鑽石舞台

「我們每天都在接觸芯片，但是我們看不見芯片，我們看到的只是一個整機。」

什麼是芯片？

目前，芯片已經成為一個非常熱的話題。那什麼是芯片呢？其實我們每天都在接觸芯片，大部分時間都在和芯片做交互，但是我們看不見它，我們看到的只是一個整機。

例如，我們很多人都在用手機。如果我們離開手機，甚至不知道如何與別人交互，也不知道怎樣查信息。但當我們拿到手機時卻看不到任何的芯片，因為芯片在裡面。

Iphone6手機部件及其電路板上的集成電路

手機裡面有若干個電路板，電路板上有一些小小的黑色方塊，我們稱這些方塊為集成電路。正是這些數量眾多的集成電路，賦予了手機極其複雜的功能。

整機機櫃（左）和電路板上的集成電路（右）

我們日常生活中還會接觸一些整機的機櫃。當我們打開機櫃之後，可以看到裡面一塊塊的電路板。電路板上這些黑色的小方塊就是集成電路。

集成電路（左）和芯片（右）

集成電路就是我們所說的芯片的學名。不過，集成電路和芯片還是略有一點差別。我們把左圖中集成電路的黑色封裝材料去掉之後，才能看到右圖中真正的芯片。

芯片是在半導體材料上構建的一個複雜的電路系統。晶體管是組成芯片的基本器件。晶體管很小，我們人類還無法用肉眼去觀察它內部的工作原理，只能通過外部測試來推算它是如何工作的。

晶體管的符號（上）和基本工作原理（下）

為了講清晶體管的工作原理，我舉一個簡單的例子。我們知道水電站都有大壩，大壩上有閘門，大壩裡面有發電機。當閘門打開時，水流衝下來促使發電機發電。通常在閘門上有一個功率較小的電動機，用來控制閘門的關閉和打開，從而控制大壩裡面發電機的發電。與發電機的功率相比，電動機的功率較小，用小功率的電動機控制這個閘門的開關，就可以讓發電機發電。在水流最大的時候，發電機的發電量最大。因此它就起到了放大作用。

當閘門全部打開時，發電機的發電量達到最大，我們用1來表示。當閘門全關上，沒有水流時，發電機不發電，我們用0來表示。藉助這樣的方式，我們實現了晶體管的基本原理。

晶體管有各種各樣的型號，分別由不同的材料組成，例如雙極型的晶體管和金屬氧化物半導體（MOS）的晶體管。上圖中列出了幾種晶體管的符號，今後大家如果看到這些符號，就可以知道這是晶體管。

晶體管只有70多年的歷史。在晶體管出現之前，我們用的是電子管，它是個真空管。

電子管

上圖是直徑為2-3厘米，高度為5厘米的電子管。電子管的下面有一個陰極，把它加熱之後會向上發射電子，上面有一個陽極收集電子，中間的柵極負責控制電子通過量。柵極相當於閘門，電子束相當於水流。

第一台電子計算機ENIAC

1946年2月，在美國賓夕法尼亞大學誕生了第一台電子計算機ENIAC。這台計算機用了17500隻電子管，重量有30噸，占地面積很大，耗電量達174千瓦。

這台電子計算機可以完成每秒鐘5000次的加法，在當時來說速度非常快。但是，這台電子計算機存在一個大問題：機器平均每7分鐘就要燒壞一隻電子管，因此它的使用效率非常低。原因在於電子管在高溫、高壓、高熱的情況下工作，可靠性非常差。為了長期穩定使用計算機，我們急需找到一個能夠代替電子管的器件。

1947年，在美國的貝爾實驗室，三名科學家發明了晶體管。它很小，像一顆黃豆那麼大，功耗很低，也不發熱，使用壽命可達十幾年。

晶體管發明人肖克利（W. Shockley）、巴丁（J. Bardeen）和布萊坦（W. Brattain）（左），晶體管原型（中）以及世界上第一台晶體管計算機TRADIC（右）

1954年，美國貝爾實驗室利用晶體管構建了一台晶體管計算機，我們稱其為第二代計算機。這台計算機耗電只有100瓦，可以完成每秒鐘100萬次的運算，運算速度遠遠快於第一代計算機。

