芯片|什么是芯片？
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作者：魏少军
清华大学集成电路学院教授
授权转载自公众号“格致论道讲坛”（ID：SELFtalks）
目前 ， 芯片已经成为一个非常热的话题 。 那什么是芯片呢？其实我们每天都在接触芯片 ， 大部分时间都在和芯片做交互 ， 但是我们看不见它 ， 我们看到的只是一个整机 。
例如 ， 我们很多人都在用手机 。 如果我们离开手机 ， 甚至不知道如何与别人交互 ， 也不知道怎样查信息 。 但当我们拿到手机时却看不到任何的芯片 ， 因为芯片在里面 。
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Iphone6手机部件及其电路板上的集成电路
手机里面有若干个电路板 ， 电路板上有一些小小的黑色方块 ， 我们称这些方块为集成电路 。 正是这些数量众多的集成电路 ， 赋予了手机极其复杂的功能 。
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整机机柜（左）和电路板上的集成电路（右）
我们日常生活中还会接触一些整机的机柜 。 当我们打开机柜之后 ， 可以看到里面一块块的电路板 。 电路板上这些黑色的小方块就是集成电路 。
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集成电路（左）和芯片（右）
集成电路就是我们所说的芯片的学名 。 不过 ， 集成电路和芯片还是略有一点差别 。 我们把左图中集成电路的黑色封装材料去掉之后 ， 才能看到右图中真正的芯片 。
芯片是在半导体材料上构建的一个复杂的电路系统 。 晶体管是组成芯片的基本器件 。 晶体管很小 ， 我们人类还无法用肉眼去观察它内部的工作原理 ， 只能通过外部测试来推算它是如何工作的 。
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晶体管的符号（上）和基本工作原理（下）
为了讲清晶体管的工作原理 ， 我举一个简单的例子 。 我们知道水电站都有大坝 ， 大坝上有闸门 ， 大坝里面有发电机 。 当闸门打开时 ， 水流冲下来促使发电机发电 。 通常在闸门上有一个功率较小的电动机 ， 用来控制闸门的关闭和打开 ， 从而控制大坝里面发电机的发电 。 与发电机的功率相比 ， 电动机的功率较小 ， 用小功率的电动机控制这个闸门的开关 ， 就可以让发电机发电 。 在水流最大的时候 ， 发电机的发电量最大 。 因此它就起到了放大作用 。
当闸门全部打开时 ， 发电机的发电量达到最大 ， 我们用1来表示 。 当闸门全关上 ， 没有水流时 ， 发电机不发电 ， 我们用0来表示 。 借助这样的方式 ， 我们实现了晶体管的基本原理 。
晶体管有各种各样的型号 ， 分别由不同的材料组成 ， 例如双极型的晶体管和金属氧化物半导体（MOS）的晶体管 。 上图中列出了几种晶体管的符号 ， 今后大家如果看到这些符号 ， 就可以知道这是晶体管 。
晶体管只有70多年的历史 。 在晶体管出现之前 ， 我们用的是电子管 ， 它是个真空管 。
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电子管
上图是直径为2-3厘米 ， 高度为5厘米的电子管 。 电子管的下面有一个阴极 ， 把它加热之后会向上发射电子 ， 上面有一个阳极收集电子 ， 中间的栅极负责控制电子通过量 。 栅极相当于闸门 ， 电子束相当于水流 。
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第一台电子计算机ENIAC
1946年2月 ， 在美国宾夕法尼亚大学诞生了第一台电子计算机ENIAC 。 这台计算机用了17500只电子管 ， 重量有30吨 ， 占地面积很大 ， 耗电量达174千瓦 。
【芯片|什么是芯片？】这台电子计算机可以完成每秒钟5000次的加法 ， 在当时来说速度非常快 。 但是 ， 这台电子计算机存在一个大问题：机器平均每7分钟就要烧坏一只电子管 ， 因此它的使用效率非常低 。 原因在于电子管在高温、高压、高热的情况下工作 ， 可靠性非常差 。 为了长期稳定使用计算机 ， 我们急需找到一个能够代替电子管的器件 。
1947年 ， 在美国的贝尔实验室 ， 三名科学家发明了晶体管 。 它很小 ， 像一颗黄豆那么大 ， 功耗很低 ， 也不发热 ， 使用寿命可达十几年 。
