对比“两弹一星”工程，聊聊搞芯片的难！
出品丨自主可控新鲜事
本文经授权转载自芯论语
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摘要：目前芯片产业的重要性得到了全体国民认同，加快发展芯片产业已成为社会各界共识，同时公众对搞芯片的艰巨性也有所了解。但是芯片到底有多难搞？是否要全部自己搞？认识还难统一。有人问光刻机和氢弹哪个更难搞？这是两个单项的比较。发展“国产芯片”是个系统工程，可否和“两弹一星”工程比较一下，想想哪个更难搞？本文重点从学科交叉、精密至极、规模巨大、极其复杂、元素超广、机器生产、投资巨大、品种繁多这9个方面，聊一聊搞芯片的难。
“两弹一星”和“国产芯片”对中国发展进程都是至关重要的。前者是老一辈革命家为新中国的强盛和稳定做出的重大战略部署，也是老一辈科学家向难而生，呕心沥血，隐姓埋名，为祖国繁荣献上的大礼。他们值得后辈永远敬重、学习和纪念。而后者将在中华民族伟大复兴的进程中发挥巨大作用。因此，这两个系统工程对中国发展的意义非凡，所以可以放在一起分析比较，找出发展国产芯片的难点和痛点，制定中国芯片产业补短板，强弱项的最佳路径。
图1.“两弹一星”部分功勋人物 邓稼先、钱学森、于敏、孙家栋
图2. 中国芯片产业主要奠基人 黄昆、谢希德、林兰英
笔者认为“两弹一星”从发展条件看，比“国产芯片”难得太多了。但从涉及的科技领域的广度看，发展“国产芯片”应该是更难一些。这不是否定前者的难度，在物资极度匮乏的条件下，“两弹一星”人克服千难万险取得任务圆满成功，是很了不起的历史壮举。但从涉及的科技领域的广度看，发展“国产芯片”的任务也非常艰巨。另外，搞芯片的难度还在于芯片应用广泛，要满足众多用户的性能和体验要求比较困难。例如手机，只有大众愿意买单才会成功，否则就不算成功。而“两弹一星”的目标很明确，目标实现即是成功。
下面就聊聊搞芯片的各种难。
一、制造之难
造芯片之难，虽没有难于上青天，但却是让中国高科技发展面临前所未有的困难。这个集多种学科之大成的领域，确实不是一时半会儿，想突破就能突破的。“不经历风雨，怎么见彩虹，没有人能随随便便成功”。只有充分认识困难，克服困难，“把握生命里的每一分钟，全力以赴我们心中的梦”，芯片实现自主可控的中国梦才能实现。下面就从9个方面，看看发展芯片产业到底有多难。
1.学科交叉
芯片是一门多学科综合应用的的技术。其中包括固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、几何光学、材料科学、化学，还涉及电子线路、信号处理、计算机辅助设计、自动控制、测试和加工、图论等多个领域。所以需要许多跨领域专业人才的积累，需要产业链各环节的紧密合作。例如化学，芯片制造流程中的化学反应有100多种。随着新材料应用和工艺进步，芯片制造中还会不断利用新的化学反应过程。
图3. 芯片制造中部分化学反应过程
2.精密至极
瑞士手表佳天下，瑞士工匠以精湛、精密的制表技艺雄霸世界。但是手表的精密性与芯片相比，却是小巫见大巫。我们拿根头发来对比一下，看看芯片中电路是何等的的精细和密集。
人类头发的直径一般是0.1mm。把一根头发切断，在显微镜下看，发丝的横切面是直径0.1mm（即100μm）的圆。图4可以看到芯片上的晶体管（图中箭头所指的小红点，面积在1μm x 1μm以内）相对于头发横切面是多么微小。现在的晶体管还可以做得更小。晶体管虽然微小，但它的结构并不简单，它是由多层物质和多个条块结构组成（图示在虚线框中）。
图4. 发丝横切面与晶体管大小的对比；横切面大小的硅片上可布置2127根电路连线。
假如要在发丝横切面大小的硅片上制作集成电路，按照台积电（TSMC）7nm的逻辑工艺，这个面积上可以并排制造2127根连线（100000nm/47nm，47nm是线宽7nm加上连线间距40nm）。当然集成电路不是简单的连线，它由复杂的电路布图组成的。图4中部圆里的图案，表示发丝横切面大小的硅片上可制造的电路图案，线条精细度为7nm的。芯片的“精密至极”实至名归。今天，用户要求很高，芯片人不得不沿着“面积缩小，性能增加”的摩尔魔鬼定律一条道走到黑。
3.规模巨大
