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        正在阅读有钱就够了解密芯片背后的超长产业链有钱就够了解密芯片背后的超长产业链

        2019-02-25 17:39 出处其他 作者佚名 责任编辑zhangcha1

        芯片不是光靠投入大量时间和金钱就能制造得出来的制造芯片涉及的核心材料技术说一句“外国仍把中国摁在地上”一点都不过分

        在中国和“外国”这两国的较量中究竟哪一国更占上风?有说中国吊打外国有说外国轻松把中国摁在地上摩擦双方都?#33455;?#20102;林林总总的例子整得我们吃瓜群众一脸懵逼

        中间派肯定说两国各有利弊但这结论虽然正确却没啥营养想要在这个话题上显得有见识得先搞明白啥是技术?

        01. 核心技术到底是个啥?

        把技术分分类第一类?#20204;?#21483;“可山寨技术”或者叫“?#21487;?#38065;技术”有人?#19981;?#24448;左边烧有人?#19981;?#24448;右边烧于是就烧出了不同的应用技术

        这本质上是用旧技术整合出新玩意儿比如美帝登月的?#21015;?#20116;号中国的跨海大桥小胡子的鼠式坦克甚至包括长城和埃及金字塔

        打个比方这有点像吉尼斯纪录最长的头发最长的指甲等等……这类东西只要钱到位搁谁都烧的出关键看有没有需求所以这些?#37096;?#20197;叫应用技术

         

        比如上图这种架桥机几个工业大国都能搞但搞出来只能当玩具只有中国搞出来才赚钱

        我国在经济发展起来之后迸发出海量需求推动各种烧钱的应用技术井喷赚了钱又可以孜孜不倦地完善各种细节于是可以不吹牛的说中国的应用技术已经和整个外国平起平坐

        第二类技术暂且叫“不可山寨技术”或者叫“烧钱烧时间技术”任何牛逼设备你拼命往细拆最终发现都是材料技术

        做材料和做菜差不多番茄?#21561;?#30340;成分可以告诉你但你做的菜就是没我做的好吃这就是核心技术

        除了生物医学之外核心技术说到底就是材料技术看一串例子

        发动机工业皇冠上的明珠是我国最遭人诟病的短板其核心技术说白了就是?#26032;?#21494;片不够结实油门?#32676;?#20102;就得散架无论是航天发动机航空发动机?#35745;只?#21482;要带个“机”字我们腰杆都有点软

        材料技术除了烧钱烧时间有时还要点运气还是以发动机为例金属铼这玩意儿和镍混一混做出的?#26032;?#21494;片吊炸天铼的全球探明储量大约2500吨主要分布在欧美70%用来做发动机?#26032;?#21494;片这种战略物资妥妥被美帝禁运

        前几年在陕西发现一个储量176吨的铼矿可把国人乐的马上拼了老命烧钱这几年苦逼生活才有了起色

         

        稀土?#26469;?#20307;就是用稀土做的磁铁能一直保持磁性用处大大的高品位稀?#37327;?#22823;多分布在中国所以和“磁”相关的技术我们比美帝还能嘚瑟比如核聚变太空暗物质探测等

        据说我国前几年也对美帝禁运逼得美帝拿铼交换外加陕西?#19981;?#21032;出来的那点铼J20的发动机才算有些眉目

         

        作为“工业之母”的高端机床我们基本和男国足一个水平只能仰望日本德国瑞士

        材料是最大的限制之一比如高速加工时主轴和轴?#24515;?#25830;产生?#32570;?#24418;导?#36718;?#36724;抬升和倾?#20445;?#36824;有刀具磨损等等所以对加工精度要求极高的活国人还是望“洋”兴叹

         

        光学晶体我国的部分产品还能对美帝实施禁运所以和光相关的技术都不弱比如激光武器量子通信气动外形得益于钱学森那辈人的积淀与之相关的技术也是杠杠的

         

        如果我们继续罗列就会发现应用宽泛的基础性材料中国还是落后外国应用相对较窄的细分领域中国逐渐领跑

        下面重点来了!