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晶体管发明人肖克利（W. Shockley）、巴丁（J. Bardeen）和布莱坦（W. Brattain）（左） ， 晶体管原型（中）以及世界上第一台晶体管计算机TRADIC（右）
1954年 ， 美国贝尔实验室利用晶体管构建了一台晶体管计算机 ， 我们称其为第二代计算机 。 这台计算机耗电只有100瓦 ， 可以完成每秒钟100万次的运算 ， 运算速度远远快于第一代计算机 。
这台晶体管计算机仍然存在一个问题：它有很多焊点 ， 在高温和机械震动很强的情况下 ， 它的可靠性依然不好 。 因此人们急需找到另外一种器件 ， 能够进一步缩小体积 ， 提高可靠性 。
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基尔比（Jack Kilby）和他发明的集成电路原型
4年后的1958年 ， 在美国德州仪器公司的年轻工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了集成电路的理论模型 。
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诺伊斯（Bob Noyce）和掩膜版曝光刻蚀方法制造的集成电路
1959年 ， 鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）创造了掩膜版曝光刻蚀方法 ， 用来生产集成电路 。
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第一台集成电路计算机IBM360
到1964年 ， IBM公司用集成电路构建了世界上第一台集成电路的计算机 ， 也称为第三代计算机 。 这个计算机有大、中、小共6个型号 ， 涵盖了科学计算和事务处理两方面的应用 ， 像一个罗盘一样能够360度全方位使用 。 因此 ， 它起名为IBM360 。 这台计算机与之前的计算机相比最大的特征 ， 就是从军用为主转向了民用为主 。
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泰德·霍夫（Ted Hoff）（左）和世界上第一款微处理器——英特尔4004（右）
1970年 ， 英特尔公司的一位年轻科学家泰德·霍夫（Ted Hoff）主持设计了世界上第一款微处理器——英特尔4004 。
关于英特尔4004 ， 还有一个小小的插曲 。 当时的微处理器并不是为了计算机 ， 而是为日本人的计算器设计的 。 英特尔公司设计好4004之后 ， 就把微处理器交给了日本公司 。 按照当时的规定 ， 出钱的公司拥有知识产权和技术 ， 因此世界上第一个微处理器的产权属于日本人 。
日本人觉得微处理器很好 ， 但是又很后悔 。 他们没有掌握升级技术 ， 每次升级都要花钱去找英特尔 。 每次还要花钱 ， 觉得很不合算 ， 于是就把微处理器还给了英特尔 。 英特尔公司非常高兴 ， 为什么呢？因为英特尔公司把微处理器交给日本人之后 ， 他们也很后悔 ， 认为这么好的东西交给日本人实在太遗憾了 ， 所以日本人把东西交回来时 ， 英特尔公司喜出望外 。
从那以后 ， 英特尔公司的主攻方向从半导体存储器转向了微处理器 ， 发展成了一家伟大的公司 。
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第一台IBM PC
又过了10多年到1981年 ， IBM公司宣布第一台IBM PC诞生 ， 它用的是英特尔的微处理器 。 我们今天使用的个人计算机（PC）包括笔记本电脑 ， 都是从IBM PC派生出来的 。 个人计算机改变了计算机的使用 ， 从IBM360那样主要面向商用 ， 变成了主要面向家庭和个人 。
现在 ， 计算机已经深入到我们生活的方方面面 ， 并且存在两个极端 。
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神威·太湖之光
一个极端是大型的超级计算机 ， 例如中国的神威·太湖之光 。 它曾经四次蝉联全球超级计算机Top500的第一名 ， 具备非常高的运算速度 ， 每秒钟可以完成12.5亿亿次运算 。
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iphone12
