筆者認為(wei) “兩(liang) 彈一星”從(cong) 發展條件看，比“國產(chan) 芯片”難得太多了。但從(cong) 涉及的科技領域的廣度看，發展“國產(chan) 芯片”應該是更難一些。這不是否定前者的難度，在物資極度匱乏的條件下，“兩(liang) 彈一星”人克服千難萬(wan) 險取得任務圓滿成功，是很了不起的曆史壯舉(ju) 。但從(cong) 涉及的科技領域的廣度看，發展“國產(chan) 芯片”的任務也非常艱巨。另外，搞芯片的難度還在於(yu) 芯片應用廣泛，要滿足眾(zhong) 多用戶的性能和體(ti) 驗要求比較困難。例如手機，隻有大眾(zhong) 願意買(mai) 單才會(hui) 成功，否則就不算成功。而“兩(liang) 彈一星”的目標很明確，目標實現即是成功。

下麵就聊聊搞芯片的各種難。
 

造芯片之難，雖沒有難於(yu) 上青天，但卻是讓中國高科技發展麵臨(lin) 前所未有的困難。這個(ge) 集多種學科之大成的領域，確實不是一時半會(hui) 兒(er) ，想突破就能突破的。“不經曆風雨，怎麽(me) 見彩虹，沒有人能隨隨便便成功”。隻有充分認識困難，克服困難，“把握生命裏的每一分鍾，全力以赴我們(men) 心中的夢”，芯片實現自主可控的中國夢才能實現。下麵就從(cong) 9個(ge) 方麵，看看發展芯片產(chan) 業(ye) 到底有多難。

1.學科交叉

芯片是一門多學科綜合應用的的技術。其中包括固體(ti) 物理學、量子力學、熱力學與(yu) 統計物理學、幾何光學、材料科學、化學，還涉及電子線路、信號處理、計算機輔助設計、自動控製、測試和加工、圖論等多個(ge) 領域。所以需要許多跨領域專(zhuan) 業(ye) 人才的積累，需要產(chan) 業(ye) 鏈各環節的緊密合作。例如化學，芯片製造流程中的化學反應有100多種。隨著新材料應用和工藝進步，芯片製造中還會(hui) 不斷利用新的化學反應過程。

 

2.精密至極

瑞士手表佳天下，瑞士工匠以精湛、精密的製表技藝雄霸世界。但是手表的精密性與(yu) 芯片相比，卻是小巫見大巫。我們(men) 拿根頭發來對比一下，看看芯片中電路是何等的的精細和密集。

人類頭發的直徑一般是0.1mm。把一根頭發切斷，在顯微鏡下看，發絲(si) 的橫切麵是直徑0.1mm（即100μm）的圓。圖4可以看到芯片上的晶體(ti) 管（圖中箭頭所指的小紅點，麵積在1μm x 1μm以內(nei) ）相對於(yu) 頭發橫切麵是多麽(me) 微小。現在的晶體(ti) 管還可以做得更小。晶體(ti) 管雖然微小，但它的結構並不簡單，它是由多層物質和多個(ge) 條塊結構組成（圖示在虛線框中）。

 

假如要在發絲(si) 橫切麵大小的矽片上製作集成電路，按照台積電（TSMC）7nm的邏輯工藝，這個(ge) 麵積上可以並排製造2127根連線（100000nm/47nm，47nm是線寬7nm加上連線間距40nm）。當然集成電路不是簡單的連線，它由複雜的電路布圖組成的。圖4中部圓裏的圖案，表示發絲(si) 橫切麵大小的矽片上可製造的電路圖案，線條精細度為(wei) 7nm的。芯片的“精密至極”實至名歸。今天，用戶要求很高，芯片人不得不沿著“麵積縮小，性能增加”的摩爾魔鬼定律一條道走到黑。

