看完這個文，你還會不會無知地高喊快快造出“愛國芯”_風聞

來源： 微信公眾號  報人劉亞東 

在中國和“外國”這兩國的較量中，究竟哪一國更佔上風？有説中國吊打外國，有説外國輕鬆把中國摁

在地上摩擦，雙方都列舉了林林總總的例子，整得我們吃瓜羣眾一臉懵逼。

中間派肯定説兩國各有利弊，但這結論雖然正確卻沒啥營養。想要在這個話題上顯得有見識，得先搞明

白啥是技術？

**01.**核心技術，到底是個啥？

把技術分分類，第一類姑且叫“可山寨技術”，或者叫“純燒錢技術”，有人喜歡往左邊燒，有人喜歡

往右邊燒，於是就燒出了不同的應用技術。

這本質上是用舊技術整合出新玩意兒，比如，美帝登月的土星五號，中國的跨海大橋，小鬍子的鼠式坦

克，甚至包括長城和埃及金字塔。

打個比方，這有點像吉尼斯紀錄：最長的頭髮，最長的指甲，等等……這類東西，只要錢到位，擱誰都

燒的出，關鍵看有沒有需求，所以這些也可以叫應用技術。

比如上圖這種架橋機，幾個工業大國都能搞，但搞出來只能當玩具，只有中國搞出來才賺錢。

我國在經濟發展起來之後，迸發出海量需求，推動各種燒錢的應用技術井噴，賺了錢又可以孜孜不倦地

完善各種細節，於是，可以不吹牛的説，中國的應用技術已經和整個外國平起平坐。

第二類技術暫且叫“不可山寨技術”，或者叫“燒錢燒時間技術”，任何牛逼設備，你拼命往細拆，最

終發現都是材料技術。

做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的成分可以告訴你，但你做的菜就是沒我做的好吃，這就是核心技術。