芯片规模大小是指芯片中集成的晶体管、存储单元、电阻、电容等元件数量多少。芯片功能越复杂，集成的元件数量越多，芯片规模就越大。目前，面积不到1cm²的CPU芯片中可集成多达几十亿只晶体管，存储器芯片中可集成多达数万亿个存储单元。例如苹果公司iPhone6的CPU芯片A8（最新款是A11）集成了20亿只晶体管，面积只有89.25㎜²（8.5mm×10.5mm），采用20nm的制造工艺，也就是说芯片中电路的最窄线宽是20nm。长江存储128层3D Nand闪存芯片X2-6070的容量为1.33Tb，即单芯片中至少集成了1.33万亿个存储单元。而且随着制造工艺的进步，芯片规模还会继续增大。
说这多还是没有感觉？那就用有形东西的面积做个对比吧！
图5. A8芯片放大25万倍后，面积有半个深圳湾高新区大，电路连线精细至5毫米；再放大500倍，面积将超过西藏面积，电路连线精细至2.5米。
人眼看5mm宽的线条才能看得清楚和舒服。所以，若要看看A8芯片中晶体管规模有多大、电路有多复杂，就要把20nm的线宽放大到5mm宽，放大倍数是250000倍（25万倍）。这时，A8芯片的面积就达到5.578平方公里，大约是半个深圳湾高新园区的面积（11.5平方公里）。你将会看到震撼的画面！在半个深圳湾高新园区的平面上，布满了由5mm宽的线条纵横交错连接构成的“电路森林”。把20亿只晶体管平均开来，在每1平方米的面积上就集成了358个晶体管以及电路连线，连线宽度只有5mm。
图6. A8芯片再放大500倍后，面积比西藏还大，线条宽度2.5米，人可以进入观察。
你如果还想钻进这个“电路森林”看看，就把A8芯片再放大500倍，面积达到了139.45万平方公里。在这个比西藏面积还大的平面上，布满了2.5米宽的线条纵横交错构成的“电路深林”。以下视频展示芯片无限放大，人们可飞入芯片中的“电路森林”，看看集成电路的精密和电路规模的巨大。
视频1. 芯片无限放大，人们可飞入芯片中的“电路森林”看看（来源：旺材芯片）
5.极其复杂
芯片的复杂性是由精密至极和规模巨大两个特点决定的，主要包电路结构、EDA工具、制造设备、制造程序、条件保障等方面的复杂性。
电路结构复杂：芯片应用五花八门，芯片内部的结构也千变万化。最复杂的芯片当属CPU、GPU、人工智能等芯片，数十亿只晶体管连接成预设的电路功能，在软件配合下完成像人的大脑一样的工作，复杂性和难度可想而知。
EDA工具复杂：EDA工具软件就是电子设计自动化软件（Electronic Design Automation）。开发EDA工具虽然是写软件，但它离不开芯片制造技术方面的知识的积累。这样的软件要能把数十亿（甚至更多）晶体管摆放在面积不到1cm²（甚至更小）的硅片上，并且连接成想要的电路功能。同时，还要具有仿真和验证功能，保障送去芯片制造厂（晶圆厂）的设计数据万无一失。随着制造技术的更新和换代，EDA工具还要随之更新和升级。EDA工具软件是最难设计的软件。
制造设备复杂：芯片制造用到的设备很多，主要包括单晶炉、气相外延炉、氧化炉、磁控溅射台、化学机械抛光机、光刻机、刻蚀机、离子注入机、晶圆减薄机、晶圆划片机、引线键合机等等。大家对光刻机已不陌生，先进的EUV光刻机只有荷兰阿斯麦尔（ASML）能生产，据说其中的光源技术来自于美国。每台高达1.2亿美元的售价，我们有钱也难买。光刻机的精密程度决定了芯片制造的工艺的精度。
制造程序复杂：芯片制造过程一般包括芯片设计、晶圆片制造、晶圆上电路制作、封装和测试等几个过程，其中晶圆上电路制作过程尤为的复杂。首先是根据芯片设计数据制作多层的光掩膜（Mask）。其次是制作晶圆表面上的电路。按照工艺和光掩膜数量，从第一层光掩膜开始，有选择地循环进行“晶圆涂膜、晶圆光刻显影、蚀刻、掺加杂质、氧化膜、抛光”，返回做下一层光掩膜循环。最后是晶圆测试、划片、封装和成品测试。晶圆表面电路制作程序的复杂性由光掩膜层数决定。目前，芯片制造有时要执行100多道工序，制造程序十分复杂。
条件保障复杂：芯片制造除了设备重要外，水、电、气的条件保障也很重要。水是纯水，芯片制造厂要有高质量的纯水制备能力，这里的纯水比饮用纯净水的纯净度要高。电力保障是更重要的一环，芯片制造厂要有双变电站、双线路的备份供电保障，防止电站和回路出现故障时停电。芯片制造厂意外停电的经济损失很大。气体是指生产中要用到十多种化学气体。这些气体按用途分可为运载气、保护气和反应气。反应气还可细分为外延气、成膜气、掺杂气和干刻蚀气。主要包括氧、氢、氮、氩、氦、氢化物、卤化物等。