另一个极端是手机 ， 例如iphone12使用的A14的处理器每秒钟运算次数可达到11.8万亿次 ， 这也非常惊人 。 要知道在1969年 ， 美国航天局把宇航员送上了月球 。 当时他们所拥有的所有的计算能力都不如我们今天的一部手机 。
我们经常开玩笑 ， 美国人用那样的计算能力把宇航员送到了月球表面 ， 但是今天我们拿着手机来打游戏 ， 或者做一些看起来微不足道的工作 。 但这就是技术的进步 。
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戈登·摩尔（Gordon Moore）（左）和罗伯特·登纳德（Robert Dennard）（右）
谈到集成电路的发展时 ， 有两个人我们不得不谈 。 一个是戈登·摩尔（Gordon Moore） ， 他在1965年的一篇论文中提出了著名的摩尔定律 。 他通过观察 ， 预测到集成电路的集成度大概每过一年翻一番 ， 后来又修改为每过18-24个月翻一番 。
过了将近十年的时间 ， 人们在回顾这篇论文时 ， 惊奇地发现摩尔预测的非常准 。 于是 ， 人们产生了另外一个疑问 ， 我们应该用什么样的方法延续这样的发展速度 ， 每年都能让集成度翻番 。
1974年 ， IBM的科学家罗伯特·登纳德（Robert Dennard）在论文中写道 ， 按照他的方法 ， 就可以一直延续摩尔定律 。 他提出的正是等比例缩小的方法 ， 该方法讲的就是如何去实现摩尔定律 。 登纳德定律和摩尔定律合称为摩尔定律 。
说道摩尔定律 ， 只需要记住三件事：每代工艺与上一代相比 ， 在面积不变的情况下 ， 晶体管的数量翻一番；或者在晶体管数量不变的情况下 ， 面积可以缩小到原来的二分之一；它的速度提升40% ， 功耗下降50% 。 我们称之为PPA ， 即Performance ， Power ， Area 。 只要你知道PPA ， 就表明你是了解集成电路的 。 按照这样的发展速度 ， 每18个月它的集成度就要翻一番 。 因此它是2的N次方的发展速度 。
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单个芯片上的晶体管密度指数攀升
我们可以看到 ， 从250纳米到5纳米 ， 单位面积上可以集成的晶体管数量急剧上升 。 在250纳米时 ， 我们可以在一个平方毫米的面积上集成11.2万个逻辑门 。 一个逻辑门相当于4个晶体管 ， 11.2万个逻辑门相当于45万只晶体管 。 到了16纳米的时候 ， 我们可以在一个平方毫米的面积上集成大概400多万个逻辑门 ， 即大概1500万个晶体管 。 而到了5纳米时 ， 我们可以在一个平方毫米的面积上集成2800万个逻辑门 ， 即1亿多个晶体管 。
一个平方毫米的面积 ， 相当于一个芝麻粒大小 。 今天一颗芯片可以做到500个平方毫米 ， 也就意味着我们可以在单个芯片上集成500多亿只晶体管 。 全人类一共80多亿人 ， 每生产一颗芯片可以给全人类每个人分几只晶体管 。 所以我们的集成度非常高 ， 这样高的数量意味着这个系统异常复杂 。
摩尔定律揭示了生产当中不断发展的现象 ， 如果它按照2的N次方继续发展 ， 会对社会带来怎样的影响？
2015年4月19日 ， 在摩尔论文发表的50周年 ， 人们在硅谷举办了一个纪念会 ， 邀请摩尔前来参加 ， 同时也邀请了两位嘉宾 。
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一位嘉宾是加州理工的教授卡弗·米德（Carver Mead） ， 他说：“摩尔定律不是一个物理定律 ， 它是人类本性的一个定律 。 人们知道什么在物理上是可以实现的 ， 而且对之深信不疑 。 ”这句话非常有哲理 。 卡弗·米德认为人们相信某件事可行时就会努力去做 。 因此 ， 摩尔观察到现象 ， 但真正实现摩尔定律的是全体的从业人员 ， 是我们全人类 。
另外一位嘉宾是英特尔公司的前高级主管比尔·戴维德（Bill Davidow） ， 他说：“社会和经济变革是巨大的 。 在50多年前传递信息不仅缓慢 ， 而且非常昂贵 。 因此 ， 我们把人们移动到距离信息近的地方 。 ”
这句话的意思是说 ， 过去我们要到超市去买东西 ， 但是不知道超市里有什么东西 ， 该怎么办？我们就需要亲自去超市进行选择 ， 即把人移动到离信息很近的地方 。 但是 ， 借助电子商务的发展 ， 我们可以把信息移动到人们所在的地方 ， 通过手机下单把东西移动到家里 。
因此 ， 比尔·戴维德说：“由于摩尔定律 ， 我们将会重建所有的物质性基础设施 。 ”
