半岛彩票前言：本篇文章将讲述形象生动地讲述半导体行业到底是什么，芯片的原理和设计、制造、测试封装全流程。以及一些大家比较关心的热点：为什么光刻机如此重要，台积电为何如此NB，中国的芯片为什么和世界领先差距如此的大，全文较长，干货预警。
--2020.9.14日更新NVIDA收购ARM对世界范围内芯片行业造成的影响；
芯片是什么？芯片其实是半导体元件产品的统称，很多时候我们把集成电路：Integrated Circuit和芯片：Chip混淆在一起。但严格意义上，芯片并不能完全等于集成电路，芯片更恰当地说，它是集成电路的载体。
半导体、集成电路和芯片三者之间的区别和联系，可以参照上图。一句话总结就是半导体是组成集成电路和芯片的基本组成材料，而芯片是集成电路的最终载体，是集成电路经过设计、制造、封装、测试等后的独立成熟产品。
电脑、手机、计算器等电子设备上都安装有各种各样的芯片，芯片在这些设备上起到什么作用了？各式芯片在这些电子设备上面的作用，和人体各个器官发挥的作用比较类似。电子设备的整体管理和计算逻辑处理等，需要CPU（核心组成部分就是芯片组），CPU相当于人体的大脑。电子设备识别声音，处理音频，需要音频处理芯片，相当于人体的耳朵。电子设备接收图像，处理图片，需要图片处理芯片，相当于人体的眼镜。总之这些设备具备的各种功能，都需要对应的芯片来实现，就像人体的各个器官实现不同功能一样。
相信通过上述的介绍大家已经能认识到芯片技术的重要性，没有芯片很多机器就无法运行，同时芯片性能的好坏也直接决定机器性能的好坏。但大家看过各种新闻报道也知道我国目前芯片技术整体落后于世界领先技术一大截，对国外先进的芯片十分依赖。那么到底有多依赖了：
如上图所示，2018&2019年我国集成电路的进口总金额都在3000亿美元以上，占到全年外贸进口总额的14%以上，也是我国目前外贸进口占比最大的商品，排名二三位的分别是石油和铁矿。石油和铁矿是自然资源，只能依赖进口，而集成电路则是被逼无奈。
其实中国也对外出口集成电路，2019年全年我国出口集成电路1015.8亿美元，但一部分是国外芯片厂商在中国开的分公司，比如三星西安厂、英特尔大连厂。以及是我国采购国外的集成电路又进行了再加工以后出口的成品，核心技术还是掌握在国外厂商手中。同时我国出口的集成电路主要是存储器这一部分，存储器是芯片技术里相对简单的。对于控制器、处理器这部分我国出口的还是不多的。集成电路有很多种，上述提到的存储器、处理器等，大家可参考该链接：2019年中国芯片进出口情况h/946621.htm。
上述介绍了这么多，为什么我国的芯片技术落后国外这么多了。我们需要从芯片的制作说起。芯片的制作是由整个半导体产业支撑的。大家对半导体材料的最初印象应该就是“硅”了，沙子的主要组成成分。“硅谷”名字的由来也就是该地区有大量的半导体产业公司。美国拥有一个“硅谷”也凸显美国半导体产业的强大。芯片从最开始的设计，到制作、测试、封装等，需要产业链上下游多家公司配合，经过上千道工艺才能完成。所以芯片是一个高精尖的产业，对技术要求很高。
我们先介绍一下芯片的原理，芯片是依靠什么来实现上述那么多功能的。首先我们先介绍芯片的基本组成元素：半导体PN结，一个由半导体材料硅作为基片，采用了不同的掺杂工艺，在硅上掺杂了硼、磷元素，形成了P型半导体（掺了硼）和N型半导体（掺了磷），二者的交界面形成的空间电荷区称为PN结。PN结具有单向导电性，只能P型接正极，N型接负极，才可以导电，反之无法导电。
那么半导体PN结的单向导电性，我们可以拿来做什么了，如何实现计算和逻辑处理了？首先大家要了解，万物皆可量化，无论是逻辑处理、数学运算还是存储，芯片都是将其转化为二进制数字，然后进行处理。半导体PN结的单向导电性，当我们将若干PN结组装在一起形成晶体管后，晶体管可以实现电信号的放大和开关等作用。我们再将若干晶体管组合在一起就可以实现一定的逻辑门“与”、“或”和“非”（详情见下图），这些逻辑门最终输出的结果就可以转化为二进制里面的“0”和“1”。
通过电信号控制晶体管里面的开关，进而控制电路的通断。一秒内实现开关几百万次甚至更多，产生大量的0 or 1，转化成二进制进行计算、存储等，以上就是芯片实现计算、逻辑、存储等的原理。（感兴趣的读者可以阅读《编码-隐匿在计算机软硬件背后的语言》这本书，详细介绍了计算机的工作原理，也就是计算机如何进行计算、逻辑处理、存储等，其实就是介绍计算机里面的芯片是如何实现上述功能的。）