        这?#27490;?#38190;核心材料全球总共约130种也就是说只要你有了这130种材料就可以组装出世界上已有的任何设备进而生产出已有的任何东西

        人类的核心科技某种程度上说指的就是这130种材料其中32%国内完全空白52%?#35272;到?#21475;在高端机?#30149;?#28779;箭大飞机发动机等尖端领域比例更悬殊零件虽然实现了国产但生产零件的设备95%?#35272;到?#21475;

        这些可不是?#36718;?#40635;烂谷子的事情而是工信部2018年7月发布的数据还新?#39318;?#21602;

        核心材料技术说一句“外国仍把中国摁在地上”一点都不过分这其实很容易理解毕竟发家时间不长而材料技术不但要烧钱更要烧时间

        这里得强调一下应用技术并不比核心技术次要它需要资金需求和社会实?#26159;?#20917;的结合虽然外国有能力烧但也许一辈子都没机会烧

        这儿肯定有人抬杠了人家只是不愿意烧不然分分?#29992;?#26432;你!呵呵如果强行烧钱后果参照老毛子

        磨叽半天该回正题了半导体芯片之所?#38405;ѣ?#26159;因为它不但涉及海量烧钱的应用技术还有众多烧钱烧时间的材料技术

        为了便于大?#20381;?#35299;这话得从原理说起

        02. 芯片原理和量子力学

        很多人觉得量子力学只是一个数学游戏没有应用价值呵呵下面咱给计算机芯片寻个祖宗请看示范

        导体咱能理解绝缘体咱也能理解我们第一次被物理整懵的怕是半导体了所以先替各位的物理老师把这债还上

        原子组成固体时会有很多相同的电子混到一起但量子力学认为2个相同电?#29992;?#27861;待在一个轨道上

        于是为了让这些电子不在一个轨道上打架很多轨道就分裂成了好几个轨道这么多轨道挤在一起不小心挨得近了就变成了宽宽的大轨道这种由很多细轨道挤在一起变成的宽轨道就叫能带

        有些宽轨道挤满了电子电子就没法移动有些宽轨道空旷的很电子就可自由移动电子能移动宏观上表现为导电反过来电子动不了就不能导电

        好了我们把事情说得简单一点不提“价带满带禁带导带”的概念准备圈重点!

        有些满轨道和?#23637;?#36947;挨的太近电子可以毫不费力从满轨道跑到?#23637;?#36947;上于是就能自由移动这就是导体一价金属的导电原理稍有不同

        但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的电子单靠?#32422;?#26159;跨不过去的也就不导电了

        但如果空隙的宽?#20173;?ev之内给电子加个额外能量也能跨到?#23637;?#36947;上跨过去就能自由移动也就是导电

        这种空隙宽度不超过5ev的固体有时能导电有时不能导电所以叫半导体

        如果空隙超过5ev那基本就得歇菜正常情况下电子是跨不过去的这就是绝缘体当然如果是能量足够大的话别说5ev的空隙50ev都照样跑过去比如高压电击穿空气

        如果你想进行1+1的加法运算其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了即便本僧亲自出手设计电路的运算能力也抵不过一副算盘

        直到有一天有人用18000只电子管6000个开关7000只电阻10000只电容50万条线组成了一个超级复杂的电路诞生了人类第一台计算机重达30吨运算能力5000次/秒还不及现在手持计算器的十分之一

        不知道当时的工程师为了安装这堆电路脑子抽筋了多少回

         

        接下来的思路就简单了如何把这30吨东西集成到指甲那么大的地方上呢?这就是芯片

        03. 芯片制造与中国技术

        为了把30吨的运算电路缩小工程师们把多余的东西全扔了直接在硅片上制作PN结和电路下面从硅片出发说说芯片的制作过程和中国所处的水平

        第一硅

         

        把这玩意儿?#28982;?#20102;再蒸馏可以得到纯?#32676;?#39640;的硅切成片就是我们想要的硅片硅的评判指标就是纯度你想想如果硅里有一堆杂质那电子就别想在满轨道和?#23637;?#36947;之间跑顺畅