大家平时可以观察到 ， 有些大商场慢慢消失了 ， 或者退化成娱乐中心 ， 原因是电商的出现导致整个社会形态发生变化 。 这背后真正的驱动力是信息技术 ， 而信息技术最重要的基础就是半导体技术 ， 即晶体管的发展 。 所以摩尔定律的社会意义是非常深远的 。
这件事情只发生在半导体产业中 ， 如果发生在其他领域 ， 变化可能就更大了 。 到目前为止 ， 没有任何其他的产业和技术 ， 能够像半导体技术一样 ， 按照摩尔定律在半个世纪中持续发展 。
我做了一个简单的计算 ， 假如同样的事情发生在汽车上会怎么样？那今天汽车的速度就会达到每小时930万公里 ， 比第三宇宙速度快了30倍；每百公里油耗只有0.6纳升 ， 1纳升是10－9升 ， 大概相当于一个唾沫星子 ， 就可以跑100公里；最恐怖的是 ， 这个车可以乘坐680亿个人 。 真要有这样一辆车的话 ， 全世界的人上车都来不及 。
芯片“杀手”
不仅如此 ， 芯片的出现还改变了社会的很多方面 ， 我称其为芯片“杀手” 。
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什么叫做芯片“杀手”呢？这是因为芯片“杀死”了很多东西 。 首先是曾经在我们生活当中扮演重要角色的胶卷消失了 。 胶卷的主要生产商是柯达公司 ， 成立于1880年 ， 但是在2012年申请了破产保护 。 它为什么会申请破产保护呢？因为胶卷没人买了 ， 数码相机甚至手机的出现逐渐扮演了胶卷的角色 。
在100年前的1921年 ， 伟大的科学家爱因斯坦因为发现光电效应获得了诺贝尔奖 。 1969年 ， Boyle和Smith两位科学家开发了第一个电子成像技术 ， 叫做电荷耦合器件CCD 。
1991年 ， 柯达公司发明了世界上第一款数码照相机 ， 价值高达13000美元 ， 重量5公斤 。 柯达公司认为数码照相机价格太贵了、太重了 ， 不可能成为大家都接受的东西 ， 所以把它锁到箱子里 ， 并没有去生产 。
但是 ， 没想到由于半导体技术的迅速发展 ， 不到10年的时间 ， 很多卡片式的数码相机进入到千家万户 ， 胶卷逐渐失去市场 。
在发明CCD的40年后 ， 2009年 ， Boyle和Smith两位科学家获得了诺贝尔物理学奖 。
今天主要使用的成像技术是CMOS图像传感器 ， 简称叫CIS 。 这样的图像传感器我们每个人的手机上最少有一个 ， 多的有三四个 。 它所带来的产业每年产值有上百亿美元 。 今天胶卷只存在于一些特殊的行业 ， 我们已经很少用到 ， 甚至很多人都没有见过胶卷了 。
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第二个是机械钟表的消失 。 我们很多人都不会戴机械手表 ， 而是选择电子表 ， 甚至可能连电子表都不戴 ， 拿一个手机就可以看时间了 。 发明于15世纪的机械钟表 ， 从纯粹的计时功能来看已经没有存在的必要 。 像电子表的电子计时的功能 ， 早在上世纪的1971年就被发明出来了 ， “杀死”机械钟表的也是芯片 。
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磁芯（左） ， 磁盘（中）和磁带（右）
第三个是磁存储的消失 。 最早的计算机使用的并不是半导体存储器 ， 而是磁芯存储器 。 1979年我第一次接触计算机的时候 ， 使用的就是磁芯存储器 ， 只有64K的内存 。 今天的笔记本电脑基本上都是4G以上的内存 ， 和当时相比已经发生了翻天覆地的变化 。
20年前 ， 计算机也用到了很多磁盘 ， 包括软的磁盘和硬的磁盘 。 现在的计算机也慢慢较少用到磁盘 ， 而大量使用了固态硬盘 ， 即半导体存储器组成的硬盘 。
之前我们还用到的各种磁带 ， 包括收录机上的磁带、随身听上的磁带和录像带 ， 也慢慢地从生活中消失了 。 因为我们有了各种数码产品 。
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NEC发布的最早的静态随机存储器
为什么磁存储会消失？原因是我们用芯片来替代磁存储 。
英特尔公司创立初期主要是生产半导体存储器 。 早在1966年 ， 日本的NEC公司就发布了静态随机存储器 ， 这个存储器改变了世界 。
我们今天用到的半导体存储器既不值钱 ， 又非常值钱 。 它的造价非常贵 ， 但是我们可以花几百块钱就买几个G ， 因此又很便宜 。 当存储容量不够时 ， 我们买一个内存条插进去就可以解决问题 ， 所以“杀死”磁存储的又是芯片 。
