芯片为什么会被卡脖子的挑战

大多数人关注到芯片，还是因为现在它出问题了。美国颁布禁令，不让台积电再给华为生产芯片。为什么芯片产业会有“卡脖子”的问题呢？人家封杀我，我自己做不行吗？还真不行，至少现在还不行。

我们从芯片技术的本质出发，说明了在信息时代，芯片的核心地位，它是所有信息技术的基石，是必不可少的组成部分。

1、只有最高端的芯片才会被卡脖子

请注意，我先要说明，其实不是所有芯片都被卡脖子了。

跟大多数人想象的不同，目前缺芯最严重的，不是手机、电脑、内存等，而是很多人眼中使用“落后”制程的物联 、电源管理、显示驱动、传感器等芯片。

比如说，那些事关国防应用的核心级别芯片，我们完全能够自主生产，满足所有的国防需要。

国际上，通常以28纳米为分水岭，将芯片制造工艺分为先进制程和成熟制程。

28纳米以下为先进制程，主要用于生产手机、电脑、内存芯片，目前最先进的量产技术已达5纳米。

28纳米以上的芯片称为成熟制程的芯片，主要用于物联 、电源管理、显示驱动、传感器等芯片。

它们对运算速度要求没那么高，但是要确保在极端条件、恶劣条件下的稳定性和可靠性，而且具有定制化、小批量，对价格不敏感的特点，所以你大可以放心，不管谁要卡我们的脖子，都危害不了国防安全。

再比如说，那些中低端的芯片，我们大部分都具备一定的生产能力。水壶里要放一颗芯片来监控水温，玩具里要放一颗芯片来播放音乐，这些技术没人卡你。

我们国家最大的芯片代工厂中芯国际，已经可以量产14纳米的芯片了，这些芯片可以应用在5G通信、高性能计算这些领域，也卡不住脖子。

所以只有那些最先进的芯片才面临了卡脖子的问题。

比如手机处理器芯片就是最高端的芯片，苹果手机的A系列芯片，华为手机的麒麟处理器，这些芯片既要求运算速度快，又得功耗低、功能全。还得大规模量产，就要求良率高，性能参数稳定等等，全得是世界第一流的水平，想要做出这些芯片可太难了，我们现在做不了了，这才有了卡脖子的问题。

2020年，中国大陆一共进口了2.4万亿元的芯片。是中国额度最大的进口商品，超过石油。这其中，很大一部分芯片属于成熟制程。

但我们的需求更大。数据显示，国内芯片制造自给率不足40%，2018年还一度跌至30%，距离70%的目标相去甚远。

2、芯片的科学原理和生产工艺到底有多难呢？

首先得说，芯片技术本身，从科学原理上就非常难。它的制造工艺涉及到50多个学科知识和技术积累，其中涉及到几百到上千个复杂工艺制造，其中大概可以归纳为切割晶圆、涂膜、光刻、刻蚀、掺杂、测试等步骤。

打个比方，人类研究芯片技术，就像让高中生参加数学奥赛，这本身就是在挑战他知识的极限。

像微电子这门学科，研究的就是芯片技术中的科学问题，比如半导体材料的哪些特性可以提高电子的传输速度，什么样的公式能够准确模拟纳米尺寸晶体管的电流特性，什么样的电路结构才能承担5G信 的高速处理等等。

这些科学问题都是人类知识的最前沿，任何一丁点进步都是很不容易的。

拿最简单的加法器举个例子，这是电路里的一个常用结构，用来做“加法”。同样这个功能，有的设计要用100个晶体管，有的只要80个就够了。

不过这两种设计各有优劣，80个的加法器面积小、功耗低，但可能速度慢。100个的设计有更好的性能，当然面积和功耗也就高一些。后来，有一位大神用50个晶体管就设计出速度又快，面积和功耗又小的加法器，这就是在原理层面突破带来的改变。

在这个行业，面对这样的科学挑战，想用先进的技术，就得给钱用人家做好的专利。如果人家不给你用，就可能被卡脖子。要么不用人家的专利，那就得自己想出更好的办法，可另辟蹊径谈何容易。

另一方面，就算是芯片原理上取得了突破，想把一颗芯片生产出来，它的生产工艺难度依然非常非常高。

其制作流程，可以简单地理解成“3+2”的过程，3是指芯片生产过程可以分成3个步骤，分别是设计、加工和封测，也就是封装和测试。+2是说，芯片加工需要2个非常重要的支撑，分别是芯片的制造设备和芯片加工需要的高纯度材料，每一步都非常困难。

一颗芯片的设计、加工和封测三个步骤之间有非常明确的边界。

第一步设计，从产品指标开始一直到版图的输出，这颗芯片的版图就像建筑工程里的施工图，交给下一个步骤就可以按照图纸开始生产了。

第二步芯片的加工就是按照版图设计，通过一系列的工艺步骤，通过芯片最关键的光刻技术和刻蚀技术，制作出芯片。这时候的芯片也被称为裸片，还不能直接使用。

最后一步，裸片到封测，完成封装保护和性能测试。到此为止，一颗芯片就完成了。

虽然芯片制造的流程很清楚，但每一步想要实现都非常困难，都挑战人类加工能力的极限。

建设一条先进的芯片生产线，综合起来需要10大类，300多种细分设备，3000多台各种高精尖设备，其中以光刻技术、刻蚀技术、薄膜沉积三大类为主要生产技术。

3、EDA软件和光刻技术是先进工艺里的两大关键难点，刻蚀技术同等重要

首先是设计阶段，一定要用到的EDA软件。

早年设计芯片，比如Intel著名的4004CPU处理器，里面有2250个晶体管，版图都是工程师用彩色铅笔一根根线画出来的，用不着软件。

可今天的芯片设计早就不是手工能完成的了，今天要在一个手指甲盖那么大的芯片上，布局上百亿个晶体管，还有错综复杂的连接线路，每一个步骤都需要有专门的软件来处理，这个软件就是EDA软件（电子设计自动化软件）。

