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白话讲芯片 好懂接地气

[color=rgba(0, 0, 0, 0.298039)]原创[/color] [color=rgba(0, 0, 0, 0.298039)]Archie Luo[/color] 政经内外 昨天

虽然芯片应用距离大家很近，比如日常使用的，有程序控制部分的手机家电等数码机械电子产品，但是芯片设计生产环节，却是远离绝大多数人的经验之外。我当然也不例外。

为了更好的理解芯片，我专门采访了业内专业人士。写了这篇心得。不是为了什么科普，咱不做那种不自量力的事情，而是为了自己今后在遇到这个话题的时候，心中有个大概的标尺，来模糊度量一个大致轮廓而已。毕竟无数富有才华的青年精英在这个领域挥洒了无尽的汗水。

而且国家战略发展，芯片的重视程度也同步提高到了空前地位。即使我们参与不了，但是在讨论的时候，也能基本上大致地在同一个频道上，而不至于鸡同鸭讲吧。所以为了控制篇幅，不求详尽、严谨和精确，只是方便迅速搭建起关于芯片的整体框架，方便大家理解和今后交流。下面开正文：

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造芯片第一步，晶圆

所谓晶圆，就是将单晶硅制成品圆柱体，沿着圆面横向切割出来，变成一片片的圆形硅晶片，也就是所谓“晶圆”。巧妇难为无米之炊，造芯片是“炊”，那么晶圆就是“米”。芯片的物理载体就是硅，一切美味佳肴，都是在这片薄薄的硅晶片上做文章。

一片硅晶片，尺寸可大可小，目前以8英寸和 12 英寸为主。在这一片硅晶片上，再根据工艺尺寸的不同，也就是经常讲到的7nm、5nm，可以“光刻”出几万个甚至几十万个的芯片。所谓光刻，就是用激光雕刻。尽管“雕刻”这个词不精准，但是就这样粗暴的先用了再说。森林的轮廓出来后，再较真森林里面的一个树木是“雕刻”还是“蚀刻”才有意义。 

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激光雕刻究竟是雕刻的什么东西出来？

这个问题很简单，激光雕刻的就是一个个的二极管、三极管、电阻、电容、电感和连接他们之间的导线。什么？它们难道不是一个个组装拼装起来的？这些电子元器件电阻电容还可以雕刻出来？是的，这简直就是袖里乾坤！

不好理解，可以简单打个不形象的比方，很多地方大门口摆放的有石狮子，稍微观察，狮子嘴巴里面往往会有个石球，而且还是活动的，可以转动，但是不能从狮子嘴巴里面拿出来。一般手艺高的石匠师傅都是在狮子嘴巴里雕刻掏空的时候同时把这个石头球雕刻出来，浑然天成，而且不大不小，刚好可以在嘴巴里面活动，而又不至于掉落出来。手艺差或者省事的石匠就会直接掏空狮子嘴巴，然后再开一个豁口，将机器加工的石头圆球塞进狮子嘴巴后，再将豁口用石头胶水修补起来。激光雕刻，就是在硅晶片这个“石头狮子”上，用它自身的材料雕刻出“嘴巴里面的石头球”——电阻电容晶体管甚至导线。

激光雕刻究竟是雕刻的什么东西出来？
这个问题很简单，激光雕刻的就是一个个的二极管、三极管、电阻、电容、电感和连接他们之间的导线。什么？它们难道不是一个个组装拼装起来的？这些电子元器件电阻电容还可以雕刻出来？是的，这简直就是袖里乾坤！
不好理解，可以简单打个不形象的比方，很多地方大门口摆放的有石狮子，稍微观察，狮子嘴巴里面往往会有个石球，而且还是活动的，可以转动，但是不能从狮子嘴巴里面拿出来。一般手艺高的石匠师傅都是在狮子嘴巴里雕刻掏空的时候同时把这个石头球雕刻出来，浑然天成，而且不大不小，刚好可以在嘴巴里面活动，而又不至于掉落出来。手艺差或者省事的石匠就会直接掏空狮子嘴巴，然后再开一个豁口，将机器加工的石头圆球塞进狮子嘴巴后，再将豁口用石头胶水修补起来。激光雕刻，就是在硅晶片这个“石头狮子”上，用它自身的材料雕刻出“嘴巴里面的石头球”——电阻电容晶体管甚至导线。