這台晶體管計算機仍然存在一個問題：它有很多焊點，在高溫和機械震動很強的情況下，它的可靠性依然不好。因此人們急需找到另外一種器件，能夠進一步縮小體積，提高可靠性。

基爾比（Jack Kilby）和他發明的集成電路原型

4年後的1958年，在美國德州儀器公司的年輕工程師傑克·基爾比（Jack Kilby）發明了集成電路的理論模型。

諾伊斯（Bob Noyce）和掩膜版曝光刻蝕方法製造的集成電路

1959年，鮑勃·諾伊斯（Bob Noyce）創造了掩膜版曝光刻蝕方法，用來生產集成電路。

第一台集成電路計算機IBM360

到1964年，IBM公司用集成電路構建了世界上第一台集成電路的計算機，也稱為第三代計算機。這個計算機有大、中、小共6個型號，涵蓋了科學計算和事務處理兩方面的應用，像一個羅盤一樣能夠360度全方位使用。因此，它起名為IBM360。這台計算機與之前的計算機相比最大的特徵，就是從軍用為主轉向了民用為主。

泰德·霍夫（Ted Hoff）（左）和世界上第一款微處理器——英特爾4004（右）

1970年，英特爾公司的一位年輕科學家泰德·霍夫（Ted Hoff）主持設計了世界上第一款微處理器——英特爾4004。

關於英特爾4004，還有一個小小的插曲。當時的微處理器並不是為了計算機，而是為日本人的計算器設計的。英特爾公司設計好4004之後，就把微處理器交給了日本公司。按照當時的規定，出錢的公司擁有知識產權和技術，因此世界上第一個微處理器的產權屬於日本人。

日本人覺得微處理器很好，但是又很後悔。他們沒有掌握升級技術，每次升級都要花錢去找英特爾。每次還要花錢，覺得很不合算，於是就把微處理器還給了英特爾。英特爾公司非常高興，為什麼呢？因為英特爾公司把微處理器交給日本人之後，他們也很後悔，認為這麼好的東西交給日本人實在太遺憾了，所以日本人把東西交回來時，英特爾公司喜出望外。

從那以後，英特爾公司的主攻方向從半導體存儲器轉向了微處理器，發展成了一家偉大的公司。

第一台IBM PC

又過了10多年到1981年，IBM公司宣布第一台IBM PC誕生，它用的是英特爾的微處理器。我們今天使用的個人計算機（PC）包括筆記本電腦，都是從IBM PC派生出來的。個人計算機改變了計算機的使用，從IBM360那樣主要面向商用，變成了主要面向家庭和個人。

現在，計算機已經深入到我們生活的方方面面，並且存在兩個極端。

神威·太湖之光

一個極端是大型的超級計算機，例如中國的神威·太湖之光。它曾經四次蟬聯全球超級計算機Top500的第一名，具備非常高的運算速度，每秒鐘可以完成12.5億億次運算。

iphone12

另一個極端是手機，例如iphone12使用的A14的處理器每秒鐘運算次數可達到11.8萬億次，這也非常驚人。要知道在1969年，美國航天局把宇航員送上了月球。當時他們所擁有的所有的計算能力都不如我們今天的一部手機。

我們經常開玩笑，美國人用那樣的計算能力把宇航員送到了月球表面，但是今天我們拿着手機來打遊戲，或者做一些看起來微不足道的工作。但這就是技術的進步。

戈登·摩爾（Gordon Moore）（左）和羅伯特·登納德（Robert Dennard）（右）

談到集成電路的發展時，有兩個人我們不得不談。一個是戈登·摩爾（Gordon Moore），他在1965年的一篇論文中提出了著名的摩爾定律。他通過觀察，預測到集成電路的集成度大概每過一年翻一番，後來又修改為每過18-24個月翻一番。

過了將近十年的時間，人們在回顧這篇論文時，驚奇地發現摩爾預測的非常準。於是，人們產生了另外一個疑問，我們應該用什麼樣的方法延續這樣的發展速度，每年都能讓集成度翻番。

1974年，IBM的科學家羅伯特·登納德（Robert Dennard）在論文中寫道，按照他的方法，就可以一直延續摩爾定律。他提出的正是等比例縮小的方法，該方法講的就是如何去實現摩爾定律。登納德定律和摩爾定律合稱為摩爾定律。

說道摩爾定律，只需要記住三件事：每代工藝與上一代相比，在面積不變的情況下，晶體管的數量翻一番；或者在晶體管數量不變的情況下，面積可以縮小到原來的二分之一；它的速度提升40%，功耗下降50%。我們稱之為PPA，即Performance，Power，Area。只要你知道PPA，就表明你是了解集成電路的。按照這樣的發展速度，每18個月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的發展速度。