如果没有EDA软件，就像同样是写几百页的书，人家用Word，我们用笔手写，那怎么能追上人家的效率、准确率呢？

那我们能不能自己做EDA软件呢？非常难，有很多困难要解决。

比如说，单个器件能够准确模拟了，整颗芯片几十亿个器件规模的时候还准不准？能不能快速地算出结果？尤其是现在要设计7纳米、5纳米的高端芯片，必须要考虑量子效应了，EDA软件的算法就决定了芯片设计的优劣。如果没有一套高质量的EDA软件就不可能设计出高质量的芯片。

重要的是，EDA是典型的工业软件，要紧密联系生产线的实际参数，软件计算的结果和真正加工出来的器件是不是一致？人家生产线愿不愿意给你这些参数？这些都是EDA的难点。

再来看光刻机，想要把设计的电路从版图转移到硅片上去，这就是光刻技术。

光刻机，是近两年热议的话题，它是用来制造芯片的核心设备，被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”。很多人都在说，确实光刻机是中国被“卡脖子”的关键技术之一。

光刻机的学术表达是一种集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。

但光刻机的工作原理一点都不复杂。

你可以把光刻机看作一台高精度的底片曝光洗印机，它负责把“底片”，也就是设计好的芯片电路图曝光到“相片纸”上。这个“底片”有一个专业名称，叫做“掩膜”，掩盖的掩，保鲜膜的膜。而这里的“相片纸”，就是制造芯片的基底材料硅晶圆；曝光完成后得到的最终“照片”，就是芯片。

这个过程，也可以理解成给货车喷车牌很。往车身上喷涂 码，就是要用一个镂空的 码牌做掩膜，把涂料往这个掩膜上喷。透过挖空的数字部分，涂料就能喷到车身上了，没挖空的部分，涂料就被掩膜给挡住了，不会喷到车身上。这样，车牌 码就清晰地被印到车上了。

这个挖空的 码牌就对应了芯片的光刻版，喷涂料的过程就对应了离子注入、刻蚀、金属沉积等等其它芯片加工步骤。这几个步骤交替进行，才能完成了芯片的加工。

现在最先进的加工工艺，一共要用到80多块光刻掩膜版，将近4000个步骤才能完成，每一步都要求非常高的准确度和稳定性，才能保证最终的芯片质量和产量。

可问题是光刻太难了，要实现这些，就一定要用到光刻机，就是现在大家都在讨论的对中国严格禁运的EUV光刻机，是用极紫外光来进行光刻的设备。

光刻机我们能自主生产吗？也同样非常难。一台最先进的极紫外（EUV）光刻机，市场售价高达1.2亿欧元，和一架波音737客机的价格差不多。是荷兰阿斯麦生产的。

极紫外光刻机最大的困难就是需要波长非常短的光，ASML光刻机的光源是13.5纳米，这相当不容易。

这还不算完，还有一个更严酷的要求就是极紫外光的功率要足够大，这是大规模生产的必然要求。早期EUV光源功率只有80W，这个光源每小时只能生产60片硅晶圆片。ASML卖的产品里面的光源提高到250W，产量提高到每小时125片，增加了2倍还要多。

工业生产里面，生产效率就是生命线啊，整个芯片生产的瓶颈就是卡在光刻这一步。

ASML能提高EUV的功率，靠的是跟德国蔡司合作，制作出高反射率的镜子。其中一些关键尺寸的精度到了皮米，也就是比纳米还要小1000倍。

打个比方，如果这个镜子的面积是云南省大小的话，尺寸误差不能超过1厘米！这才确保了极紫外光打到硅片的时候能有足够高的功率。

EDA软件和光刻机还只是两个备受关注的难点，事实上生产芯片的每一步都非常难，而且想达到世界一流水平，那从设计、加工到封装测试，每个环节的要求都得是最高的才行。

刻蚀技术按照掩模图形或设计要求对半导体衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的技术。同样光刻技术同样并驾齐驱。

刻蚀技术主要用于芯片上进行微观雕刻，每个线条和深孔的加工精度，如同人在人的头发丝直径的几千分之一，甚至上万分之一的面积上进行“微观”世界的建设，其对于精度控制的要求之高超乎想象。（在硅片上剪掉芯片电路图，花纹以外的材料）

简单说来在几千分之一头发丝的直径的面积上盖50~60层楼房。

经过几十年的发展，以中微公司为代表中国公司的等离子体刻蚀机已在国际先进的晶圆生产线核准5纳米器件加工，并进入大规模生产，得到了批量订单。

4、芯片产业是全球化最彻底的产业。

制作一颗芯片真的太难了，尤其是要生产最先进、最高端的芯片，世界上没有哪个国家能够独立完成。

像iPhone手机的处理器芯片，芯片设计是在美国加州完成的，之后送到中国台湾的台积电把芯片生产出来，再送到马来西亚完成封装测试，最后这颗芯片被送到中国大陆，在富士康这颗处理器芯片和其它的部件，像显示屏、电池被最终组装到了一起，最后从中国深圳发往世界各地。

如果再考虑到芯片的底层架构是日本ARM公司的知识产权，台积电的光刻机来自荷兰ASML，刻蚀机来自中国的中微半导体和美国的泛林，光刻胶和大量的化学试剂来自日本、韩国。这样看来，芯片产业确实是一个非常全球化的产业。