华为麒麟绝版背后：芯片制造究竟有多难？
原文发布时间:2020年8月10日
8月7日，华为悲情地宣布，由于美国的制裁，麒麟芯片可能成为绝唱。因为，一直以来，华为主攻的是芯片设计，而非芯片制造。正如余承东坦诚：“遗憾的是，我们在半导体制造方面，华为在重资产投入型的领域，这种资金密集型的产业，华为没有参与，我们只做到了芯片的设计，但没搞芯片的制造，是我们非常大的一个损失。”
那么，制造到底有多难？看完这篇文章你就懂了！正文：芯片，以储量最丰富、成本最廉价的二氧化硅(也是沙子的主要成份）为原料，成就了这个星球的科技之巅，颁一枚最佳逆袭奖，实至名归！
01 芯片原理和量子力学很多文盲觉得量子力学只是物理学家的数学游戏，没有应用价值，呵呵，下面咱给计算机芯片寻个祖宗。
导体，咱能理解；绝缘体，咱也能理解，小盆友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，会有很多电子混到一起，但量子力学认为，2个相同电子没法待在一个轨道上，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。在量子力学里，这种细轨道叫能级，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。有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。不过一价金属的导电原理稍有不同，它的满轨道原本就不太满，所以电子不用跑到空轨道也能移动。
但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，表现为不导电。但如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，表现为导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时导电、有时不导电，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。
到这，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，即，取决于满轨道和空轨道之间的间隙。学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。这里有个问题，一旦细轨道变少了，能不能挤成宽轨道就不好说了，所以能带理论本质上是一个近似理论，不适用于少量原子组成的固体。
半导体离芯片原理还很遥远，别急。
很明显，像导体这种直男没啥可折腾的，所以导线到了今天仍然是铜线，绝缘体的命运也差不多。半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情，所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片、雷达。
下面有点烧脑细胞。
经过计算筛选，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，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。
同理，如果用10个磷原子取代10个硅原子，磷这类五价元素外层有5个电子，因此满轨道上反而又多出了10个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了10个人，这些人非常容易脱离公交车，这叫N型半导体。
现在把PN这两种半导体面对面放一起会咋样？不用想也知道，N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结”。
(动图来自《科学网》张云的博文)
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。
当然，实际上还是会有微弱的电子移动，但和正向电流相比可忽略不计。
如果你已经被整晕了，没关系，用大白话总结一下：PN结具有单向导电性，即，电流只能从这一头流向另一头，无法从另一头流向这一头。
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。
有了二极管，随手搭个电路：
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”。
同理，把电路改成这样，那么只要AB有一个输入1，F端就会输出1，这叫“或门电路”：
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。一不小心，我们就得到了芯片运算的本质：把一串1，0，变成另一串1，0。
简单举个例子，在左边输入1010，在右边输出0101，这就算完成了一次运算。
我们来玩个稍微复杂一点的局：
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，7个发光管组成一个数字显示器。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，有电压就可以点亮对应的发光管，于是，就得到了一个数字“5”，如上图所示。
终于，我们已经搞定了数字是如何显示的！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，设计的电路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。
02 芯片制造与中国技术为了把30吨的运算电路缩小，工程师们把能扔的东西全扔了，直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发，说说芯片的逆袭之路。
第一，硅。
把这玩意儿氯化了再蒸馏，可以得到纯度很高的硅，不过这种硅原子排列混乱，会影响电子运动，就叫多晶硅吧。
把多晶硅熔化了，按特定方法旋转提拉，就可以拉制成原子排列整齐的单晶硅。
所以成品就长这样：
硅的主要评判指标是纯度，你想想，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。
无论啥东西，纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求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），几乎全赖进口，直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产，只是目前产量少的可怜，还不及进口的一个零头。难得的是，鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国，品质应该不错。不过，30%的制造设备还得进口……
电子级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。
把单晶硅圆柱切片，就得到了圆形的硅片，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，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。
晶圆加工的过程相当繁琐，咱说个大概轮廓，谢绝专业人士挑刺。首先在晶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，可以用非常精细的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。然后，用等离子体这类东西冲刷，裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。再用离子注入机在沟槽里掺入磷元素，加热退火处理，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，用刻蚀机刻沟槽，用离子注入机撒上硼，就有了P型半导体。
整个过程有点像3D打印，把器件一点点一层层装进去。
这块晶圆上的小方块就是芯片，一块晶圆可以做多个芯片。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？这个问题很有意思。一块300mm直径的晶圆，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自给自足，而且性能杠杠的，因为军用不计较钱嘛！可以把芯片做的大大的。另外，越大的硅片遇到杂质的概率越大，所以芯片越大良品率越低。总的来说，大芯片的成本远远高于小芯片，不过对军方来说，这都不叫事儿。
