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关于芯片之争终于有人说出了本质

文章来源:亚洲城人气:发表时间:2018-10-18 11:15

  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,双方都列举了林林总总的例子,整得我们吃瓜群众一脸懵逼。当然,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。想要在中外两国这个话题上显得有见识,得先搞明白啥是技术?

  把技术分分类,第一类姑且叫“可山寨技术”,或者叫“纯烧钱技术”,有人喜欢往左边烧,有人喜欢往右边烧,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,美帝登月的土星五号,土工的跨海大桥,小胡子的鼠式坦克,甚至包括中国长城和埃及金字塔。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,所以这些也可以叫应用技术。

  比如这种架桥机,几个工业大国都能搞,但搞出来只能当玩具,只有土工搞出来才赚钱。

  土工发家后,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,番茄炒蛋的成分可以告诉你,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,是土工最遭人诟病的短板。其核心技术说白了就是涡轮叶片不够结实,油门踩狠了就得散架,无论是航天发动机、航空发动机、燃气轮机,只要带个“机”字,土工腰杆都有点软。

  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,做出的涡轮叶片吊炸天,铼的全球探明储量大约2500吨,主要分布在欧美,70%用来做发动机涡轮叶片,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,可把土工乐的,马上拼了老命烧钱,这几年苦逼生活才有了起色。

  稀土永磁体,就是用稀土做的磁铁,能一直保持磁性,用处大大的。高品位稀土矿大多分布在中国,所以和“磁”相关的技术,土工比美帝还能嘚瑟,比如核聚变、太空暗物质探测等。据说,土工前几年也对美帝禁运,逼得美帝拿铼交换,外加陕西安徽刨出来的那点铼,J20的发动机才算有些眉目。

  作为“工业之母”的高端机床,土工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,主轴和轴承摩擦产生热变形,导致主轴抬升和倾斜,还有刀具磨损,等等,所以对加工精度要求极高的活,土工还是望“洋”兴叹。

  光学晶体,土工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。

  小盆友们坐端正,重点来了!这种关键核心材料,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%依赖进口,在高端机床、火箭、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%依赖进口。这些可不是陈芝麻烂谷子的事情,而是工信部2018年7月发布的数据,还新鲜着呢。

  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不重要,它需要资金、需求和社会实际情况的结合,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,不然分分钟秒杀你!呵呵,如果强行烧钱,后果参照老毛子。

  磨叽半天,该回正题了,半导体芯片之所以难,是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。为了便于理解,这线、芯片原理和量子力学

  很多文盲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:

  基于一些简单的原因,科学家用硅作为半导体的基础材料。硅的外层有4个电子,假设某个固体由100个硅原子组成,那么它的满轨道就挤满了400个电子。这时,用10个硼原子取代其中10个硅原子,而硼这类三价元素外层只有3个电子,所以这块固体的满轨道就有了10个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子,为电子的移动提供了条件。这叫P型半导体。

  这时候再加个正向的电压,N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上,电子的移动就是电流,这时的PN结就是导电的。

  如果加个反向的电压呢?从P型半导体那里再抽电子到N型半导体,而N型早已挂满了额外的电子,多出来的电子不断增强电场,直至抵消外加的电压,电子就不再继续移动,此时PN结就是不导电的。

  好了,我们现在已经有了单向导电的PN结,然后呢?把PN结两端接上导线,就是二极管:

  三角形代表二极管,箭头方向表示电流可通过的方向,AB是输入端,F是输出端。如果A不加电压,电流就会顺着A那条线流出,F端就没了电压;如果AB同时加电压,电流就会被堵在二极管的另一头,F端也就有了电压。假设把有电压看作1,没电压看作0,那么只有从AB端同时输入1,F端才会输出1,这就是“与门电路”,

  现在有了这些基本的逻辑门电路,离芯片就不远了。你可以设计出一种电路,它的功能是,把一串1和0,变成另一串1和0。

  左边有8个输入端,右边有7个输出端,每个输出端对应一个发光管。从左边输入一串信号:00000101,经过中间一堆的电路,使得右边输出另一串信号:1011011。1代表有电压,0代表无电压,有电压就可以点亮对应的发光管,即7个发光管点亮了5个,于是,就得到了一个数字“5”,如上图所示。

  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。

  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。

  把这玩意儿氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,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空轨道之间跑顺畅。

  难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该还不错。不过,30%的制造设备还得进口

  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?

  这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路,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。

  提个问题:为啥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?

  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。

  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。

  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。

  晶圆代工厂又是台湾老大哥的天下,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。

  大陆的中芯国际具备28nm工艺,14nm的生产线也在路上,可惜还没盈利。大家还是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。

  芯片良品率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”。

  日本的尼康和佳能也做光刻机,但技术远不如阿斯麦,这几年被阿斯麦打得找不到北,只能在低端市场抢份额。

  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。

  在晶圆上注入硼磷等元素要用到“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。即便是光刻胶这些辅助材料,也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。

  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。

  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。

  说起中国芯片,不得不提“汉芯事件”。2003年上海交通大学微电子学院院长陈进教授从美国买回芯片,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,严重干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持续多久呢?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《集成电路产业发展纲要》明确提出,2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,产业实现跨越式发展。

  当前,中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脚,前景还是可期待的。、

  文末,习惯性抱怨一下人类科技的幼稚。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,别看现在的技术纷繁复杂,其实就是玩玩电子而已,至于其他几百种粒子,还完全不知道怎么玩!

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