單個芯片上的晶體管密度指數攀升

我們可以看到，從250納米到5納米，單位面積上可以集成的晶體管數量急劇上升。在250納米時，我們可以在一個平方毫米的面積上集成11.2萬個邏輯門。一個邏輯門相當於4個晶體管，11.2萬個邏輯門相當於45萬隻晶體管。到了16納米的時候，我們可以在一個平方毫米的面積上集成大概400多萬個邏輯門，即大概1500萬個晶體管。而到了5納米時，我們可以在一個平方毫米的面積上集成2800萬個邏輯門，即1億多個晶體管。

一個平方毫米的面積，相當於一個芝麻粒大小。今天一顆芯片可以做到500個平方毫米，也就意味着我們可以在單個芯片上集成500多億隻晶體管。全人類一共80多億人，每生產一顆芯片可以給全人類每個人分幾隻晶體管。所以我們的集成度非常高，這樣高的數量意味着這個系統異常複雜。

摩爾定律揭示了生產當中不斷發展的現象，如果它按照2的N次方繼續發展，會對社會帶來怎樣的影響？

2015年4月19日，在摩爾論文發表的50周年，人們在硅谷舉辦了一個紀念會，邀請摩爾前來參加，同時也邀請了兩位嘉賓。

一位嘉賓是加州理工的教授卡弗·米德（Carver Mead），他說：「摩爾定律不是一個物理定律，它是人類本性的一個定律。人們知道什麼在物理上是可以實現的，而且對之深信不疑。」這句話非常有哲理。卡弗·米德認為人們相信某件事可行時就會努力去做。因此，摩爾觀察到現象，但真正實現摩爾定律的是全體的從業人員，是我們全人類。

另外一位嘉賓是英特爾公司的前高級主管比爾·戴維德（Bill Davidow），他說：「社會和經濟變革是巨大的。在50多年前傳遞信息不僅緩慢，而且非常昂貴。因此，我們把人們移動到距離信息近的地方。」

這句話的意思是說，過去我們要到超市去買東西，但是不知道超市里有什麼東西，該怎麼辦？我們就需要親自去超市進行選擇，即把人移動到離信息很近的地方。但是，藉助電子商務的發展，我們可以把信息移動到人們所在的地方，通過手機下單把東西移動到家裡。

因此，比爾·戴維德說：「由於摩爾定律，我們將會重建所有的物質性基礎設施。」

大家平時可以觀察到，有些大商場慢慢消失了，或者退化成娛樂中心，原因是電商的出現導致整個社會形態發生變化。這背後真正的驅動力是信息技術，而信息技術最重要的基礎就是半導體技術，即晶體管的發展。所以摩爾定律的社會意義是非常深遠的。

這件事情只發生在半導體產業中，如果發生在其他領域，變化可能就更大了。到目前為止，沒有任何其他的產業和技術，能夠像半導體技術一樣，按照摩爾定律在半個世紀中持續發展。

我做了一個簡單的計算，假如同樣的事情發生在汽車上會怎麼樣？那今天汽車的速度就會達到每小時930萬公里，比第三宇宙速度快了30倍；每百公里油耗只有0.6納升，1納升是10－9升，大概相當於一個唾沫星子，就可以跑100公里；最恐怖的是，這個車可以乘坐680億個人。真要有這樣一輛車的話，全世界的人上車都來不及。

芯片「殺手」

不僅如此，芯片的出現還改變了社會的很多方面，我稱其為芯片「殺手」。

什麼叫做芯片「殺手」呢？這是因為芯片「殺死」了很多東西。首先是曾經在我們生活當中扮演重要角色的膠捲消失了。膠捲的主要生產商是柯達公司，成立於1880年，但是在2012年申請了破產保護。它為什麼會申請破產保護呢？因為膠捲沒人買了，數碼相機甚至手機的出現逐漸扮演了膠捲的角色。

在100年前的1921年，偉大的科學家愛因斯坦因為發現光電效應獲得了諾貝爾獎。1969年，Boyle和Smith兩位科學家開發了第一個電子成像技術，叫做電荷耦合器件CCD。

1991年，柯達公司發明了世界上第一款數碼照相機，價值高達13000美元，重量5公斤。柯達公司認為數碼照相機價格太貴了、太重了，不可能成為大家都接受的東西，所以把它鎖到箱子裡，並沒有去生產。