        太阳能级高纯硅要求99.9999%这玩意儿全世界超过一半是中国产的早被玩成了白菜价

        芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了11个9)几乎全?#21040;?#21475;直到2018年江苏的?#20301;?#20844;司才实现量产目前年产0.5万吨而中国一年进口15万吨

        难得的是?#20301;?#30340;高纯硅出口到了半导体强国韩国?#20998;?#24212;?#27809;?#19981;错不过30%的制造设备还得进口……

        高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资)中国任重而道远

        第二晶圆

        硅提纯时需要旋转成品就长这样

         

        所以切片后的硅片也是圆的因此就叫“晶圆”这词是不是已经有点耳熟了?

         

        切好之后就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的干这活的就叫“晶圆厂”各位拍脑袋想想以目前人类的技术怎样才能完成这种操作?

        用原子操纵术?想多了朋友!等你练成御剑飞行的时候人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件晶圆加工的过程有点繁琐

        首?#20173;?#26230;圆上涂一层感光材料这材料见光就融化那光从哪里来?光刻机可以用非常精准的光线在感光材料上刻出?#21450;福?#35753;底下的晶圆?#25077;?#20986;来

        然后用等离子体这类东西冲刷?#25077;?#30340;晶圆就会被刻出很多沟槽这套设备就叫刻蚀机在沟槽里掺入?#33258;?#32032;就得到了一堆N型半导体

        完成之后清洗干净重新涂上感光材料用光刻机刻图用刻蚀机?#22374;?#27133;再撒上硼就有了P型半导体

        实际过程更加繁琐大致原理就是这么回事有点像3D打印把导线和其他器件一点点一层层装进去

         

        这块晶圆上的小方块就是芯片芯片放大了看就是?#21861;ѳ啥?#30340;电路这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明最底层都是简单的门电路

        只是采用了更多的器件组成了更庞大的电路运算性能自然就提高了

        据说这就是一个与非门电路

         

        提个问题?#20309;?#21861;不把芯片做的更大一点呢?这样不就可以安装更多电路了吗?性能不就赶上外国了嘛?

        这个问题很有意思答案出奇简单钱!

        一块300mm?#26412;?#30340;晶圆16nm工艺可以做出100块芯片10nm工艺可以做出210块芯片于是价格就便宜了一半在市场上就能死死摁住竞争对手赚了钱又可以做更多研发差距就这么拉开了

        说个题外话中国军用芯片基本实现了?#24895;?#33258;足因为咱不?#24179;?#38065;嘛!可以把芯片做的大大的

        另外越大的硅片遇到杂质的?#24597;?#36234;大所以芯片越大?#35745;?#29575;越低总的来说大芯片的成本?#23545;?#39640;于小芯片不过对军方来说这都不叫事儿

         

        可别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈

        第三设计与制造

        用数以亿计的器件组成如此庞大的电路想想就头皮发麻所以芯片的设计异常重要重要到了和材料技术相提并论的地步

        一个路口红绿灯设置不合理就可能导致大片堵车电子在芯片上跑来跑去稍微有个PN结出问题电子同样会堵车

        这种精巧的线路设计只有一种办法可以检验那就是用!大量大量的用!

        现在知道芯片成本的重要性了吧因为你不会多花钱去买一台性能相同的电脑而芯片企业没了市场份额很容易陷入恶性循环

        正因为如此芯片设计不光要烧钱也需要时间沉淀属于“烧钱烧时间”的核心技术

        既然是核心技术自然就会发展出独立的公司所以芯片公司有三类设计制造都做只做设计只做制造

        半导体是台湾少有的仍领先大陆的技术了基于两岸实质上的分治状态所以中国大陆和台湾暂且分开表述

        早期的设计制造都是一块儿做的最有名的美国英特尔韩国三星日本东芝意大利法国的意法半导体;中国大陆的华润微电子士兰微;中国台湾的?#21644;?#23439;电子等

        外国台湾大陆三方最落后的就是大?#21073;?#20135;品多集中在?#19994;?#36965;控器之类的?#25237;?#39046;域?#21482;?/a>电脑这些高端芯片几乎空白!

