是大陸，早期的產品多集中在家電遙控器之類的低端領域，手機、電腦這些高端芯片幾乎空白！

後來隨著芯片越來越複雜，設計與製造就分開了，有些公司只設計，成了純粹的芯片設計公司。如，美國的高通、博通、AMD，中國臺灣的聯發科，大陸的華為海思、展訊等。

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，AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。電腦和手機是芯片市場的兩塊大蛋糕，全是美國公司，世界霸主真不是吹的。

臺灣聯發科走的中低端路線，手機芯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，手機處理器芯片麒麟，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不錯。最近華為又推出了服務器芯片鯤鵬920，5G基站芯片天罡，5G基帶芯片巴龍5000，性能都是世界頂級的，隱隱看到了在芯片設計領域崛起的勢頭。

展訊是清華大學的校辦企業，比較早的大陸芯片企業，畢竟不能被人剃光頭吧，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。

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

在大陸的芯片設計公司，臺灣頂住了小半邊天，另大半邊天原本是塌著的，現在華為算是撐住了。

還有一類只製造、不設計的晶圓代工廠，這必須得先說臺灣最大的企業：臺積電。正是臺積電的出現，才把芯片的設計和製造分開了。2017年臺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。

晶圓代工廠又是臺灣老大哥的天下，除了臺積電這個巨無霸，臺灣還有聯華電子、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臺灣。不過受制於臺灣詭譎的社會現狀，臺積電開始佈局大陸，落戶南京。這幾年臺資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢和當年合資汽車有的一拼。

大陸中芯國際的14nm生產線剛剛上路，可惜還沒盈利。大家還是願意把這活交給臺積電，臺積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業務。

美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力，最近臺積電剛剛上線了7nm工藝，穩穩壓過三星，首批客戶就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設計芯片，臺積電製造芯片。

說真的，如果大陸能整合臺灣的半導體產業，並利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，中國追趕外國的步伐至少輕鬆一半。現在嘛，中國任重而道遠吶！

第五：核心設備

芯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。

阿斯麥是全球唯一的高端光刻機生產商，每臺售價至少1億美金，2017年只生產了12臺，2018年24臺，這些都已經被臺積電三星英特爾搶完了，2019年預測有40臺，其中一臺是給咱們的中芯國際，不過最近聽說莫名其妙被燒了，得延期交貨。

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，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臺高端機。

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！

2018年底有則消息讓人驚出一身冷汗，最早中科院只是淡淡說了句光刻項目通過驗收，然後鋪天蓋地的“中國光刻機終於翻身農奴把歌唱”，鬧到最後連人民日報都坐不住了，直接批“國產光刻機自嗨文”誤導公眾，損壞中國科研形象。引一句原文：“這臺光刻機要想應用於芯片，還要攻克一系列技術難題，距離還相當遙遠。”

相比於光刻機，中國的刻蝕機要好很多，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。

不過離子注入機又寒磣了，2017年8月終於有了第一臺國產商用機，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！

第六：封測

芯片做好後，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。

封測又又又是臺灣老大哥的天下，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，畢竟只是芯片產業的末端，技術含量不高。

小結

這全景圖大概描述了從硅片到芯片的全過程及中國的設備製造商，絕對是業內專家所做，值得一看。

中國芯

說起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學微電子學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，嚴重干擾了芯片行業的正常發展。

硅原料、芯片設計、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？有答案！

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。

從研發的過程來看，需求不缺，資金不缺，只要燒足了時間，沒理由燒不出芯片。當前，中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實現零突破的階段，雖然市場份額不多，但每個領域都參了一腳，而且勢頭不錯，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。芯片，作為大夥削尖腦袋能達到的最高科技水準，作為其根基的能帶理論竟然只是個近似理論，電子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，頂多再加個光子，至於其他幾百種粒子，還完全不知道怎麼玩！

芯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，作為基石的能帶理論就不好使了，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。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！