但是，沒想到由於半導體技術的迅速發展，不到10年的時間，很多卡片式的數碼相機進入到千家萬戶，膠捲逐漸失去市場。

在發明CCD的40年後，2009年，Boyle和Smith兩位科學家獲得了諾貝爾物理學獎。

今天主要使用的成像技術是CMOS圖像傳感器，簡稱叫CIS。這樣的圖像傳感器我們每個人的手機上最少有一個，多的有三四個。它所帶來的產業每年產值有上百億美元。今天膠捲只存在於一些特殊的行業，我們已經很少用到，甚至很多人都沒有見過膠捲了。

第二個是機械鐘錶的消失。我們很多人都不會戴機械手錶，而是選擇電子表，甚至可能連電子表都不戴，拿一個手機就可以看時間了。發明於15世紀的機械鐘錶，從純粹的計時功能來看已經沒有存在的必要。像電子表的電子計時的功能，早在上世紀的1971年就被發明出來了，「殺死」機械鐘錶的也是芯片。

磁芯（左），磁盤（中）和磁帶（右）

第三個是磁存儲的消失。最早的計算機使用的並不是半導體存儲器，而是磁芯存儲器。1979年我第一次接觸計算機的時候，使用的就是磁芯存儲器，只有64K的內存。今天的筆記本電腦基本上都是4G以上的內存，和當時相比已經發生了翻天覆地的變化。

20年前，計算機也用到了很多磁盤，包括軟的磁盤和硬的磁盤。現在的計算機也慢慢較少用到磁盤，而大量使用了固態硬盤，即半導體存儲器組成的硬盤。

之前我們還用到的各種磁帶，包括收錄機上的磁帶、隨身聽上的磁帶和錄像帶，也慢慢地從生活中消失了。因為我們有了各種數碼產品。

NEC發布的最早的靜態隨機存儲器

為什麼磁存儲會消失？原因是我們用芯片來替代磁存儲。

英特爾公司創立初期主要是生產半導體存儲器。早在1966年，日本的NEC公司就發布了靜態隨機存儲器，這個存儲器改變了世界。

我們今天用到的半導體存儲器既不值錢，又非常值錢。它的造價非常貴，但是我們可以花幾百塊錢就買幾個G，因此又很便宜。當存儲容量不夠時，我們買一個內存條插進去就可以解決問題，所以「殺死」磁存儲的又是芯片。

過去40年消失的東西

過去40年裡，我們有太多的東西逐漸消失了。曾經人人都有科學計算器，今天已經沒有人在用了。我們曾經騙家長說學英文、其實是聽音樂的隨身聽，現在也已經消失了。我們曾經用便攜式攝像機給孩子錄像，記錄他們的成長過程，現在也逐漸淡出人們的視線。還有個人助理、MP3、卡片式照相機、磁帶錄像機、GPS導航儀以及電子詞典等等，這些東西都消失了。它們都進了手機，而手機的體積並沒有發生根本性的變化。因為芯片太強大了，而且越來越強大。每過18個月，它的容量就翻一番，功能也就越來越強大。

因此，我們總結了一句話：芯片能夠參與競爭的任何技術，最終都不可避免地成為失敗者。如果發現某項技術已經被芯片做了，我們千萬不要再去做，因為它最終會被芯片戰勝，它一定成為失敗者。

芯片的「極限」

芯片發展至今已經有60多年了，它有沒有極限呢？有一天它會不會退出歷史舞台呢？我認為任何事物的發展都有極限，不過我們離這個極限還很遠很遠。

現行的科學技術還是有極限的，半導體現有技術遇到的第一個極限就是物理極限。

柵極氧化層示意圖（左）和掃描電鏡圖像（右）

目前半導體在不斷地在做小，尺寸已經縮小到了納米量級。尺寸達到納米量級之後，最大的問題是我們很難避免漏掉電子，就像篩子做的不夠密會導致很多東西掉下去。半導體的主要材料——柵極氧化層是尺寸最小的一層物質，只有1.5納米。當真正做到1.5納米時，電子會穿過它漏下來，產生漏電現象，無法進行控制。這個可能是現行技術能夠達到的最小尺寸，但不是最終尺寸，我們還有很多新技術可以解決這個問題。