3.規模巨大

芯片規模大小是指芯片中集成的晶體(ti) 管、存儲(chu) 單元、電阻、電容等元件數量多少。芯片功能越複雜，集成的元件數量越多，芯片規模就越大。目前，麵積不到1cm²的CPU芯片中可集成多達幾十億(yi) 隻晶體(ti) 管，存儲(chu) 器芯片中可集成多達數萬(wan) 億(yi) 個(ge) 存儲(chu) 單元。例如蘋果公司iphoness6的CPU芯片A8（最新款是A11）集成了20億(yi) 隻晶體(ti) 管，麵積隻有89.25㎜²（8.5mm×10.5mm），采用20nm的製造工藝，也就是說芯片中電路的最窄線寬是20nm。長江存儲(chu) 128層3D Nand閃存芯片X2-6070的容量為(wei) 1.33Tb，即單芯片中至少集成了1.33萬(wan) 億(yi) 個(ge) 存儲(chu) 單元。而且隨著製造工藝的進步，芯片規模還會(hui) 繼續增大。

說這多還是沒有感覺？那就用有形東(dong) 西的麵積做個(ge) 對比吧！

人眼看5mm寬的線條才能看得清楚和舒服。所以，若要看看A8芯片中晶體(ti) 管規模有多大、電路有多複雜，就要把20nm的線寬放大到5mm寬，放大倍數是250000倍（25萬(wan) 倍）。這時，A8芯片的麵積就達到5.578平方公裏，大約是半個(ge) 成都灣高新園區的麵積（11.5平方公裏）。你將會(hui) 看到震撼的畫麵！在半個(ge) 成都灣高新園區的平麵上，布滿了由5mm寬的線條縱橫交錯連接構成的“電路森林”。把20億(yi) 隻晶體(ti) 管平均開來，在每1平方米的麵積上就集成了358個(ge) 晶體(ti) 管以及電路連線，連線寬度隻有5mm。
你如果還想鑽進這個(ge) “電路森林”看看，就把A8芯片再放大500倍，麵積達到了139.45萬(wan) 平方公裏。在這個(ge) 比西藏麵積還大的平麵上，布滿了2.5米寬的線條縱橫交錯構成的“電路深林”。以下視頻展示芯片無限放大，人們(men) 可飛入芯片中的“電路森林”，看看集成電路的精密和電路規模的巨大。
 

5.極其複雜

芯片的複雜性是由精密至極和規模巨大兩(liang) 個(ge) 特點決(jue) 定的，主要包電路結構、EDA工具、製造設備、製造程序、條件保障等方麵的複雜性。

電路結構複雜：芯片應用五花八門，芯片內(nei) 部的結構也千變萬(wan) 化。最複雜的芯片當屬CPU、GPU、人工智能等芯片，數十億(yi) 隻晶體(ti) 管連接成預設的電路功能，在軟件配合下完成像人的大腦一樣的工作，複雜性和難度可想而知。

EDA工具複雜：EDA工具軟件就是電子設計自動化軟件（Electronic Design Automation）。開發EDA工具雖然是寫(xie) 軟件，但它離不開芯片製造技術方麵的知識的積累。這樣的軟件要能把數十億(yi) （甚至更多）晶體(ti) 管擺放在麵積不到1cm²（甚至更小）的矽片上，並且連接成想要的電路功能。同時，還要具有仿真和驗證功能，保障送去芯片製造廠（晶圓廠）的設計數據萬(wan) 無一失。隨著製造技術的更新和換代，EDA工具還要隨之更新和升級。EDA工具軟件是最難設計的軟件。

製造設備複雜：芯片製造用到的設備很多，主要包括單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射台、化學機械拋光機、光刻機、刻蝕機、離子注入機、晶圓減薄機、晶圓劃片機、引線鍵合機等等。大家對光刻機已不陌生，先進的EUV光刻機隻有荷蘭(lan) 阿斯麥爾（ASML）能生產(chan) ，據說其中的光源技術來自於(yu) 美國。每台高達1.2億(yi) 美元的售價(jia) ，我們(men) 有錢也難買(mai) 。光刻機的精密程度決(jue) 定了芯片製造的工藝的精度。