在正式介绍芯片是如何制造出来之前，我们先简单介绍一下围绕着芯片制造的半导体产业链。我们将其分为上中下三个大环节，上游是围绕着芯片制造的基础硅片而产生的硅片制造厂商，中游是芯片设计公司，下游就是基于上游生产的硅片，将中游的芯片设计实现出来的晶圆加工厂商。上中下分工十分明确，各司其职。但是市场上也存在IDM厂商：整合组件制造商（Integrated Device Manufacturer），从IC设计、制造、封装、测试到销售都一手包办。芯片制造最早期大部分是IDM厂商，但是随着半导体芯片的设计和制作越来越复杂、花费越来越高，单独一家半导体公司往往无法负担从上游到下游的高额研发与制作费用。因此到了1980年代末期，半导体产业逐渐走向专业分工的模式──有些公司生产硅片，有些公司专门设计、还有些公司专门做晶圆代工和封装测试。整个产业链的技术复杂度是依次递增的，目前芯片制造难度最大的就是最下游的如何将nm级别的芯片规模化的生产出来，其次是中游的集成电路设计，最后才是上游的硅片制造。
单晶硅和多晶硅的差异就在于硅原子组合在一起的排序的方式，单晶硅排列更整齐。半导体领域使用的全部都是单晶硅，因为需要保证硅片每个位臵的相同电学特性。而在光伏领域使用多晶硅较多，因为对性能要求没有那么高，且便宜。
拉晶就是将液态的硅拉成一个硅柱，和拉玻璃和拉棉花糖类似。成型的硅柱尺寸越大，最终切割成的硅片尺寸也就越大，同一晶圆上可生产的集成电路就越多，成本也就越低；但尺寸越大，对材料技术和生产技术的要求也就越高。
：硅柱后续被切割成圆片，然后再进行磨光、研磨、抛光、清洗等最终得到硅片。理论上做成方形对于晶片的利用率更高，但是工业上将晶片做成圆形是因为一方面拉晶的技术形成的硅柱就是圆形的，另一方面圆形更适合后续的切片、打磨、抛光过程。大家经常看到的8寸、12寸，也就是晶圆片的尺寸，尺寸越大对技术要求越高，整体的芯片制造成本越低。
目前全球硅片市场处于寡头垄断阶段，2016-2019年全球主要的硅片货源基本被日本、中国台湾、德国、韩国这四个国家或地区的五个厂商垄断，合计市场份额约占全球90%以上。
Shin-Etsu：日本信越化学；SUMCO：日本；Global Wafers：台湾环球晶圆；Silitronic：德国；SK Siltron：韩国。国内首条 12 英寸半导体硅片生产线月，上海新昇成为国内第一个实现300mm 硅片大规模量产的企业。目前国内已投产的12英寸晶圆产线万片/月。国内正在加快步伐投建硅片生产厂，虽然目前全球市场份额主要由几个巨头垄断，但是这一部分的技术还没有那么难以跨越，只要投入资源是完全可以赶上的。
芯片设计是芯片的整个灵魂，芯片实现怎样的功能完全是看最初芯片的整体设计。那芯片设计具体是设计什么了？准确地来说芯片设计是将系统、逻辑与性能的设计转化为具体的物理版图，其中包括芯片的规格制定、逻辑设计、布局规划、性能设计、电路模拟、布局布线、版图验证等。
因为华为海思受到美国商务部禁令的影响，2020年华为海思退出了前十名，2018年时华为海思曾经排到过第五名。其实中国目前有大量的芯片设计公司，像大家知道的华为海思、紫光展锐、寒武纪、地平线等等，芯片设计层面中国其实目前和世界领先的技术差异不是很大，这也是半导体芯片产业链上中下三大环节中，中国目前和世界领先水平能够差不多保持一致的环节。但是我们如果对于芯片设计环节进行深入研究，其实中国目前也是出于被动状态。
芯片设计工具：芯片设计软件就和我们日常用的office软件一样，提升设计的效率，必不可少。芯片设计届的office软件我们叫做EDA软件（Electronic Design Automation电子设计自动化），没有EDA软件，整个芯片设计寸步难行。在互联网行业，产品和软件都可以有初版，然后不停迭代优化，但是芯片行业不行。因为芯片产品一旦生产就不可再更改，生产出来的芯片不达标就只能报废。所以需要EDA软件进行虚拟的设计、模拟、仿真等，为了确保日后生产流水线上生产一次性成功，降低整体成本。EDA软件在全球不过100亿美元的产值，却主宰着将近4500亿美元的全球半导体市场，一旦EDA受制于人，整个芯片设计也将如鲠在喉。目前世界上主要的EDA厂商都在美国，Top3家：Synopsys、Cadence和Mentor Graphics占据着市场60%以上的份额，2019年因为美国禁令，头部三家EDA厂商都与华为终止了合作（华为被针对地真的惨）