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为什么要雕刻？集成电路是必需吗？
回答这个问题，先看看不集成电路的先例，不妨想想世界上第一台电子计算机的诞生。它占地150平方米，一个三居室的房子都装不下。体重达30吨，差不多一个坦克的吨位。功耗150千瓦，耗电量惊人。而且使用后维护起来也是相当麻烦，由于损耗，经常性需要更换元器件。所以，至于家庭使用，那是想都不敢想的。
所以集成电路在这种强烈的需求下诞生了。而所谓激光雕刻，不过是将上面非集成的一个个分开摆放布置的电阻电容电子管，甚至连接导线，统统用激光雕刻的方式，在一块硅晶板上面，通过晶体硅的物理特性，来纤毫毕现的搭建出来。
也就是说，雕刻才能满足集成电路的需要。单位体积内的电子元器件越多，它的计算处理能力就越强大。同样多的电子元器件，尺寸越小，它的功耗散热也就越小，同时由于导线缩短，电流通过时长随之缩短，处理速度也越快。所以，雕刻不断进化的结果就是，“刻刀”的尺寸越来越小。所谓7nm、5nm，就是不断做小尺寸。
其实，市场也会给出自己的选择，试想，两个手机，一个是性能单一而且体积过大不方便携带的大哥大，另一个是性能卓越，拍照看视频玩游戏流畅顺滑的苹果12，你说大多数人会选哪一个呢？排除那些收藏家以及杠精和装逼犯，答案不是很明显的吗？

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为什么一定要在硅晶片上雕刻？换做别的材料不行吗？ 
这个就是说雕刻的底材符不符合石匠或者木匠们的要求了，否则，不是烂泥巴扶不上墙，朽木不可雕吗？雕出来一堆垃圾有什么用呢？20世纪前后，随着理论物理的不断探索和应用技术的不断完善，前辈物理学家在之前牛顿力学的经典物理世界继续挖掘，发现了微观世界更为奇妙的物理原理。硅这种材料特性的发现就是诞生在这样的基础之上。根据导电性能，硅，介于导体和非导体（绝缘体）之间。所以称为半导体。而且硅内部原子排列呈现一定规律性，所以又称作硅晶体。这也就是晶体管名称的由来，所谓晶体管，就是用晶体材料做成的管子。
人们继续研究发现，由于晶体中掺杂不同的杂质，会导致晶体呈现不同的导电特性，常见就是P型半导体或N型半导体。两个合在一起，形成PN结，因为它呈现了又一个奇怪的现象，就是单向导电。这使它可以制成半导体二极管，而满足在电子电路中的各种可控功能实现。这个就非常方便操作了，因为在激光雕刻（这里可以理解为“蚀刻”）的过程中，会根据需要加入“私货”杂质，来实现不同的功能需求，当然，还有其它更多的物理特性，这就注定了，芯片只能以硅、锗等材料为原料。但是大多数人选择了硅作为主要材料。也就一直沿袭下来了。
目前，由于在硅纯度（由于芯片太小，硅纯度的一粒灰就是芯片上的一座山）的提炼方面和现代企业生产管理方面长时间积累起来的优势，全球硅晶圆主要集中在以下五家公司，日本的信越、胜高，台湾的环球晶圆，德国的Silitronic、南韩LG等，它们共占全球市场90%以上份额。
为什么一定要在硅晶片上雕刻？换做别的材料不行吗？ 
这个就是说雕刻的底材符不符合石匠或者木匠们的要求了，否则，不是烂泥巴扶不上墙，朽木不可雕吗？雕出来一堆垃圾有什么用呢？20世纪前后，随着理论物理的不断探索和应用技术的不断完善，前辈物理学家在之前牛顿力学的经典物理世界继续挖掘，发现了微观世界更为奇妙的物理原理。硅这种材料特性的发现就是诞生在这样的基础之上。根据导电性能，硅，介于导体和非导体（绝缘体）之间。所以称为半导体。而且硅内部原子排列呈现一定规律性，所以又称作硅晶体。这也就是晶体管名称的由来，所谓晶体管，就是用晶体材料做成的管子。
人们继续研究发现，由于晶体中掺杂不同的杂质，会导致晶体呈现不同的导电特性，常见就是P型半导体或N型半导体。两个合在一起，形成PN结，因为它呈现了又一个奇怪的现象，就是单向导电。这使它可以制成半导体二极管，而满足在电子电路中的各种可控功能实现。这个就非常方便操作了，因为在激光雕刻（这里可以理解为“蚀刻”）的过程中，会根据需要加入“私货”杂质，来实现不同的功能需求，当然，还有其它更多的物理特性，这就注定了，芯片只能以硅、锗等材料为原料。但是大多数人选择了硅作为主要材料。也就一直沿袭下来了。
目前，由于在硅纯度（由于芯片太小，硅纯度的一粒灰就是芯片上的一座山）的提炼方面和现代企业生产管理方面长时间积累起来的优势，全球硅晶圆主要集中在以下五家公司，日本的信越、胜高，台湾的环球晶圆，德国的Silitronic、南韩LG等，它们共占全球市场90%以上份额。