製造程序複雜：芯片製造過程一般包括芯片設計、晶圓片製造、晶圓上電路製作、封裝和測試等幾個(ge) 過程，其中晶圓上電路製作過程尤為(wei) 的複雜。首先是根據芯片設計數據製作多層的光掩膜（Mask）。其次是製作晶圓表麵上的電路。按照工藝和光掩膜數量，從(cong) 第一層光掩膜開始，有選擇地循環進行“晶圓塗膜、晶圓光刻顯影、蝕刻、摻加雜質、氧化膜、拋光”，返回做下一層光掩膜循環。最後是晶圓測試、劃片、封裝和成品測試。晶圓表麵電路製作程序的複雜性由光掩膜層數決(jue) 定。目前，芯片製造有時要執行100多道工序，製造程序十分複雜。

條件保障複雜：芯片製造除了設備重要外，水、電、氣的條件保障也很重要。水是純水，芯片製造廠要有高質量的純水製備能力，這裏的純水比飲用純淨水的純淨度要高。電力保障是更重要的一環，芯片製造廠要有雙變電站、雙線路的備份供電保障，防止電站和回路出現故障時停電。芯片製造廠意外停電的經濟損失很大。氣體(ti) 是指生產(chan) 中要用到十多種化學氣體(ti) 。這些氣體(ti) 按用途分可為(wei) 運載氣、保護氣和反應氣。反應氣還可細分為(wei) 外延氣、成膜氣、摻雜氣和幹刻蝕氣。主要包括氧、氫、氮、氬、氦、氫化物、鹵化物等。

6.元素超廣

世間萬(wan) 物都是由元素組成，元素周期表中羅列了地球上發現的所有元素。如果把芯片產(chan) 業(ye) 中用到的元素用彩色標出，可以看到覆蓋了一大半的元素，利用率高達52.68%。這些元素通過晶圓、靶材、氣體(ti) 、光刻膠、拋光液等形式應用在製造工藝中。這些元素利用過程既是研究、發現和創新，也是克服困難和經驗積累，從(cong) 另一方麵說明了芯片製造涉及知識之廣、造芯之難。
 

7.機器生產(chan)

芯片生產(chan) 線是全自動化的流水線。各工序節點的設備都是在參數設置好後自動工作。工序節點之間的半成品通過機器人完成運輸。技術人員隻需按生產(chan) 工藝要求設置好設備和儀(yi) 器參數即可。更自動化的目標是參數設置都無需人來完成，可通過主控網絡係統自動設置。技術人員隻需完成工藝研發、規範文件編製和生產(chan) 計劃製定。可以說芯片生產(chan) 線是智能製造的高級典範。下圖是某晶圓代工廠車間的生產(chan) 場景。
 

8.投資巨大

芯片製造投資巨大是大家公認的。新建8吋、12吋特色工藝的晶圓廠需要數十億(yi) 元～數百億(yi) 元人民幣，新建12吋晶圓代工廠需要數百億(yi) 美元的投資。武漢12吋存儲(chu) 器生產(chan) 基地投資總額高達240億(yi) 美元。近日，台積電(TSMC)宣布在美國建廠，投資額為(wei) 120億(yi) 美元。另外，芯片設計公司研發一款先進工藝的芯片投入也很大。芯片研發、流片、測試、封測等費用合計在數千萬(wan) 元～數億(yi) 元人民幣不等。因此芯片業(ye) 是燒錢的行業(ye) 。隻有對的人、在對的時間、並占據了行業(ye) 優(you) 勢地位才能賺錢。但是在國外技術封鎖條件下，芯片產(chan) 業(ye) 作為(wei) 信息技術產(chan) 業(ye) 和國防建設的基礎保障，再大強度的投入都不為(wei) 過。