不过EDA软件，总体还是有替代品的，就像不能用office软件，可以用WPS。国产软件相对比较弱，还是可以用，同时除了美国，欧洲也有一些EDA厂商。这个禁令主要影响了华为设计芯片的效率，并没有导致华为海思完全无法设计芯片。
芯片架构：芯片的架构就像是造房子时候搭的整体框架一样，在设计芯片的最初需要确定好使用哪种架构，就像盖房子时需要选择用木头搭建整体框架，还是钢筋水泥。目前全球主流的四大芯片架构如下图：
四大芯片架构中X86和MIPS都是属于美国公司的，ARM之前被日本软银集团收购了，传闻近期要出售给美国NVIDA，如果真的达成交易，那么四大芯片架构中三大都将属于美国。目前华为海思使用的芯片架构就是ARM架构，如果真的达成交易，那么华为海思将无芯片架构可用，只能使用开源的RISC-V架构，RISC-V目前是由其基金会管理的，国内很多手机、芯片厂商都投资了基金会，就是为了让RISC-V架构可以得到更好的发展，自己也有一个备选。虽然没有万能的芯片架构，但是每一种芯片架构目前都有属于自己的优势领域，比如X86主要应用于PC端，ARM主要应用于手机和平板电脑端，MIPS主要应用于网关和娱乐装置里，而最新的RISC-V架构目前主要应用于智能穿戴设备上，当然不排除未来可能向手机端延伸。阿里旗下的平头哥发布的芯片，都是基于RISC-V架构的，专门为了避开后期可能面临的美国禁令。
所以虽然中国的芯片设计技术水平和世界领先技术差异不大，但是芯片设计里面涉及到的芯片架构和EDA软件都是受制于人的，尤其是芯片架构，一旦ARM架构华为无法获得授权，对于华为的打击是巨大的，意味着华为所有的手机芯片将不能再生产，不仅仅是7nm芯片无法生产的问题，14nm的芯片也无法生产了。
-- 2020.9.14日更新：NVIDA将收购ARM了，虽然还没有最终完成，需要欧盟的审批。但是交易一旦完成对于华为来说也是非常大的打击，ARM将会是美国制裁国内芯片行业另外一个重要的牌。国内芯片厂商应该要All in RISC-V架构了，不然ARM芯片架构授权未来美国不给使用，所有手机端的芯片几乎都不能用了。从设计到制造，被美国安排的明明白白。这笔交易对传统芯片巨头Intel的打击也很大，因为GPU市场本来NVIDA就是称霸了，现在收购了ARM架构，NVIDA应该也要向PC端和服务器端进军了，Intel的市场将一点一点被蚕食，目前还看不到翻盘点。
最后一步的制造&测试&封装是由晶圆加工厂商来完成，这也是芯片制造步骤中对综合技术能力要求最高的一步，下图是2020年Q2全球前十大晶圆代工厂营收排名：
可以看到台积电一骑绝尘，占据市场50%以上的份额，台湾的企业目前是这个领域的绝对领导者。中国大陆上榜的有华虹半导体等晶圆代工厂，但是大陆的公司主要生产的芯片都是14nm制程及以上的，最新的7nm制程的芯片大陆公司都不具备生产能力。
芯片制造是目前中国被美国禁令卡的最难受的环节，也是中国目前和世界领先技术水平差异最大的环节。将设计好的芯片电路变为产品主要分为：光刻、掺杂、电镀再到测试封装。
上图是光刻步骤里面的核心步骤，这里不得不提光刻机，大家应该也经常在各类文章中看到这个专有名词，光刻这一步需要用到的机器就是光刻机。
目前国内自研的光刻机只有90nm的制程，是由上海微电子装备公司（SMEE）生产的。而世界上最领先的光刻机制造商荷兰ASML厂商最先进的EUV光刻机波长只有13.5nm了，可以做7nm、5nm、3nm、2nm、1nm制程的芯片了。2015 年，ASML 宣布可量产最新的 EUV 光刻样机，售价高达1.2亿美元一台，但是仍然订单无数，Intel、三星、台积电下了大量订单都在等待交货。我国的某些晶圆代工厂也下了订单，但ASML公司一直没有交货，就是因为这款光刻机的技术使用到了很多国家的技术，其中就包含美国，美国不允许出售给中国，所以我国目前的晶圆代工厂一直无法采购到最新的EUV光刻机。