除了生物醫學之外，核心技術説到底就是材料技術，看一串例子：

發動機，工業皇冠上的明珠，是我國最遭人詬病的短板。其核心技術説白了就是渦輪葉片不夠結實，油

門踩狠了就得散架，無論是航天發動機、航空發動機、燃氣輪機，只要帶個“機”字，我們腰桿都有點

軟。

材料技術除了燒錢、燒時間，有時還要點運氣。還是以發動機為例：金屬錸，這玩意兒和鎳混一混，做

出的渦輪葉片吊炸天，錸的全球探明儲量大約2500噸，主要分佈在歐美，70%用來做發動機渦輪葉片，

這種戰略物資，妥妥被美帝禁運。

前幾年在陝西發現一個儲量176噸的錸礦，可把國人樂的，馬上拼了老命燒錢，這幾年苦逼生活才有了

起色。

稀土永磁體，就是用稀土做的磁鐵，能一直保持磁性，用處大大的。高品位稀土礦大多分佈在中國，所

以和“磁”相關的技術，我們比美帝還能嘚瑟，比如核聚變、太空暗物質探測等。

據説，我國前幾年也對美帝禁運，逼得美帝拿錸交換，外加陝西安徽刨出來的那點錸，J20的發動機才

算有些眉目。

作為“工業之母”的高端機牀，我們基本和男國足一個水平，只能仰望日本德國瑞士。

材料是最大的限制之一，比如，高速加工時，主軸和軸承摩擦產生熱變形，導致主軸抬升和傾斜，還有

刀具磨損，等等，所以對加工精度要求極高的活，國人還是望“洋”興嘆。

光學晶體，我國的部分產品還能對美帝實施禁運，所以和光相關的技術都不弱，比如激光武器、量子通

信。氣動外形，得益於錢學森那輩人的積澱，與之相關的技術也是槓槓的。

如果我們繼續羅列，就會發現，應用寬泛的基礎性材料，中國還是落後外國，應用相對較窄的細分領

域，中國逐漸領跑。

下面，重點來了！

這種關鍵核心材料，全球總共約130種，也就是説，只要你有了這130種材料，就可以組裝出世界上已

有的任何設備，進而生產出已有的任何東西。

人類的核心科技，某種程度上説，指的就是這130種材料，其中32%國內完全空白，52%依賴進口，在

高端機牀、火箭、大飛機、發動機等尖端領域比例更懸殊，零件雖然實現了國產，但生產零件的設備

95%依賴進口。

這些可不是陳芝麻爛穀子的事情，而是工信部2018年7月發佈的數據，還新鮮着呢。

核心材料技術，説一句“外國仍把中國摁在地上”，一點都不過分。這其實很容易理解，畢竟發家時間

不長，而材料技術不但要燒錢，更要燒時間。

這裏得強調一下，應用技術並不比核心技術次要，它需要資金、需求和社會實際情況的結合，雖然外國

有能力燒，但也許一輩子都沒機會燒。

這兒肯定有人抬槓了：人家只是不願意燒，不然分分鐘秒殺你！呵呵，如果強行燒錢，後果參照老毛

子。

磨嘰半天，該回正題了，半導體芯片之所以難，是因為它不但涉及海量燒錢的應用技術，還有眾多燒錢

燒時間的材料技術。為了便於大家理解，這話得從原理説起。

02.芯片原理和量子力學

很多人覺得量子力學只是一個數學遊戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，請看示

範：

導體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，我們第一次被物理整懵的，怕是半導體了，所以先替各位的物

理老師把這債還上。

原子組成固體時，會有很多相同的電子混到一起，但量子力學認為，2個相同電子沒法待在一個軌道

上。

於是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這麼多軌道擠在一起，

不小心捱得近了，就變成了寬寬的大軌道。這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏

觀上表現為導電，反過來，電子動不了就不能導電。

好了，我們把事情説得簡單一點，不提“價帶、滿帶、禁帶、導帶”的概念，準備圈重點！

有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，於是就能自由移動，這就是

導體。一價金屬的導電原理稍有不同。

但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，也就不導電了。

但如果空隙的寬度在5ev之內，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，也就

是導電。

這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時能導電有時不能導電，所以叫半導體。

如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。當然，如果是能

量足夠大的話，別説5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。

如果你想進行1+1的加法運算，其電路的複雜程度就已經超過了99%的人的智商了，即便本僧親自出

手，設計電路的運算能力也抵不過一副算盤。

直到有一天，有人用18000只電子管，6000個開關，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一

個超級複雜的電路，誕生了人類第一台計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及現在手持計算

器的十分之一。

不知道當時的工程師為了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。

接下來的思路就簡單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那麼大的地方上呢？這就是芯片。

03.芯片製造與中國技術

為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多餘的東西全扔了，直接在硅片上製作PN結和電路。下面從

硅片出發，説説芯片的製作過程和中國所處的水平。

第一：硅

把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，切成片就是我們想要的硅片。硅的評判指標就是純

度，你想想，如果硅裏有一堆雜質，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

太陽能級高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產的，早被玩成了白菜價。

芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數了，11個9)，幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華

公司才實現量產，目前年產0.5萬噸，而中國一年進口15萬噸。

難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導體強國韓國，品質應該還不錯。不過，30%的製造設備還得進

口……

高純硅的傳統霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資)，中國任重而道遠。

第二：晶圓

硅提純時需要旋轉，成品就長這樣：

所以切片後的硅片也是圓的，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經有點耳熟了？

切好之後，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，幹這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想，以

目前人類的技術，怎樣才能完成這種操作？

用原子操縱術？想多了，朋友！等你練成御劍飛行的時候，人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種

器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。

首先在晶圓上塗一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪裏來？光刻機，可以用非常精準的光線，

在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來。

然後，用等離子體這類東西衝刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，這套設備就叫刻蝕機。在溝槽裏摻

入磷元素，就得到了一堆N型半導體。

完成之後，清洗乾淨，重新塗上感光材料，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半

導體。

實際過程更加繁瑣，大致原理就是這麼回事。有點像3D打印，把導線和其他器件一點點一層層裝進去。

這塊晶圓上的小方塊就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路並不比那台30噸計算機的

電路高明，最底層都是簡單的門電路。

只是採用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。

據説這就是一個與非門電路：

提個問題：為啥不把芯片做的更大一點呢？這樣不就可以安裝更多電路了嗎？性能不就趕上外國了嘛？

這個問題很有意思，答案出奇簡單：錢！

一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做出100塊芯片，10nm工藝可以做出210塊芯片，於是價格