         

        后来随着芯片越来越复杂设计与制造就分开了有些公司只设计成了纯粹的芯片设计公司如美国的高通博通AMD中国台湾的联发科大陆的华为海思展讯等

        挨个点评几句

        大名鼎鼎的高通就不多说了世界上一半?#21482;?#35013;的是高通芯片;

        博通是?#36824;只?#30340;芯片供应商?#21482;?#33455;片排第二毫无悬念;

        AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了

        台湾联发科走的中?#25237;?#36335;线?#21482;?#33455;片的市场份额排第三很多国产?#21482;?#37117;用比如小?#20303;OPPO魅族不过最近被高通干的有点?#36965;?#38144;量连连下跌

        华为海思是最争气的大家肯定看过很多故事了不展开除了通信芯片海思也做?#21482;?#29992;的麒麟芯片市场份额随着华为?#21482;?#30340;增长排进了前五个人切身体会海思芯片的进步真的相当不错

        展讯是清华大学的校办企业比较早的大陆芯片企业毕竟不能被人剃光头吧硬着头皮上走的是?#25237;?#36335;线前段时间传出了不少危机后来又说是变革的开始过的很不容易和世界巨头相差甚多

        大陆还有一批芯片设计企业晨星半导体联咏科技瑞昱半导体等都是台湾老大哥的子公司产品应用于电?#21360;?#20415;携式电子产品等领域还挺滋润

         

        还有一类只制造不设计的晶圆代工厂这必须得先说台湾的台积电正是台积电的出现才把芯片的设计和制造分开了

        2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%规模和技术均列全球第一市值甚至超过了英特尔成为全球第一半导体企业

        晶圆代工厂又是台湾的天下除了台积电这个巨无霸台湾还有联华电子力晶半导体等等连美国韩国都得靠边站

        大陆最大的代工厂是中芯国际还有上海华力微电子?#19981;?#19981;错但技术和规模都远不及台湾

        不过受制于台湾诡谲的社会现状台积电开始布局大?#21073;?#33853;户南京这几年台资外企疯狂在大陆建晶圆代工厂这架势和当年合资汽车有的一拼

         

        大陆的中芯国际具备28nm工艺14nm的生产线也在路上?#19978;?#36824;没盈利大?#19968;?#26159;愿意把这活交给台积电台积电几乎拿下了全球70%的28nm以下代工业务

        美国韩国台湾已具备10nm的加工能力最近几个月台积电刚刚上线了7nm工艺?#20219;?#21387;过三星首批客户就是华为的麒麟980芯片

        这俩哥们儿早就是老搭档了华为设计芯片台积电加工芯片

        说真的如果大陆能整合台湾的半导体产业并利用灵活的政策和庞大的市场促进其进一步升级我们追赶美帝的步伐至少轻松一半

         

        第?#27169;?#26680;心设备

        芯片?#35745;?#29575;取决于晶圆厂整体水平但加工精度完全取决于核心设备就是前面提到的“光刻机”

        光刻机荷?#21450;?#26031;麦公司(ASML)横扫天下!不好意思产量还不高你们慢慢等着吧!

        无论是台积电三星还是英特尔谁先买到阿斯麦的光刻机谁就能率先具备7nm工艺没办法就是这么强大!

         

        日本的尼康和佳能也做光刻机但技术远不如阿斯麦这几年?#35805;?#26031;麦打得找不到?#20445;?#21482;能在?#25237;?#24066;场抢份额

        阿斯麦是唯一的高端光刻机生产商每台售价至少1亿美金2017年只生产了12台2018年预计能产24台这些都已经被台积电三星英特尔抢完了

        2019年预测有40台其中一台是给咱们的中芯国际(注因代工厂发生事故中芯国际的这台也延迟出货)

        既然这么重要咱不能多出点钱吗?

        第一英特尔有阿斯麦15%的股份台积电有5%三星有3%有些时候吧钱不是万能的

        第二美帝整了个瓦森纳协定敏感技术不能卖

        有意思的是2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功(核心部件进口)2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国

        后来中国开始攻关65nm光刻机2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国再后来美帝开始管不住小弟了中芯国际才有机会去捡漏一台高端机

        不过咱也不用气馁咱随便一家房地产公司销售额轻松秒杀阿斯麦哦耶!