半導體現有技術的第二個極限是功耗極限。如果不對功耗加以控制，手機電池耗電極快，幾分鐘就要充一次電。由於技術的不斷發展，現在的手機可以一天充一次電，其實我們最理想的狀態是一部手機一個星期充一次電就好。如果智能手機的電池功耗能夠達到這種狀態，我們的生活會方便很多。

20世紀90年代預測的芯片功率密度的增長趨勢（左）和功率密度的實際增長情況（右）

在提供大量功能的同時，半導體自身也需要耗電。我們用能量密度，或者功耗密度，來表徵它的功耗情況。家裡用的電熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦，它運行起來很燙，能將我們燙傷。早在上世紀的90年代，半導體的功耗密度就已經超過了每平方厘米10瓦，比電熨斗還燙。如果當時我們沒有發展任何新技術，到2005年可能功率密度就會達到每平方厘米100瓦。但是，經過20年的技術發展，半導體的功能在不斷提升，功耗並沒有明顯的上升，這是非常重要的進步。

工藝節點發展路徑

半導體現有技術的第三個極限是工藝、器件和材料。今天我們往往用多少納米來表徵集成電路的先進性。世界上最先進的大概是7納米，目前在大批量量產，很快5納米也會量產，我們國家也實現了14納米的大批量生產。在生產過程中出現了很多不同的節點，每次縮小到原來的0.7倍，以此一直不停地前進。

不斷演進的晶體管結構

在發展過程中，最基礎的器件是晶體管，晶體管也在不斷演進。圖片最左邊是前一代晶體管，即平面型晶體管。平面型晶體管的硅上有條溝道，兩端是源和漏，上面通一個柵極來控制溝道的電流是否通過。隨着體積變小，源和漏逐漸靠近，電子跑的很快無法控制，怎麼辦？

於是我們發明了鰭式晶體管，也稱為FinFET。FinFET中間有一個像魚鰭一樣提起來的東西，用柵把它包起來，三面環柵，就有了比較強大的電場，可以控制電子能否通過。

但是到了5納米時，鰭式晶體管也行不通了。我們需要做一個全包圍柵的晶體管，用一個全包圍柵把溝道全圍起來，叫做Gate-All-Around（GAAFET）。

平面型晶體管在22納米時出現了換代，鰭式晶體管在5納米時也會出現換代，5納米之後將出現全包圍柵晶體管。所以晶體管結構在不斷地變化發展。這種變化背後有很多的科學技術，其中最重要的是半導體材料的創新。

半導體使用的元素周期表中的元素

上世紀80年代，半導體材料只用到了門捷列夫元素周期表中藍色標記的少量元素。新世紀之後，半導體材料的應用擴展了很多，大量的元素都被半導體用到。半導體的發展並不是簡單的只用一種材料，而是會用到多種材料。所以，探索新型的半導體材料，成為今天晶體管發展的非常重要的技術路徑。

5/45/32/22/14/10nm CMOS工藝步驟數

把東西無限縮小的工藝複雜度是非常高的。到65納米時，我們大概需要走900步；到了10納米時，我們大概需要走3300步。每步走一小時，也需要3300個小時才能完成。

這些工藝步驟數決定了生產周期的長短，今天的集成電路不可能在幾天之內就完成生產，而是需要幾個月甚至更長的時間才能完成生產。這幾個月中不能出現任何差錯，否則整批報廢，就要重新開始。所以它是一個生產管理高度複雜、高度精密的技術。

半導體現有技術的第四個極限是經濟的可行性。任何好的技術如果沒有經濟的可行性，那就達到了它壽命的終結點。

新建半導體製造廠成本

在上世紀，我們估計到2010年時建一個集成電路廠大概要花500億美元，相當於當年銷售市場的10%，這是代價非常昂貴的事情。幸好科技的發展沒有讓我們失望，我們的實際開銷大概是100億美元左右，節省了400億美元。

即便如此，我們的花費仍然是一個天文數字。例如，在65納米時，達到的盈虧平衡要投25-30億美元。在14納米時，我們花費的100多億美元就達到了美國一個核動力航母打擊群的建造費用。到7納米時，我們要花費140-160億美元。到5納米時，大概要花將近200億美元。