除了成本之外，大芯片的布线比小芯片更长，所以延时也更明显，驱动电流也大很多，由此导致整体设计更臃肿，性能上还是会吃亏。反正，小芯片就是比大芯片好用。
第三，架构。
用70亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路，想想就头皮发麻！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。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。
这么复杂的设计，必须得先有个章法。七十年代，英特尔率先想出了一个好办法：X86架构。详细内容不提了，简单来说，这架构虽然能耗高点、体积大点，但性能那是嗖嗖的，几乎垄断了电脑芯片市场，成就了如日中天的英特尔。
这相当于，英特尔提出造汽车用4个轮子，以后其他人想造4个轮子的汽车，就得先付授权费。这尼玛怎么忍，随后英国ARM公司提出了2个轮子的汽车方案：ARM架构。
毫无疑问，2个轮子肯定跑不过4个轮子，ARM架构虽然省电小巧，但性能实在有点寒碜，于是一直被英特尔摁着打。ARM熬到了九十年代，终于熬不住了，决定不再生产芯片，而是将ARM架构授权给其他公司生产，赚点授权费，这才保住了一条命。人算不如天算，进入21世纪，智能手机横空出世，芯片的能耗和体积一下成了关注点，于是ARM架构一飞中天，几乎垄断了手机芯片。
小结一下：
1）X86架构，能耗高、体积大、性能强。
2）ARM架构，能耗低、体积小、性能弱。
于是，一个占了电脑，一个占了手机，直到今天，仍是主流设计方案。至于其他3个轮子或5个轮子的汽车，多多少少还是有些劣势，没有形成主流。
决定汽车用几个轮子，距离造出汽车还差得很远。有了基本架构，后面的设计依然是漫漫长征路，所以还得要有好工具：EDA软件。Synopsys，Cadence，Mentor，三巨头几乎垄断了全球EDA市场，一水儿的美帝公司。直到最近，熬了三十年的华大九天终于露头了，这家中国电子信息产业集团的二级公司，连续多年以50%的年增长率狂追，算是站稳了脚跟。
虽然借助EDA软件的仿真功能可以判断电路设计是否靠谱，但要真正验证这种精巧线路的靠谱程度，只有一种办法，那就是：用。广泛的用！长久的用！正因为如此，芯片设计不光要烧钱，也需要烧时间，属于试错周期较长的核心技术。
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：既设计又制造、只设计不制造、只制造不设计。
第四，设计制造。
但凡要处理信息，基本都有芯片，包括通信芯片、服务器芯片、手机芯片、电脑芯片等等。早期的芯片复杂程度不算夸张，所以设计制造可以在同一家公司完成，最有名的是美国英特尔、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；中国台湾的旺宏电子等。外国、台湾、大陆三方，大陆的起点最低，早期的产品多集中在家电遥控器之类的低端领域，手机、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。大名鼎鼎的高通就不多说了，世界上一半手机装的是高通芯片，AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。电脑和手机是芯片市场的两块大蛋糕，全是美国公司，世界霸主真不是吹的。
台湾联发科走的中低端路线，手机芯片的市场份额一度排第三，很多国产手机都用，比如小米、OPPO、魅族。不过后来被高通干的有点惨，销量连连下跌。
华为海思是最争气的，手机处理器芯片麒麟，市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会，海思芯片的进步真的相当不错。最近华为又推出了服务器芯片鲲鹏920，5G基站芯片天罡，5G基带芯片巴龙5000，性能都是世界顶级的，隐隐看到了在芯片设计领域崛起的势头。
展讯是清华大学的校办企业，比较早的大陆芯片企业。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，产品应用于电视、便携式电子产品等领域，还挺滋润。在大陆的芯片设计公司，台湾顶住了小半边天，另大半边天原本是塌着的，现在华为算是撑住了。
还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾最大的企业：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。
没错，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。
大陆最大的代工厂是中芯国际，还有上海华力微电子也还不错，但技术和规模都远不及台湾。最近台积电开始布局大陆，落户南京，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。
大陆中芯国际的14nm生产线刚刚上路，还在尚需努力的阶段。美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力；台积电已上线了7nm工艺，稳稳压过三星，首批客户就是华为的麒麟980芯片。
悄悄说一句，三星和台积电的大股东都是美帝财阀，不然人家怎么能叫美帝呢？
第五，核心设备。
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。光刻机，荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下！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。
阿斯麦是全球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，不过最近听说莫名其妙被烧了，得延期交货。
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，中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。
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。
2018年底有则消息让人惊出一身冷汗，最早中科院只是淡淡说了句光刻项目通过验收，然后铺天盖地的“中国光刻机终于翻身农奴把歌唱”，闹到最后连人民日报都坐不住了，直接批“国产光刻机自嗨文”误导公众，损坏中国科研形象。引一句原文：“这台光刻机要想应用于芯片，还要攻克一系列技术难题，距离还相当遥远。”
相比于光刻机，中国的刻蚀机要好很多，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。
不过离子注入机又寒碜了，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。
第六，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。封测又是台湾老大哥的天下，排名世界第一的日月光，后面还跟着一堆实力不俗的小弟：矽品、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。
七、小结
这全景图大概描述了从硅片到芯片的全过程及中国的设备制造商，绝对是业内专家所做，值得一看。
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？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。
从研发的过程来看，需求不缺，资金不缺，只要烧足了时间，没理由烧不出芯片。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，虽然市场份额不多，但每个领域都参了一脚，而且势头不错，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，作为其根基的能带理论竟然只是个近似理论，电子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，顶多再加个光子，至于其他几百种粒子，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？你还能继续烧吗？1nm差不多就是几个原子而已，量子效应非常显著，作为基石的能带理论就不好使了，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，烧的异常惨烈，100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。
不能光折腾电子了，为了把中微子也用起来，咱赶紧呼吁更多孩子学基础科学吧！
