芯片再难，有两弹一星难吗？| 袁岚峰
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导读
非常多的人低估了这个挑战的难度，经常可以见到许多错误理解。中国芯片业的落后，看似是一个点，其实反映的是一大片。所以唯一的正道，就是把所有这些门类的基础都补上，都达到世界顶端。
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首先，我来问大家一个灵魂问题：你认为我是个什么人？
许多人可能会认为，我是一个专门说好消息的人，因为我经常讲中国的成果。他们对此感到很高兴。同时，也有另外一些人对我很生气，因为他们认为我是一个报喜不报忧的人。
其实这两边都是错的。我对自己的定位是，我是一个实事求是的人。我绝不是报喜不报忧，实际上我经常报忧。
今天，我就来向大家报一个大大的忧。就是人人都知道的，我国被卡脖子最严重的领域：芯片。我发现，非常多的人低估了这个挑战的难度，经常可以见到许多错误理解。
例如，有人认为中国在两年内就可以造出高端芯片。
实际上，这是个大大过头的估计。目前我们没法给出个时间表。如果我们能在十年内造出现在最高水平的芯片，就是很大的成功了。
又如，经常有人说“小小的芯片”，难道我们连小小的芯片都搞不定吗？
对此的回答很简单：新冠病毒也只是个“小小的病毒”，你觉得它容易搞定吗？
又如，经常有人说，芯片再难，有两弹一星难吗？
实际上，这两者的难度不是同一类的。芯片的难度在于精密制造，而一个国家能不能造出核武器，在很大程度上取决于核材料的生产。看一个国家有多少离心机就能判断出他们离造出原子弹有多远，所以你会看到各个大国三天两头跟伊朗的离心机扯皮。
离心机与原子弹
还经常有人说，统一台湾，拿下台积电，就能解决芯片问题。
统一台湾，拿下台积电，就能解决芯片问题？
在这些人的想法中，统一台湾这种国家大事居然成了解决一个技术问题的手段。这本身就是轻重不分，十分搞笑。就算我们已经统一了台湾，还是有一个显而易见的问题：如果ASML不给台积电提供最先进的光刻机，你不还是被卡住吗？
还有一种常见的说法是，中国的芯片本来跟世界差距不大，甚至是先进的。都是因为改革开放后实行买办思维，造不如买，买不如租，导致差距越拉越大。这些人喜欢翻出一些我国在六七十年代研究光刻机的图片，然后痛斥一番改革开放。
中国芯片以前很先进？
实际上，当时我们的芯片水平绝不是领先，甚至也不是差距不大，而是差距非常大。
我看过一篇文章，纪念我国半导体科技的奠基人之一王守武院士（http://www.cas.cn/zt/rwzt/qmjzt2015/wsw/jnwz/201503/t20150326_4327424.shtml）。其中有这样一个故事。
1977年，国际上开始工业生产16 K的芯片，64 K的芯片也已经做出样品。同时中国只有少数单位仿照国外产品，做出了接近1 K的芯片。但成品率极低，不能投入生产，只能作为样品。1 K对64 K，这就是当时的差距。
然后，中国科学院提出，要在一年内拿下4 K芯片。但经过一年的研究，成品率仍然很低。
1978年10月，中科院请王守武全面负责这一任务。他带领团队奋战一年，到1979年9月，终于把4 K芯片的成品率提高到了……20%以上。
这是什么概念？量产的芯片成品率至少要达到90%以上，否则难以收回成本。可是当时王守武的这20%就已经是重大进步了，获得了中国科学院科技成果一等奖。
所以，你看这差距有多大？有些人喜欢拿自己少量生产的跟人家工业生产的比，找出某个不错的单项指标，然后说自己并不落后，这不是自欺欺人吗？
在分析完这些错误理解后，我们来讲正确的理解。
最基本的问题是，芯片是什么？
我来给大家出道题。下面这些哪些属于芯片，哪些不属于芯片：电脑处理器，手机处理器，机械硬盘，固态硬盘，电脑内存，手机存储卡，U盘，液晶显示器？
请大家思考一下。如果你能答对，你的知识水平就超过了90%的人。
答案是：这些几乎都属于芯片，只有两个不是。一个是液晶显示器，另一个是电脑硬盘中的一类，机械硬盘。机械硬盘是用磁来存储的，不是半导体。而电脑硬盘中的另一类，固态硬盘，却属于芯片。固态硬盘、电脑内存、手机存储卡和U盘都是用半导体来存储的，它们都属于芯片。
其实，液晶显示器跟芯片也是近亲，因为它是用半导体元件控制的，而且它的制造过程与芯片也十分相似。因此，液晶显示这个行业又被称为半导体显示。
芯片的力量何在？它实际上是来自半导体。知道这个，你的知识水平就超过了99%的人。
为什么半导体这么神通广大？
原因在于，只有半导体有变化。跟半导体相对的，导体永远是导电的，绝缘体永远是不导电的，它们都没有变化。
只有半导体，可以在导电和不导电之间转换。我们可以控制这种转换，办法有很多。用导电和不导电表示0和1，就可以计算，可以存储，产生无穷的变化。
那么，半导体是怎样在导电与不导电之间转换的？
这里的基本元件是三极管。我见过的对三极管原理最好的描述，来自这本书《图解芯片技术》，作者是清华大学材料学院田民波教授。