[Slowbro]

森林里面的一个树木

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造芯片第二步，芯片设计和总体架构。

大家在网络上追奇猎艳，广收博览的时候，应该看到过在米粒上刻字作画的艺术品。米粒那么小的地方，竟然还可以如此大有可为，令人叹为观止。与此类似，在极小的硅晶片上精雕细琢，则远非人力所能为了。在硅晶片上雕刻，远不是画一幅画那么简单，它已经不再是平面的了，而是立体的，是一个完整的复杂的综合大楼，而且，由于工业化大规模生产，必须保证所有的雕刻都必须是可以精确重复的。所以必须借助专用工具进行绘图设计。
芯片设计与总体架构是两码事，这个还是拿个大家熟悉的例子做比方，方便大家理解。比如工业界的明星，汽车设计。经过这么多的发展，汽车的设计总体上是有一个基本的总体架构的，无论什么样的汽车，终归离不开这么这点——四个轮子，一个底盘，刹车系统，方向控制系统。它们构成了所有汽车设计的起点。这个总体架构就叫做“公版”。有了公版这个基础总体架构，再设计什么样的外形，使用多大排量的发动机或者还是直接上电动机，选择什么样的内饰风格，这就是汽车设计的具体事情了。汽车设计是基于总体架构来进行的。一个为里，一个为表。基于各项安全、性能、成本以及视觉效果、驾驶体验等方面的附加物，是在满足总体架构的基本需求上完成的。

了解了汽车设计，再来看芯片设计。我们平时讲的芯片设计，其实就跟上面谈的汽车设计一样，绝大多数厂商，做芯片设计，实际上是在公版总体架构确定的基础之上，再继续研发完善功能细节。

芯片的公版总体架构，目前是高度垄断集中在英国ARM公司，尤其是在智能手机和平板电脑领域，占有全球95%的市场份额。而各大芯片设计厂商，包括Intel、AMD、高通、苹果、德州仪器、华为海思等等，都是基于ARM公版的总体架构来进行芯片设计和开发的。
有人可能会问，能不能不采用ARM公版，而自行设计总体架构呢？这个问题，还是通过汽车总体架构来说明，一辆汽车，检验性能的时候基本是在飞速行驶过程中，所以对于各种苛刻的自然气候环境有着严酷的标准，你不能说跑着跑着刹车系统失灵了，或者是爬坡爬到半路熄火了，或者零下温度，启动不了。或者参加个沙漠越野，结果趴窝了，再或者跑到高原地带，汽车没劲了。

总体来说，总体架构的公版设计是考虑了最基本的各种复杂因素的。对于整体稳定性和出错率有着高度的控制。自行研发当然不是不可以，但是必须考虑到有没有足够的财力人力支撑这个自主研发，而且，研发出来的处理器架构如果控制不了稳定性，一次客户大规模的出错率基本就断送了前期所有的研发努力。市场会本能的自动避而远之，再也不会选择使用你的产品。那么前期投入的人力财力不就是完全打水漂了吗?

总有人认为，人定胜天，人的意志可以转移很多不可抗力。但是这种试错的代价却不是人的意志可以转移的。一个公司除了在基础学科要储存大量的人才，同时在实践操作中，也要有充足的试错经验。交足学费！因为，由于芯片实际运行过程中的一些意外，一些干扰项目是不可能提前预见到的。只能在经验中摸索调整，并根据经验不断改进。每个人的经验是不同的。

积累经验的过程可以加速，但是不能跳过。这个就是一个无法短期内跨越的障碍。因为在这个模型中，时间本身是无法压缩的。你要想加速经验的积累，只要不断延长积累的时间，但是一天只有24小时。你在进步，别人也没有干坐在那里白等着。
所以抛开ARM公版总体架构不论，目前我国芯片设计的现状究竟怎么样呢？从芯片功能和应用场景的从简单到复杂，从易到难，可以这么捋一捋。

最简单的芯片设计，比如微波炉、空调、洗衣机、测量仪等领域，其实中国已经实现部分国产了。之所以格力空调董明珠总是被取笑，一旦真造芯片，结果股价下跌的事情，只能是个段子而已。董明珠所称的芯片不是大家想当然的手机芯片。而是空调芯片。这种工业控制领域里的芯片的发热、功耗、性能等要求远没有消费电子那么高。

比如，在今年年初，格力电器回复投资者提问的时候，董秘是这样讲的：“您好！公司2019年使用自主研发芯片破千万颗，已实现不依赖进口，自主可控。公司将继续坚持芯片的自主研发、打造高科技产品；掌握发展主动权，作为创造者为全世界服务。感谢关注！”上市公司，影响面大，一言一行都广受大家关注。没有足够的底气，是讲不出来这种话的。