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过去40年消失的东西
过去40年里 ， 我们有太多的东西逐渐消失了 。 曾经人人都有科学计算器 ， 今天已经没有人在用了 。 我们曾经骗家长说学英文、其实是听音乐的随身听 ， 现在也已经消失了 。 我们曾经用便携式摄像机给孩子录像 ， 记录他们的成长过程 ， 现在也逐渐淡出人们的视线 。 还有个人助理、MP3、卡片式照相机、磁带录像机、GPS导航仪以及电子词典等等 ， 这些东西都消失了 。 它们都进了手机 ， 而手机的体积并没有发生根本性的变化 。 因为芯片太强大了 ， 而且越来越强大 。 每过18个月 ， 它的容量就翻一番 ， 功能也就越来越强大 。
因此 ， 我们总结了一句话：芯片能够参与竞争的任何技术 ， 最终都不可避免地成为失败者 。 如果发现某项技术已经被芯片做了 ， 我们千万不要再去做 ， 因为它最终会被芯片战胜 ， 它一定成为失败者 。
芯片的“极限”
芯片发展至今已经有60多年了 ， 它有没有极限呢？有一天它会不会退出历史舞台呢？我认为任何事物的发展都有极限 ， 不过我们离这个极限还很远很远 。
现行的科学技术还是有极限的 ， 半导体现有技术遇到的第一个极限就是物理极限 。
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栅极氧化层示意图（左）和扫描电镜图像（右）
目前半导体在不断地在做小 ， 尺寸已经缩小到了纳米量级 。 尺寸达到纳米量级之后 ， 最大的问题是我们很难避免漏掉电子 ， 就像筛子做的不够密会导致很多东西掉下去 。 半导体的主要材料——栅极氧化层是尺寸最小的一层物质 ， 只有1.5纳米 。 当真正做到1.5纳米时 ， 电子会穿过它漏下来 ， 产生漏电现象 ， 无法进行控制 。 这个可能是现行技术能够达到的最小尺寸 ， 但不是最终尺寸 ， 我们还有很多新技术可以解决这个问题 。
半导体现有技术的第二个极限是功耗极限 。 如果不对功耗加以控制 ， 手机电池耗电极快 ， 几分钟就要充一次电 。 由于技术的不断发展 ， 现在的手机可以一天充一次电 ， 其实我们最理想的状态是一部手机一个星期充一次电就好 。 如果智能手机的电池功耗能够达到这种状态 ， 我们的生活会方便很多 。
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20世纪90年代预测的芯片功率密度的增长趋势（左）和功率密度的实际增长情况（右）
在提供大量功能的同时 ， 半导体自身也需要耗电 。 我们用能量密度 ， 或者功耗密度 ， 来表征它的功耗情况 。 家里用的电熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦 ， 它运行起来很烫 ， 能将我们烫伤 。 早在上世纪的90年代 ， 半导体的功耗密度就已经超过了每平方厘米10瓦 ， 比电熨斗还烫 。 如果当时我们没有发展任何新技术 ， 到2005年可能功率密度就会达到每平方厘米100瓦 。 但是 ， 经过20年的技术发展 ， 半导体的功能在不断提升 ， 功耗并没有明显的上升 ， 这是非常重要的进步 。
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工艺节点发展路径
半导体现有技术的第三个极限是工艺、器件和材料 。 今天我们往往用多少纳米来表征集成电路的先进性 。 世界上最先进的大概是7纳米 ， 目前在大批量量产 ， 很快5纳米也会量产 ， 我们国家也实现了14纳米的大批量生产 。 在生产过程中出现了很多不同的节点 ， 每次缩小到原来的0.7倍 ， 以此一直不停地前进 。
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不断演进的晶体管结构
在发展过程中 ， 最基础的器件是晶体管 ， 晶体管也在不断演进 。 图片最左边是前一代晶体管 ， 即平面型晶体管 。 平面型晶体管的硅上有条沟道 ， 两端是源和漏 ， 上面通一个栅极来控制沟道的电流是否通过 。 随着体积变小 ， 源和漏逐渐靠近 ， 电子跑的很快无法控制 ， 怎么办？
于是我们发明了鳍式晶体管 ， 也称为FinFET 。 FinFET中间有一个像鱼鳍一样提起来的东西 ， 用栅把它包起来 ， 三面环栅 ， 就有了比较强大的电场 ， 可以控制电子能否通过 。
但是到了5纳米时 ， 鳍式晶体管也行不通了 。 我们需要做一个全包围栅的晶体管 ， 用一个全包围栅把沟道全围起来 ， 叫做Gate-All-Around（GAAFET） 。