6.元素超广
世间万物都是由元素组成，元素周期表中罗列了地球上发现的所有元素。如果把芯片产业中用到的元素用彩色标出，可以看到覆盖了一大半的元素，利用率高达52.68%。这些元素通过晶圆、靶材、气体、光刻胶、抛光液等形式应用在制造工艺中。这些元素利用过程既是研究、发现和创新，也是克服困难和经验积累，从另一方面说明了芯片制造涉及知识之广、造芯之难。
图7. 用5种颜色标出的元素是芯片制造中用到的元素
7.机器生产
芯片生产线是全自动化的流水线。各工序节点的设备都是在参数设置好后自动工作。工序节点之间的半成品通过机器人完成运输。技术人员只需按生产工艺要求设置好设备和仪器参数即可。更自动化的目标是参数设置都无需人来完成，可通过主控网络系统自动设置。技术人员只需完成工艺研发、规范文件编制和生产计划制定。可以说芯片生产线是智能制造的高级典范。下图是某晶圆代工厂车间的生产场景。
视频2. 晶圆代工车间生产场景（来源：优酷视频）
8.投资巨大
芯片制造投资巨大是大家公认的。新建8吋、12吋特色工艺的晶圆厂需要数十亿元～数百亿元人民币，新建12吋晶圆代工厂需要数百亿美元的投资。武汉12吋存储器生产基地投资总额高达240亿美元。近日，台积电(TSMC)宣布在美国建厂，投资额为120亿美元。另外，芯片设计公司研发一款先进工艺的芯片投入也很大。芯片研发、流片、测试、封测等费用合计在数千万元～数亿元人民币不等。因此芯片业是烧钱的行业。只有对的人、在对的时间、并占据了行业优势地位才能赚钱。但是在国外技术封锁条件下，芯片产业作为信息技术产业和国防建设的基础保障，再大强度的投入都不为过。
9.品种繁杂
芯片广泛应用在各个领域。因应用环境和功能不同，芯片的品种非常多。可按照不同的关注点进行分类，例如按电路性质分为数字芯片、模拟芯片和数模混合芯片，包括 CPU、存储器、放大器、ADC、DAC等；按通用性分为通用芯片和专用芯片，包括通用逻辑门、接口电路、SOC、计量芯片等；按芯片功能分为处理器、存储器、电源、接口等；按外观和封装形式分的话种类更多，包括DIP、SIP、CLCC、PGA、BGA等多达20种以上。芯片的外观更是形态各异、千变万化。
图8.芯片的部分封装形式和外观
二、应用之广
芯片应用之广实际佐证了它的重要性，重要的事情往往难度较高。芯片广泛应用在国防军工、航空航天、通信导航、电子政务、消费电子、物联网、人工智能、机器人、云计算、大数据、智慧城市、装备制造等领域。随着全球信息化和知识经济时代的到来，芯片产业的战略地位越来越重要，已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全的关键产业。芯片和软件一起，被称为信息化社会的基石。早在二十年前就有人预言，谁控制了超大规模集成电路，谁就控制了世界产业。
图9.芯片应用领域十分广泛
三、大国必争
现在，大家都明白了芯片产业的重要性，尤其是支撑产业发展的芯片核心技术。《国家集成电路产业发展推进纲要》开头就指出，集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。近两年美国打压中国的高技术产业，就是从芯片入手，从核心技术方面卡中国的脖子。虽然全球科技合作和产业链全球化布局是时代主流，但是我们可以预见，中美在芯片核心技术上的长期竞争将无法避免。中国要更加重视芯片核心技术研究和创新，重视补短板、强弱项工作，坚持既独立自主又开放合作的大方向，大力促进我国集成电路产业上新台阶。
结语：本文从9个方面，分析了搞芯片的难。正因为难，芯片产业才成为当代高技术产业金字塔上的皇冠，才成为美国为了保持高科技领先地位，坚决打压中国的利器。十多年来，行业人士一直宣传和呼吁芯片产业的重要性，但效果不佳。一些人对芯片产业没有感觉，原因是花钱多、太难搞、规模不大，而且认为这是发展了60多年的旧东西，不如物联网、云计算、大数据、人工智能等，概念又新，规模又大。但是他们不明白，这些产业的支撑根基却是在芯片产业！美国打压中兴和华为，让我国民众惊醒，认识到了芯片产业的重要性。本文希望说明发展芯片产业的艰巨性。只有认识到其重要性和艰巨性，我们才能制定出正确和科学的发展路线，我国芯片产业自主、安全、可控的目标才能尽早实现。