         

        重要性仅次于光刻机的刻蚀机中国的?#32431;?#35201;好很多16nm刻蚀机已经量产运行7-10nm刻蚀机也在路上了所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁

        在晶圆上注入硼磷?#20173;?#32032;要用到“离子注入机”2017年8月终于有了第一台国产商用机水平先不提了离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的

        涂感光材料得用“涂胶显影机”日本东京电子公司拿走了90%的市场份额即便是光?#25506;?#36825;些辅助材料也几乎被日本信越美国陶氏等垄?#31232;?/p>

         

        2015年至2020年国内半导体产业计划投资650亿美元其中设备投资500亿美元再其中480亿美元用于购买进口设备

        算下来这几年中国年均投入130亿而英特尔一家公司的研发投入就超过130亿美元

        论半导体设备中国任无比重道无?#20173;?#21834;!

        第五封测

        芯片做好后得从晶圆上切下来接上导线装上外壳顺便还得测试这就叫封测

        封测又又又是台湾的天下排名世界第一的日月光后面还跟着一堆实力不俗的小弟?#20309;?#21697;力成南茂欣邦京元电子

        大陆的三大封测巨头长电科技华天科技通富微电混的都还不错毕竟只是芯片产业的末端技术含量不高

        (按最新的消息紫光29.18亿台币入股第一封装大厂日月光占股30%)

        04. 说说我们的中国芯

        说起中国芯片不得不提“汉芯?#24405;?rdquo;2003年上海交通大学微电子学院院长陈进教授?#29992;?#22269;买回芯片磨掉原有标记作为自主研发成果骗取无数资金和荣誉消耗大量社会资源影响之恶劣可谓空前!以致于很长一段时间科研圈谈芯色变?#29616;?#24178;扰了芯片行业的正常发展

         

        硅原料芯片设计晶圆加工封测以及相关的半导体设备绝大部分领域中国还是处于“任重而道远”的状态

        那这种懵逼状态还得?#20013;?#22810;久呢?根据“烧钱烧时间”理论掐指算算大约是2030年吧!

        国务院印发的?#37117;?#25104;电路产业发展纲要明确提出2030年集成电路产业链主要?#26041;?#36798;到国际先进水平一批企业进入国际第一梯队产业实现跨越式发展

        当?#22467;?#20013;国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零突破的阶段虽然市场份额微乎其微但每个领域都参了一?#29275;?#21069;景还是可期待的

         

        05. 芯片的极限在哪里

        文末习惯性抱怨一下人类科技的?#23383;?/p>

        芯片作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准其基础的能带理论竟然只是个近似理论电子的行为仍然没法精确计算

        再往大了说别看现在的技术?#36861;备?#26434;其实就是玩玩电子而已至于其他几百?#33267;?#23376;还完全不知道怎么玩!

        芯片加工精度已经到了7nm虽然三星吹牛说要烧到3nm可那又如何?

        你还能继续?#31456;?1nm差不多就是几个原子而已量?#26377;?#24212;非常显著近似理论就不好使了电子的行为更加难以预测半导体行业就得在这儿歇菜

        烧钱也好烧时间也罢烧到尽头就是理论物理基础科学除了烧钱烧时间还得烧人烧的异常惨?#36965;?00个高智商99个都是垫脚石!

        工程师可以半道出家但物理学家必须科班出身基础科学在中国被忽视了五千多年如今每年填报热?#28982;?#19981;如耍戏的

        不能光折腾电子了为了把中微子也用起来咱赶紧忽悠哎不对是呼吁更多孩子学基础科学吧!

        来源51CTO

         
        在虚拟的互联网上 你能猜出哪张是真人照片吗 每天还在悠哉的上网其实网络黑产就在你身边 作为第五代移动通信网络 5G电?#38712;?#26159;怎样的体验 一盆冷水真激人 中国3D打印能制霸全球航空 想要回忆不一样的春节使用佳能瞬彩就对了

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