平面型晶体管在22纳米时出现了换代 ， 鳍式晶体管在5纳米时也会出现换代 ， 5纳米之后将出现全包围栅晶体管 。 所以晶体管结构在不断地变化发展 。 这种变化背后有很多的科学技术 ， 其中最重要的是半导体材料的创新 。
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半导体使用的元素周期表中的元素
上世纪80年代 ， 半导体材料只用到了门捷列夫元素周期表中蓝色标记的少量元素 。 新世纪之后 ， 半导体材料的应用扩展了很多 ， 大量的元素都被半导体用到 。 半导体的发展并不是简单的只用一种材料 ， 而是会用到多种材料 。 所以 ， 探索新型的半导体材料 ， 成为今天晶体管发展的非常重要的技术路径 。
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5/45/32/22/14/10nm CMOS工艺步骤数
把东西无限缩小的工艺复杂度是非常高的 。 到65纳米时 ， 我们大概需要走900步；到了10纳米时 ， 我们大概需要走3300步 。 每步走一小时 ， 也需要3300个小时才能完成 。
这些工艺步骤数决定了生产周期的长短 ， 今天的集成电路不可能在几天之内就完成生产 ， 而是需要几个月甚至更长的时间才能完成生产 。 这几个月中不能出现任何差错 ， 否则整批报废 ， 就要重新开始 。 所以它是一个生产管理高度复杂、高度精密的技术 。
半导体现有技术的第四个极限是经济的可行性 。 任何好的技术如果没有经济的可行性 ， 那就达到了它寿命的终结点 。
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新建半导体制造厂成本
在上世纪 ， 我们估计到2010年时建一个集成电路厂大概要花500亿美元 ， 相当于当年销售市场的10% ， 这是代价非常昂贵的事情 。 幸好科技的发展没有让我们失望 ， 我们的实际开销大概是100亿美元左右 ， 节省了400亿美元 。
即便如此 ， 我们的花费仍然是一个天文数字 。 例如 ， 在65纳米时 ， 达到的盈亏平衡要投25-30亿美元 。 在14纳米时 ， 我们花费的100多亿美元就达到了美国一个核动力航母打击群的建造费用 。 到7纳米时 ， 我们要花费140-160亿美元 。 到5纳米时 ， 大概要花将近200亿美元 。
大家可能会疑惑 ， 如此高昂的造价 ， 我们是建一个核动力航母打击群 ， 还是建一个集成电路制造厂？这是我们经常被问到的一个问题 。
如果建一个集成电路制造厂 ， 后面还要继续投入 ， 所以集成电路厂的建造非常昂贵 。 正是因为建造成本的高昂 ， 使得芯片也在慢慢变贵起来了 。
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芯片不再便宜
在28纳米之前 ， 半导体的价格一直在走下行的通道 ， 所以前几年会感觉手机价格很便宜 ， 我们经常隔半年就换一部手机 。 但是 ， 这两年一部手机高达几千块钱 ， 可能很少有人频繁地换手机了 ， 这部分是因为芯片价格的上涨导致手机越来越贵 。
我们按照百万逻辑门 ， 即400万个晶体管 ， 作为一个基本单位计算芯片价格 。 在28纳米时 ， 它是1.4美元；到16-14纳米时 ， 它是1.62美元 ， 价格已经开始上升；现在到5纳米时 ， 它的价格上升很快 。 所以今后半导体不会很便宜 ， 电子产品也不会很便宜 ， 这是生产规律所决定的 。
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越来越少的制造资源
由于需要数额巨大的投资 ， 所以集成电路的制造资源越来越少 。 现在全世界进入7纳米的生产线只有三星、中国台北的台积电、美国的格罗方德和英特尔四家公司 。 事实上英特尔应该是10纳米 ， 它指的密度相当于7纳米 。
今后如果全球只有两家公司在做半导体最先进的工艺时 ， 我们想要拥有这个产能就非常难 。 这就是为什么我们中国也要大力发展半导体的根本原因 。
如何制造一块芯片？
那么 ， 我们如何制造一块芯片呢？制造芯片是人类历史上最为复杂的制造工艺 。 集成电路一般分成五大版块 ， 包括设计、制造、封装测试、材料和装备 。
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集成电路产业的五大板块