就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又可以做更多研發，差距就這麼拉開了。

説個題外話，中國軍用芯片基本實現了自給自足，因為咱不計較錢嘛！可以把芯片做的大大的。

另外，越大的硅片遇到雜質的概率越大，所以芯片越大良品率越低。總的來説，大芯片的成本遠遠高於

小芯片，不過對軍方來説，這都不叫事兒。

可別把“龍芯”和“漢芯”混為一談

第三：設計與製造

用數以億計的器件組成如此龐大的電路，想想就頭皮發麻，所以芯片的設計異常重要，重要到了和材料

技術相提並論的地步。

一個路口紅綠燈設置不合理，就可能導致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結出問題，電

子同樣會堵車。

這種精巧的線路設計，只有一種辦法可以檢驗，那就是：用！大量大量的用！

現在知道芯片成本的重要性了吧，因為你不會多花錢去買一台性能相同的電腦，而芯片企業沒了市場份

額，很容易陷入惡性循環。

正因為如此，芯片設計不光要燒錢，也需要時間沉澱，屬於“燒錢燒時間”的核心技術。

既然是核心技術，自然就會發展出獨立的公司，所以芯片公司有三類：設計製造都做、只做設計、只做

製造。

半導體是台灣少有的仍領先大陸的技術了，基於兩岸實質上的分治狀態，所以中國大陸和台灣暫且分開

表述。

早期的設計製造都是一塊兒做的，最有名的：美國英特爾、韓國三星、日本東芝、意大利法國的意法半

導體；中國大陸的：華潤微電子、士蘭微；中國台灣的：旺宏電子等。

外國、台灣、大陸三方，最落後的就是大陸，產品多集中在家電遙控器之類的低端領域，手機、電腦這

些高端芯片幾乎空白！

後來隨着芯片越來越複雜，設計與製造就分開了，有些公司只設計，成了純粹的芯片設計公司。如，美

國的高通、博通、AMD，中國台灣的聯發科，大陸的華為海思、展訊等。

挨個點評幾句。

大名鼎鼎的高通就不多説了，世界上一半手機裝的是高通芯片；

博通是蘋果手機的芯片供應商，手機芯片排第二毫無懸念；

AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。

台灣聯發科走的中低端路線，手機芯片的市場份額排第三，很多國產手機都用，比如小米、OPPO、魅

族。不過最近被高通乾的有點慘，銷量連連下跌。

華為海思是最爭氣的，大家肯定看過很多故事了，不展開。除了通信芯片，海思也做手機用的麒麟芯

片，市場份額隨着華為手機的增長排進了前五。個人切身體會，海思芯片的進步真的相當不錯。

展訊是清華大學的校辦企業，比較早的大陸芯片企業，畢竟不能被人剃光頭吧，硬着頭皮上，走的是低

端路線。前段時間傳出了不少危機，後來又説是變革的開始，過的很不容易，和世界巨頭相差甚多。

大陸還有一批芯片設計企業，晨星半導體、聯詠科技、瑞昱半導體等，都是台灣老大哥的子公司，產品

應用於電視、便攜式電子產品等領域，還挺滋潤。

還有一類只製造、不設計的晶圓代工廠，這必須得先説台灣的台積電。正是台積電的出現，才把芯片的

設計和製造分開了。

2017年台積電包下了全世界晶圓代工業務的56%，規模和技術均列全球第一，市值甚至超過了英特爾，

成為全球第一半導體企業。

晶圓代工廠又是台灣的天下，除了台積電這個巨無霸，台灣還有聯華電子、力晶半導體等等，連美國韓

國都得靠邊站。

大陸最大的代工廠是中芯國際，還有上海華力微電子也還不錯，但技術和規模都遠不及台灣。

不過受制於台灣詭譎的社會現狀，台積電開始佈局大陸，落户南京。這幾年台資、外企瘋狂在大陸建晶

圓代工廠，這架勢和當年合資汽車有的一拼。

大陸的中芯國際具備28nm工藝，14nm的生產線也在路上，可惜還沒盈利。大家還是願意把這活交給台

積電，台積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業務。

美國、韓國、台灣已具備10nm的加工能力，最近幾個月台積電剛剛上線了7nm工藝，穩穩壓過三星，

首批客户就是華為的麒麟980芯片。

這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設計芯片，台積電加工芯片。

説真的，如果大陸能整合台灣的半導體產業，並利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，我們

追趕美帝的步伐至少輕鬆一半。

第四：核心設備

芯片良品率取決於晶圓廠整體水平，但加工精度完全取決於核心設備，就是前面提到的“光刻機”。

光刻機，荷蘭阿斯麥公司(ASML)橫掃天下！不好意思，產量還不高，你們慢慢等着吧！

無論是台積電、三星，還是英特爾，誰先買到阿斯麥的光刻機，誰就能率先具備7nm工藝。沒辦法，就

是這麼強大！

日本的尼康和佳能也做光刻機，但技術遠不如阿斯麥，這幾年被阿斯麥打得找不到北，只能在低端市場

搶份額。

阿斯麥是唯一的高端光刻機生產商，每台售價至少1億美金，2017年只生產了12台，2018年預計能產

24台，這些都已經被台積電三星英特爾搶完了。

2019年預測有40台，其中一台是給咱們的中芯國際。

既然這麼重要，咱不能多出點錢嗎？

第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，台積電有5%，三星有3%，有些時候吧，錢不是萬能的。