最先进的EUV光刻机，单台设备超过10万个零件，4万个螺栓，3000多条线路，软管加起来就有两公里长。设备重180吨，单次发货需要动用40个货柜，20辆卡车以及3架货机才可以运完。同时将这些零件组装起来需要1年时间，后续的参数设置，模块调试时间又更长。
那么我国的光刻机开发的怎么样了，可以参考这个知乎链接，非常详细。总结一下就是不怎么样，前路漫长。
光刻完以后，就到了掺杂和电镀，之前介绍芯片原理的过程中介绍过需要往硅单质中掺杂一些硼、磷元素，具体可以参照下图：
最后将芯片从硅片上裁剪下来，裁剪成一个一个独立的芯片，然后对每个独立的芯片进行测试，测试合格的产品进行最终的封装。
芯片整个制造的步骤有几千步，假设每一步的合格率99%，几千步99%*99%相乘以后接近于0。而芯片制造的整体良品率必须达到90%以上，才可以批量生产，不亏本。这就要求每一步的合格率达到99.99%以上。这也是台积电最厉害的地方，将芯片制造整个流程做到了最顶尖的地步，每一步的进步都是投入了大量的研发费用，台积电目前已经实现了7nm制程芯片的量产，正在投入到5nm制程芯片量产的研发中。而国内的晶圆代工厂还停留在14nm制程上，这个差距并不是光刻机可以弥补的，还有整条生产线上的差距，生产线达不到量产的水准，最终制作的芯片良品率很低，将会造成大量亏损，这是国内的晶圆代工厂无法承受的。目前国内的晶圆代工厂也在加大7nm制程芯片的研发，但是已经落后领先集团一大截。这个进程是需要大量的人力和物力去追赶的。2019年台积电一年的研发费用就超过国内头部晶圆代工厂一整年的营收。
上文一直在提芯片的nm制程，大家也经常看到芯片的14nm、7nm制程，华为的麒麟芯片就是7nm的制程。到底什么是芯片的nm制程，为什么nm越小代表芯片性能越好？这是因为芯片的基本组成单位是晶体管，一块大型芯片会有几十亿个晶体管。晶体管里含有一个栅极，一方面栅极的宽度决定了电流通过时的损耗，表现出来就是发热和功耗，宽度越窄，损耗越低。而栅极的宽度就是我们提到的芯片的14nm、7nm。另一方面栅极越窄，芯片可以含有更多的晶体管，可以提升更多的性能和计算能力。同时，最终形成的芯片体积也就越小，那么一块硅片可以切割出来的芯片也就越多，也降低了整体成本。
对于晶圆代工厂来说，就是不断升级技术，力求栅极越窄越好，但是当栅极进入10nm以内时，整个制程难度提升很大，因为一个原子的大小约为0.1nm，10nm的情况下，横向只有100个原子左右，制造上相当困难，同时一个原子错误，整个产品的良品率就会受到影响。所以nm制程里面的nm越小，芯片的性能越好，但是对晶圆代工厂的技术要求也更高。
芯片的nm制程越小，对光刻机的要求也就越高。但是目前市场上7nm制程的芯片，也并不是使用最先进的EUV造出来的，台积电也是使用的传统193nm浸润式光刻机造出来的。这款光刻机售价7200万美元，主要用于14 nm-20 nm工艺，但是台积电也用这个光刻机实现了7nm芯片的量产。国内的晶圆代工厂也都有这款光刻机，但是国内代工厂整体工艺达不到，所以无法实现7nm芯片的量产，并不是因为ASML不把最先进的EUV光刻机卖给大陆，大陆才无法实现7nm芯片量产，而是整体工艺跟不上。
上面其实已经介绍了各个环节中国目前的技术水平，中国大陆目前最大的困境还是无法实现7nm芯片的量产，只能由中国台湾等外部代工，但是现在所有可以代工的企业都被美国商务部禁令制约无法进行代工。7nm和14nm芯片之间性能差距巨大，功耗巨大。尤其是5G时代和AI时代的到来，如果一直无法使用最新的芯片，这对华为的5G产业和手机事业打击将是巨大的，华为目前的麒麟、骁龙芯片都是7nm制程的。
同时存在的一个隐患就是芯片架构：ARM，如果软银真的将ARM出售给了美国公司，那么华为肯定也无法再使用ARM架构，这对于华为的打击也是巨大的，华为所有的芯片将全部要推翻，使用RSIC-V的芯片架构，全部从头开始，这又将是非常漫长的时间，将使华为错过很多时间窗口。所以对于华为来说真的很难，这个事件能够出现转折就是新一届美国总统不再是川普，拜登是否会废除这些禁令。还要就是把台湾收复了，这个难度更大，还是前者希望更大。
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