通常我们讲集成电路主要是指设计、制造和封测 。 最近几年情况发生变化 ， 我们把材料和装备也纳入集成电路的范畴 。
很多人可能不了解什么叫设计、制造和封测 ， 我用一个简单的例子来类比 ， 虽然不是很准确 ， 但是我们可以大概理解其中的内容 。
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设计、制造、封测三业相对独立的产业生态
集成电路的设计相当于一个作家在写作 ， 它是一个创作的过程 ， 是一个知识产权密集的过程 ， 也是一个人才密集的过程 。
作家写作完成之后需要印刷 。 这个印刷厂需要进行非常精密的印刷 ， 字印得很小又很清晰 ， 还能成千上百地印刷 ， 中间不走样 。 这就相当于集成电路的制造 。 它是规模化制造导向、设备密集、投资密集和专利密集的产业 。
书本印刷之后需要装订 ， 避免书本散架 ， 装订过程中需要用到的材料还要防止磨损 。 装订也是一个非常重要的工作 ， 需要检查装订是否正确、整齐 ， 这就相当于集成电路的封测 。 因此 ， 写作、印刷、装订基本上对应了设计、制造、封测 。
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集成电路芯片结构示意图
芯片的制造高度复杂 。 如果我们打开一个芯片 ， 会发现芯片里有几十层异常复杂的东西 ， 包括介质层、存储器、互联、接触孔和晶体管等等 。
我们用什么方式来建造如此复杂的芯片呢？芯片是靠一层一层的掩模板曝光刻蚀技术来建造的 ， 这是鲍勃·诺伊斯发明并且沿用至今的技术 。
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集成电路芯片制造工艺流程示意图
真正去看集成电路的制造工艺 ， 如果从单晶开始考虑的话 ， 它经过的步骤非常长 。 从拉单晶、磨外圆、切片、倒角到最后引线键合、模塑、切筋成型、终测等等 ， 这是一个非常长的产业链 ， 它涉及到了材料、装备、设计、制造和封测等几乎每个环节 。
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光刻工艺示意图
这中间最重要的是光刻 ， 光刻怎么做呢？
我们举个简单的例子 。 我们有个晶圆片 ， 在晶圆片的上面做一个氧化层 。 氧化层可以帮助我们阻挡一些不该进入到硅片的东西 。 蒸了一层氧化层后 ， 就要在氧化层上涂一层光刻胶 。 在光刻胶上方放置掩膜版 。 光源从上面照下来 ， 把掩膜版上的图形映射到涂了光刻胶的硅片上 。 随后去做显影 ， 去掉暴露在光线里的光刻胶 ， 只留下阴影挡住的那一块 ， 即图中的L形 。 然后做刻蚀 ， 把下面的氧化层刻掉 。 最后去掉L形上面的胶 ， 这时就有个L形停留在硅片上面 ， 这就是光刻技术 。
这里我只简单展示了光刻技术中的七个步骤 ， 如果加上清洗等环节 ， 一层光刻过程可能包含十几个步骤 。
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集成电路的工艺节点和掩膜层数
我们今天的芯片制造可能会涉及到很多层 ， 例如 ， 在7纳米时候曾经高达到85层 。 优化之后 ， 到7nm＋时我们只有75层 。 但是到5纳米时 ， 我们又回到80层 。
每一层都含有几十个简单的步骤 ， 相乘之后 ， 我们的制造就会有极多的步骤 。 例如 ， 在10纳米时 ， 我们就会有3000步 。 所以我们常用层数来表征制造的复杂度 。 如果制作1层需要1天的时间 ， 那么我们制作5纳米就需要80天 ， 所以集成电路需要很长的时间去制造 。
我们的“中国芯”
那我们国家的芯片发展得怎么样呢？
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全球半导体市场分布情况
首先 ， 中国是全球最大的单一半导体市场 。 2020年 ， 我们中国使用的芯片价值1515亿美元 ， 占比是35% 。 全球生产的芯片每三块中就有一块是被中国消费的 。
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中国集成电路产业链各环节发展情况
中国自己生产的集成电路并不是太多 ， 在行业中最主要的是设计 。 我们去年的芯片设计产值一共是3778亿人民币 ， 相当于约540亿美元 。 我们的增长速度非常快 ， 在过去的十几年中 ， 我们的设计提升了将近45倍 ， 制造提升了将近14倍 ， 封测提升了9倍 。 而同期全球的增长速度远远低于我们 。 所以 ， 在新世纪以后 ， 半导体芯片在中国的发展是非常快的 。