第二，美帝整了個《瓦森納協定》，敏感技術不能賣。

有意思的是，2009年上海微電子的90納米光刻機研製成功(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上

設備銷售給中國。

後來，中國開始攻關65nm光刻機，2015年美帝允許65nm以上設備銷售給中國，再後來美帝開始管不

住小弟了，中芯國際才有機會去撿漏一台高端機。

不過咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產公司，銷售額輕鬆秒殺阿斯麥，哦耶！

重要性僅次於光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經量產運行，7-10nm刻蝕機也在

路上了，所以美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。

在晶圓上注入硼磷等元素要用到“離子注入機”，2017年8月終於有了第一台國產商用機，水平先不提

了。離子注入機70%的市場份額是美國應用材料公司的。

塗感光材料得用“塗膠顯影機”，日本東京電子公司拿走了90%的市場份額。即便是光刻膠這些輔助材

料，也幾乎被日本信越、美國陶氏等壟斷。

2015年至2020年，國內半導體產業計劃投資650億美元，其中設備投資500億美元，再其中480億美元

用於購買進口設備。

算下來，這幾年中國年均投入130億，而英特爾一家公司的研發投入就超過130億美元。

論半導體設備，中國，任無比重、道無比遠啊！

第五：封測

芯片做好後，得從晶圓上切下來，接上導線，裝上外殼，順便還得測試，這就叫封測。

封測又又又是台灣的天下，排名世界第一的日月光，後面還跟着一堆實力不俗的小弟：矽品、力成、南

茂、欣邦、京元電子。

大陸的三大封測巨頭，長電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯，畢竟只是芯片產業的末端，技

術含量不高。

（按：最新的消息，紫光29.18億台幣入股第一封裝大廠日月光：佔股30％）

04.説説我們的中國芯

説起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學微電子學院院長陳進教授從美國買回芯

片，磨掉原有標記，作為自主研發成果，騙取無數資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空

前！以致於很長一段時間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了芯片行業的正常發展。

硅原料、芯片設計、晶圓加工、封測，以及相關的半導體設備，絕大部分領域中國還是處於“任重而道

遠”的狀態。

那這種懵逼狀態還得持續多久呢？根據“燒錢燒時間”理論，掐指算算，大約是2030年吧！

國務院印發的《集成電路產業發展綱要》明確提出，2030年集成電路產業鏈主要環節達到國際先進水

平，一批企業進入國際第一梯隊，產業實現跨越式發展。

當前，中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實現零突破的階段，雖然市場份額微乎其微，但每個領域都

參了一腳，前景還是可期待的。

05

芯片的極限在哪裏

文末，習慣性抱怨一下人類科技的幼稚。

芯片，作為大夥削尖腦袋能達到的最高科技水準，其基礎的能帶理論竟然只是個近似理論，電子的行為

仍然沒法精確計算。

再往大了説，別看現在的技術紛繁複雜，其實就是玩玩電子而已，至於其他幾百種粒子，還完全不知道

怎麼玩！

芯片加工精度已經到了7nm，雖然三星吹牛説要燒到3nm，可那又如何？

你還能繼續燒嗎？1nm差不多就是幾個原子而已，量子效應非常顯著，近似理論就不好使了，電子的行

為更加難以預測，半導體行業就得在這兒歇菜。

燒錢也好，燒時間也罷，燒到盡頭就是理論物理。基礎科學除了燒錢燒時間，還得燒人，燒的異常慘

烈，100個高智商，99個都是墊腳石！

工程師可以半道出家，但物理學家必須科班出身，基礎科學在中國被忽視了五千多年，如今每年填報熱

度還不如耍戲的。

不能光折騰電子了，為了把中微子也用起來，咱趕緊忽悠，哎，不對，是呼籲更多孩子學基礎科學吧！