大家可能會疑惑，如此高昂的造價，我們是建一個核動力航母打擊群，還是建一個集成電路製造廠？這是我們經常被問到的一個問題。

如果建一個集成電路製造廠，後面還要繼續投入，所以集成電路廠的建造非常昂貴。正是因為建造成本的高昂，使得芯片也在慢慢變貴起來了。

芯片不再便宜

在28納米之前，半導體的價格一直在走下行的通道，所以前幾年會感覺手機價格很便宜，我們經常隔半年就換一部手機。但是，這兩年一部手機高達幾千塊錢，可能很少有人頻繁地換手機了，這部分是因為芯片價格的上漲導致手機越來越貴。

我們按照百萬邏輯門，即400萬個晶體管，作為一個基本單位計算芯片價格。在28納米時，它是1.4美元；到16-14納米時，它是1.62美元，價格已經開始上升；現在到5納米時，它的價格上升很快。所以今後半導體不會很便宜，電子產品也不會很便宜，這是生產規律所決定的。

越來越少的製造資源

由於需要數額巨大的投資，所以集成電路的製造資源越來越少。現在全世界進入7納米的生產線只有三星、中國台北的台積電、美國的格羅方德和英特爾四家公司。事實上英特爾應該是10納米，它指的密度相當於7納米。

今後如果全球只有兩家公司在做半導體最先進的工藝時，我們想要擁有這個產能就非常難。這就是為什麼我們中國也要大力發展半導體的根本原因。

如何製造一塊芯片？

那麼，我們如何製造一塊芯片呢？製造芯片是人類歷史上最為複雜的製造工藝。集成電路一般分成五大版塊，包括設計、製造、封裝測試、材料和裝備。

集成電路產業的五大板塊

通常我們講集成電路主要是指設計、製造和封測。最近幾年情況發生變化，我們把材料和裝備也納入集成電路的範疇。

很多人可能不了解什麼叫設計、製造和封測，我用一個簡單的例子來類比，雖然不是很準確，但是我們可以大概理解其中的內容。

設計、製造、封測三業相對獨立的產業生態

集成電路的設計相當於一個作家在寫作，它是一個創作的過程，是一個知識產權密集的過程，也是一個人才密集的過程。

作家寫作完成之後需要印刷。這個印刷廠需要進行非常精密的印刷，字印得很小又很清晰，還能成千上百地印刷，中間不走樣。這就相當於集成電路的製造。它是規模化製造導向、設備密集、投資密集和專利密集的產業。

書本印刷之後需要裝訂，避免書本散架，裝訂過程中需要用到的材料還要防止磨損。裝訂也是一個非常重要的工作，需要檢查裝訂是否正確、整齊，這就相當於集成電路的封測。因此，寫作、印刷、裝訂基本上對應了設計、製造、封測。

集成電路芯片結構示意圖

芯片的製造高度複雜。如果我們打開一個芯片，會發現芯片裡有幾十層異常複雜的東西，包括介質層、存儲器、互聯、接觸孔和晶體管等等。

我們用什麼方式來建造如此複雜的芯片呢？芯片是靠一層一層的掩模板曝光刻蝕技術來建造的，這是鮑勃·諾伊斯發明並且沿用至今的技術。

集成電路芯片製造工藝流程示意圖

真正去看集成電路的製造工藝，如果從單晶開始考慮的話，它經過的步驟非常長。從拉單晶、磨外圓、切片、倒角到最後引線鍵合、模塑、切筋成型、終測等等，這是一個非常長的產業鏈，它涉及到了材料、裝備、設計、製造和封測等幾乎每個環節。

光刻工藝示意圖

這中間最重要的是光刻，光刻怎麼做呢？

我們舉個簡單的例子。我們有個晶圓片，在晶圓片的上面做一個氧化層。氧化層可以幫助我們阻擋一些不該進入到硅片的東西。蒸了一層氧化層後，就要在氧化層上塗一層光刻膠。在光刻膠上方放置掩膜版。光源從上面照下來，把掩膜版上的圖形映射到塗了光刻膠的硅片上。隨後去做顯影，去掉暴露在光線里的光刻膠，只留下陰影擋住的那一塊，即圖中的L形。然後做刻蝕，把下面的氧化層刻掉。最後去掉L形上面的膠，這時就有個L形停留在硅片上面，這就是光刻技術。