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中国芯片设计产业发展情况
从2004年到2020年 ， 我国的芯片设计产业快速发展 ， 年均复合增长是27.1% 。 这意味着我国芯片设计产业连续16年增长27% ， 增长速度非常快 ， 每隔三五年就能翻一番 。 2014年以后 ， 我国的芯片设计产业已经达到了相当大的规模 ， 年均复合增长率仍然在保持在两位数 ， 大概在25.2% 。
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中国芯片制造产业发展情况
前些年我们的芯片制造业发展速度不够快 ， 过去16年的年均复合增长率是18% ， 但是最近的五六年在加速发展 ， 已经达到24% 。
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中国芯片封测产业发展情况
我们的芯片封测业曾经是这个行业中规模最大的产业 ， 虽然发展速度不是最快的 ， 但是它长期主导着这个行业 。 它的年均复合增长率在15%左右 ， 近些年发展速度有点放慢 ， 基本在12.2% 。
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中国半导体装备产业发展情况
我们的芯片装备制造业也在迅速增长 ， 现在年均复合增长率达到25% 。
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中国半导体材料产业情况
我们的芯片材料业起步非常晚 ， 过去十年我们才慢慢起步 ， 增长速度还不够快 。
但是可以看到 ， 我国拥有比较完整的产业链 ， 有半导体产业链里的所有内容 ， 尽管发展水平还不够高 。
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芯片产品全球市场占有率稳步提升
2004年 ， 我们的芯片产品在全球市场的占有量只有0.58%；2020年 ， 我们的全球市场的占有量达到了12.7% 。 之前提到 ， 中国是最大的单一半导体市场 ， 占世界市场的35% 。 按价值计算 ， 我们只能满足12.7% ， 还有20%多就要完全靠进口 ， 因此中国芯片进口量非常大 。
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中国企业进入全球前十
中国的企业进步也很快 ， 我们在芯片设计、制造和封测都有企业进入了相关领域的前十位 。 设计企业有两家 ， 代工企业有两家 ， 封测企业有三家 。
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中国芯片的进出口情况
由于我国的芯片生产无法满足国内市场 ， 因此我们芯片的进口量很大 。 从2013年开始 ， 我们的进口芯片价值超过2000亿 ， 2018年超过了3000亿 ， 之后一直维持在3000亿以上 。 2020年我们的进口芯片价值达到了3500亿 。
大家可能会疑惑 ， 全球一共产了4000多亿的芯片 ， 中国进口了3500亿 ， 使用了1500多亿 ， 剩下的2000亿进口去哪儿了？
这2000亿装到整机中又出口了 。 中国是世界工厂 ， 一方面自己消费很多芯片 ， 同时我们也给世界生产的很多整机也用到了很多芯片 。 如果今天中国不再生产整机 ， 全世界的芯片厂家就无法卖出芯片 ， 便会产生灾难性的结果 。
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高端芯片产品对外依存度很高
但也要承认我国是一个起步比较晚的国家 ， 在芯片上仍然有很多短板 ， 在高端芯片上还有很多是依赖国外的 。 但我们确实在不断地进步 ， 上面这张表格中的数字这些年在不断提升 ， 但是还有一些部分的市场占有率数字小于0.5 。 这并不意味着我们没有 ， 只是我们还不能够在市场上占有重要的地位 ， 这也是我们努力的方向 。 总而言之 ， 高端芯片还没有摆脱对进口的依赖 ， 这也是近两年我们为什么如此关注芯片的缘故 。 特别是在国际形势发生变化的时候 ， 芯片带来的一些痛处 ， 让我们非常难受 ， 我们要加速努力 。
点沙成金：芯片制造有多难？
一个台积电 ， 半部芯片史 。
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