三极管好比一个带水闸的水路。左边有个水源，右边有个水泵在抽水。但中间有个水闸，在水闸关闭时，是没有水流的。
然后我们逐渐把水闸升起。一开始，水闸的底部仍然在水槽里，所以还是没有水流。当水闸底部升到水槽之上，就开始有水流了。水闸升得越高，水流就变得越大。
把水流换成电流，这就完全是对三极管的描述。左边的水源、右边的水泵和中间的水闸，就对应三极管的三个极，源极、漏极和栅极。水闸的高度，就对应栅极上的电压。
【注释：源极、漏极和栅极实际上是场效应管的三个极，三极管的三个极叫做发射极、集电极和基极。不过《图解芯片技术》的原文就是如此，我理解这是因为场效应管和三极管在逻辑上的作用相同，都是通过某种方式控制导电与不导电之间的转换，所以田民波教授采用了一种简化的解释，以方便初学者。】
人们经常会问，芯片的28纳米、14纳米、7纳米等等究竟是什么意思？其实这就是栅极的厚度，专业的名称叫“栅长”。如果你能记住这些多少纳米是栅长，那么你的知识水平就超过了99.9%的人。
【注释：请注意上图中右边红色方框内的“栅长”。】
纳米成为常用单位，这是非常神奇的一件事。一纳米是10的-9次方米，大约只有10个原子的长度，一根头发丝直径的几万分之一。现在一粒芝麻的面积上（小于一平方毫米）能排列上亿个三极管，这是多么惊人的奇迹！
由此就引出了芯片的一个特征：它是目前人类精密制造的最高水平。这就是为什么我们不能制定一个太乐观的时间表，因为精密制造正是中国跟世界先进水平相差最远的方向。有一句话很形象：中国制造在西方的商场里，德日制造在中国的工厂里，美国制造在中国的实验室里。
芯片制造难在哪里呢？其实每一步都很难，没有容易的。芯片制造分为五个阶段。
第一，把沙子，也就是二氧化硅，转化成多晶硅。
第二，把多晶硅提炼成单晶硅，再把单晶硅切成一个个圆盘，也就是晶圆。
第三，在晶圆上制造各种器件。
第四，把芯片封装起来。
第五，做最后的测试。
例如第一个阶段，多晶硅的纯度要达到11个9，即99.999999999%。我们平时说的纯金，只不过是4个9，99.99%而已。
第二个阶段，晶圆要做得非常平，连它自身的重量导致的弯曲，都是要控制的。如何控制这些晶体缺陷，是各个厂商从长期的经验教训中总结出来的，是他们高度重视的技术秘密。
前两个阶段都很难，第三个阶段又是难中之难。光刻就是其中的核心技术。
光刻是什么？其实就好比传统的胶片照相技术，包括曝光、显影、定影等等。具体的操作是这样的。
首先，在晶圆表面涂一层光刻胶。
然后，在晶圆上面放一层掩膜，要刻的图案就画在掩膜上。
然后，用光通过掩膜去照射下面的晶圆。这里的关键在于，光刻胶遇到光会发生化学反应。这样，图案就转移到了光刻胶上。
然后，把光刻胶去掉。但发生过化学反应的地方，就留下了。
最后，对没有光刻胶的地方进行刻蚀。这样，图案终于转移到了晶圆上。真正在晶圆上刻出东西来，是在这一步。
大家可能听说过，有个东西叫做刻蚀机，而且中国的中微半导体在刻蚀机方面是世界领先的。这当然很好，不过在很多其他步骤上我们就是落后的，就有非常多的缺陷。比如说，一般人都知道我们没有高端的光刻机，其实刚才提到的那个光刻胶，我们也还没有高质量的。
近年来，每当报道一个中国在芯片方面的技术进展，立刻就有很多人欢呼可以取代光刻了，可以摆脱卡脖子了。其实这完全是误解。
光刻真正的厉害之处，在于它保持这么高精度的同时，还能有很高的生产效率。如果单说分辨率能达到纳米级的技术，那么这样的技术其实有很多。我发的论文里就有不少是关于这些技术的，例如我们实验室2001年在Nature上的文章，那里用到的技术叫做扫描隧道显微镜。
但这些技术都是一个原子一个原子去操作。它们跟光刻的对比，就好像抄书跟印刷术的对比，实在是太慢了。所以这些技术都是用于基础研究的，而不是工业生产。
现在制造一个芯片，需要经过300至500道工序，涉及精密机床、精密化工、精密光学等几乎所有领域的尖端技术。如果说芯片是现代工业技术的皇冠，那么它就是在其他好几顶皇冠的基础上累加起来的，是皇冠上的皇冠。
中国芯片业的落后，看似是一个点，其实反映的是一大片。所以唯一的正道，就是把所有这些门类的基础都补上，都达到世界顶端。
我们经常说危机既是危，也是机。每当美国打压我们，都有人欢呼危要转化成机了。但这绝不是必然的。危转化成机，关键是我们自己要努力，要做出改革，包括科研体制、教育体制、市场机制、思想文化等很多层面的改革。
如果我们只是在嘴上说说，指望事情自动变好，老想着走捷径，或者淡化困难，或者委过于人，那么危就是危，不会转化成机。我们该做的事情做够了吗？我看远远不够。
这就是我希望传递给大家的最重要的信息。我们要走正道，付出巨大的努力，做出巨大的改革。这不但是为了我们自己，也是为了全人类。
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背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 责任编辑：陈昕悦