這裡我只簡單展示了光刻技術中的七個步驟，如果加上清洗等環節，一層光刻過程可能包含十幾個步驟。

集成電路的工藝節點和掩膜層數

我們今天的芯片製造可能會涉及到很多層，例如，在7納米時候曾經高達到85層。優化之後，到7nm＋時我們只有75層。但是到5納米時，我們又回到80層。

每一層都含有幾十個簡單的步驟，相乘之後，我們的製造就會有極多的步驟。例如，在10納米時，我們就會有3000步。所以我們常用層數來表徵製造的複雜度。如果製作1層需要1天的時間，那麼我們製作5納米就需要80天，所以集成電路需要很長的時間去製造。

我們的「中國芯」

那我們國家的芯片發展得怎麼樣呢？

全球半導體市場分布情況

首先，中國是全球最大的單一半導體市場。2020年，我們中國使用的芯片價值1515億美元，占比是35%。全球生產的芯片每三塊中就有一塊是被中國消費的。

中國集成電路產業鏈各環節發展情況

中國自己生產的集成電路並不是太多，在行業中最主要的是設計。我們去年的芯片設計產值一共是3778億人民幣，相當於約540億美元。我們的增長速度非常快，在過去的十幾年中，我們的設計提升了將近45倍，製造提升了將近14倍，封測提升了9倍。而同期全球的增長速度遠遠低於我們。所以，在新世紀以後，半導體芯片在中國的發展是非常快的。

中國芯片設計產業發展情況

從2004年到2020年，我國的芯片設計產業快速發展，年均複合增長是27.1%。這意味着我國芯片設計產業連續16年增長27%，增長速度非常快，每隔三五年就能翻一番。2014年以後，我國的芯片設計產業已經達到了相當大的規模，年均複合增長率仍然在保持在兩位數，大概在25.2%。

中國芯片製造產業發展情況

前些年我們的芯片製造業發展速度不夠快，過去16年的年均複合增長率是18%，但是最近的五六年在加速發展，已經達到24%。

中國芯片封測產業發展情況

我們的芯片封測業曾經是這個行業中規模最大的產業，雖然發展速度不是最快的，但是它長期主導着這個行業。它的年均複合增長率在15%左右，近些年發展速度有點放慢，基本在12.2%。

中國半導體裝備產業發展情況

我們的芯片裝備製造業也在迅速增長，現在年均複合增長率達到25%。

中國半導體材料產業情況

我們的芯片材料業起步非常晚，過去十年我們才慢慢起步，增長速度還不夠快。

但是可以看到，我國擁有比較完整的產業鏈，有半導體產業鏈里的所有內容，儘管發展水平還不夠高。

芯片產品全球市場占有率穩步提升

2004年，我們的芯片產品在全球市場的占有量只有0.58%；2020年，我們的全球市場的占有量達到了12.7%。之前提到，中國是最大的單一半導體市場，占世界市場的35%。按價值計算，我們只能滿足12.7%，還有20%多就要完全靠進口，因此中國芯片進口量非常大。

中國企業進入全球前十

中國的企業進步也很快，我們在芯片設計、製造和封測都有企業進入了相關領域的前十位。設計企業有兩家，代工企業有兩家，封測企業有三家。

中國芯片的進出口情況

由於我國的芯片生產無法滿足國內市場，因此我們芯片的進口量很大。從2013年開始，我們的進口芯片價值超過2000億，2018年超過了3000億，之後一直維持在3000億以上。2020年我們的進口芯片價值達到了3500億。

大家可能會疑惑，全球一共產了4000多億的芯片，中國進口了3500億，使用了1500多億，剩下的2000億進口去哪兒了？

這2000億裝到整機中又出口了。中國是世界工廠，一方面自己消費很多芯片，同時我們也給世界生產的很多整機也用到了很多芯片。如果今天中國不再生產整機，全世界的芯片廠家就無法賣出芯片，便會產生災難性的結果。

高端芯片產品對外依存度很高

但也要承認我國是一個起步比較晚的國家，在芯片上仍然有很多短板，在高端芯片上還有很多是依賴國外的。但我們確實在不斷地進步，上面這張表格中的數字這些年在不斷提升，但是還有一些部分的市場占有率數字小於0.5。這並不意味着我們沒有，只是我們還不能夠在市場上占有重要的地位，這也是我們努力的方向。總而言之，高端芯片還沒有擺脫對進口的依賴，這也是近兩年我們為什麼如此關注芯片的緣故。特別是在國際形勢發生變化的時候，芯片帶來的一些痛處，讓我們非常難受，我們要加速努力。

版權聲明：部分文章推送時未能與原作者取得聯繫。若涉及版權問題，敬請原作者聯繫我們。