9.品種繁雜

芯片廣泛應用在各個(ge) 領域。因應用環境和功能不同，芯片的品種非常多。可按照不同的關(guan) 注點進行分類，例如按電路性質分為(wei) 數字芯片、模擬芯片和數模混合芯片，包括 CPU、存儲(chu) 器、放大器、ADC、DAC等；按通用性分為(wei) 通用芯片和專(zhuan) 用芯片，包括通用邏輯門、接口電路、SOC、計量芯片等；按芯片功能分為(wei) 處理器、存儲(chu) 器、電源、接口等；按外觀和封裝形式分的話種類更多，包括DIP、SIP、CLCC、PGA、BGA等多達20種以上。芯片的外觀更是形態各異、千變萬(wan) 化。

 

芯片應用之廣實際佐證了它的重要性，重要的事情往往難度較高。芯片廣泛應用在國防軍(jun) 工、航空航天、通信導航、電子政務、消費電子、物聯網、人工智能、機器人、雲(yun) 計算、大數據、智慧城市、裝備製造等領域。隨著全球信息化和知識經濟時代的到來，芯片產(chan) 業(ye) 的戰略地位越來越重要，已成為(wei) 事關(guan) 國民經濟、國防建設、人民生活和信息安全的關(guan) 鍵產(chan) 業(ye) 。芯片和軟件一起，被稱為(wei) 信息化社會(hui) 的基石。早在二十年前就有人預言，誰控製了超大規模集成電路，誰就控製了世界產(chan) 業(ye) 。
 

現在，大家都明白了芯片產(chan) 業(ye) 的重要性，尤其是支撐產(chan) 業(ye) 發展的芯片核心技術。《國家集成電路產(chan) 業(ye) 發展推進綱要》開頭就指出，集成電路產(chan) 業(ye) 是信息技術產(chan) 業(ye) 的核心，是支撐經濟社會(hui) 發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產(chan) 業(ye) 。近兩(liang) 年美國打壓中國的高技術產(chan) 業(ye) ，就是從(cong) 芯片入手，從(cong) 核心技術方麵卡中國的脖子。雖然全球科技合作和產(chan) 業(ye) 鏈全球化布局是時代主流，但是我們(men) 可以預見，中美在芯片核心技術上的長期競爭(zheng) 將無法避免。中國要更加重視芯片核心技術研究和創新，重視補短板、強弱項工作，堅持既獨立自主又開放合作的大方向，大力促進我國集成電路產(chan) 業(ye) 上新台階。

結語：本文從(cong) 9個(ge) 方麵，分析了搞芯片的難。正因為(wei) 難，芯片產(chan) 業(ye) 才成為(wei) 當代高技術產(chan) 業(ye) 金字塔上的皇冠，才成為(wei) 美國為(wei) 了保持高科技領先地位，堅決(jue) 打壓中國的利器。十多年來，行業(ye) 人士一直宣傳(chuan) 和呼籲芯片產(chan) 業(ye) 的重要性，但效果不佳。一些人對芯片產(chan) 業(ye) 沒有感覺，原因是花錢多、太難搞、規模不大，而且認為(wei) 這是發展了60多年的舊東(dong) 西，不如物聯網、雲(yun) 計算、大數據、人工智能等，概念又新，規模又大。但是他們(men) 不明白，這些產(chan) 業(ye) 的支撐根基卻是在芯片產(chan) 業(ye) ！美國打壓中興(xing) 和華為(wei) ，讓我國民眾(zhong) 驚醒，認識到了芯片產(chan) 業(ye) 的重要性。本文希望說明發展芯片產(chan) 業(ye) 的艱巨性。隻有認識到其重要性和艱巨性，我們(men) 才能製定出正確和科學的發展路線，我國芯片產(chan) 業(ye) 自主、安全、可控的目標才能盡早實現。（轉自芯論語）