说到国产，这个不要误会，有必要强调一下，所谓国产基本上都是指自主设计“国产”，芯片的具体生产，还是台积电这样的公司在代工。你提供设计“图纸”，台积电按图“施工”而已。光刻机除了供货给Intel和三星这样的IDM工厂（垂直整合芯片完整设计、生产制造、封装测试），更多的是提供给台积电、中芯国际这些代工企业生产制造使用的。他们可以通过大规模生产代工的方式来摊薄成本。要知道，一台光刻机的价格，绝对不是一个小数目。如果一个企业只是为满足自己的部分产品芯片需求，而选择购买光刻机，这个生产成本是无论如何都难以承受的。另外，还有要补充的一点就是，最基本的芯片设计的总体架构公版设计，这个主要还是基于英国ARM公司的公版授权。中高端芯片也是一样。

在更具难度的中端芯片设计领域，比如手机、平板电脑、智能电视、电脑等领域，中国部分公司比如华为、中兴、清华紫光展讯、等等已经有了一部分积累和应用。当然，如前面强调讲的，这些公司的芯片设计，主要还是基于ARM公版总体架构来进行的。生产制造等领域也主要是代工厂加工来实现的。

顺带说一句，上海微电子，主要业务不是芯片设计生产制造，而是光刻机的设计生产制造，也是国内第一家同时唯一一家光刻机企业，上海微电子所主要攻克的也只是低端芯片市场。
在高难度的高端芯片领域，比如一个城市只有一台的巨型路由器芯片，这个由于收发处理的数据量太过庞大，对运算要求极高，同时对稳定性也要求极高，容错率控制在极低水平。这样的芯片，中国仍是一个巨大的短板。一般大家是不了解的。

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造芯片第三步，光刻机进场按图施工

芯片的生产制造环节，就只能是光刻机来完成了。与网络流传出来的视频所宣传的那样，这个就完全是一个超精密机械光电一体化了。标标准准的跨学科领域的产物。也是中国最大的短板。因为涉及到多个领域：精密控制、程序控制、稳定性控制、质量控制。
你想呢，硅原子尺寸是111pm，9个硅原子连起来999pm≈1nm。5nm级别的光刻机，可以说是要达到原子级别的光滑程度了。它是绝对不能“抖动”的。如果像大学食堂盛菜阿姨的手那样抖动，莫要说5nm了，莫说造芯片了，基本上是啥子都造不了！经验的积累是无可替代的。要在这里领域里干出成绩，不但要有人才，要有多个学科长时间的磨合，还有有不断试错的经验积累和及时矫正。同时，还有能够被市场接受，被允许。因为只能在发展中不断追赶，别人不可能干坐在那等着你追过来，你发展的同时，别人也在发展。结合前面讲的，大概了解知道下就行了。这个领域，按照专业人士的乐观估计，最少十几年时间，是硬杠杠的。

我在上一篇文章里就讲过，就是中国首个“芯片大学”，拟挂牌成立的南京集成电路大学，这就是地方整噱头引流国家资源的一个包装伎俩而已。
（详情参看：犹抱琵琶半遮面  “芯片大学“究竟怎么回事？）即使芯片自主化被提到国家战略，最后的局面也绝对不会是完全排他性的中国芯片全产业链一家独大，最好的结果也不过是占据芯片产业链中的一环，并通过市场份额锁定来形成不可替代的效应，并与芯片产业链上其它环节紧紧捆绑在一起。有些事情可以被压缩，但是绝对不能被省略。



时间有限，篇幅也够长了，涉及到更下游的操作系统和驱动以及应用生态，有机会再讲。简单提一句就是，这个领域，基本上都是基于Linux操作系统，安卓也基本上是在Linux操作系统的基础上添加了通用功能，比如音乐播放、蓝牙、WIFI等集成功能。他已经不是一个系统了，而是一个平台了，一个融合了系统加成熟软件的平台。

苹果iOS系统就不说了，自主操作系统取代不了安卓，主要不是技术问题，因为都是Linux操作系统，这个是开源系统，代码完全公开。之所以取代不了，主要是一个路径定理，人们已经用安卓用的非常习惯了。贸然再开发一个新的操作系统，缺乏足够的应用生态。这对于那些应用APP开发公司来讲，成本巨大，因为要为一个基本没有用户的系统重新开发一套在这个平台上运行的全新的应用程序，明眼人一看，就不干嘛。花费大量时间、人力、财力，根本没有几个人用，这还有什么意义呢？不管是从财务角度，还是从价值实现角度。

[Baiedurfe]

食堂阿姨估计都是网球肘