撰文 | 魏少军
“我们每天都在接触芯片，但是我们看不见芯片，我们看到的只是一个整机。”
魏少军（清华大学集成电路学院教授）
大家好，我是来自清华大学集成电路学院的魏少军，今天我分享的内容是《小小芯片改变我们的生活》。一颗小小的芯片不仅是一个器件，而且还会持续地改变你我的生活。
什么是芯片？
目前，芯片已经成为一个非常热的话题。那什么是芯片呢？其实我们每天都在接触芯片，大部分时间都在和芯片做交互，但是我们看不见它，我们看到的只是一个整机。 例如，我们很多人都在用手机。如果我们离开手机，甚至不知道如何与别人交互，也不知道怎样查信息。但当我们拿到手机时却看不到任何的芯片，因为芯片在里面。 Iphone6手机部件及其电路板上的集成电路 手机里面有若干个电路板，电路板上有一些小小的黑色方块，我们称这些方块为集成电路。正是这些数量众多的集成电路，赋予了手机极其复杂的功能。 整机机柜（左）和电路板上的集成电路（右） 我们日常生活中还会接触一些整机的机柜。当我们打开机柜之后，可以看到里面一块块的电路板。电路板上这些黑色的小方块就是集成电路。 集成电路（左）和芯片（右） 集成电路就是我们所说的芯片的学名。不过，集成电路和芯片还是略有一点差别。我们把左图中集成电路的黑色封装材料去掉之后，才能看到右图中真正的芯片。 芯片是在半导体材料上构建的一个复杂的电路系统。晶体管是组成芯片的基本器件。晶体管很小，我们人类还无法用肉眼去观察它内部的工作原理，只能通过外部测试来推算它是如何工作的。 晶体管的符号（上）和基本工作原理（下） 为了讲清晶体管的工作原理，我举一个简单的例子。我们知道水电站都有大坝，大坝上有闸门，大坝里面有发电机。当闸门打开时，水流冲下来促使发电机发电。通常在闸门上有一个功率较小的电动机，用来控制闸门的关闭和打开，从而控制大坝里面发电机的发电。与发电机的功率相比，电动机的功率较小，用小功率的电动机控制这个闸门的开关，就可以让发电机发电。在水流最大的时候，发电机的发电量最大。因此它就起到了放大作用。 当闸门全部打开时，发电机的发电量达到最大，我们用1来表示。当闸门全关上，没有水流时，发电机不发电，我们用0来表示。借助这样的方式，我们实现了晶体管的基本原理。 晶体管有各种各样的型号，分别由不同的材料组成，例如双极型的晶体管和金属氧化物半导体（MOS）的晶体管。上图中列出了几种晶体管的符号，今后大家如果看到这些符号，就可以知道这是晶体管。 晶体管只有70多年的历史。在晶体管出现之前，我们用的是电子管，它是个真空管。 电子管 上图是直径为2-3厘米，高度为5厘米的电子管。电子管的下面有一个阴极，把它加热之后会向上发射电子，上面有一个阳极收集电子，中间的栅极负责控制电子通过量。栅极相当于闸门，电子束相当于水流。 第一台电子计算机ENIAC 1946年2月，在美国宾夕法尼亚大学诞生了第一台电子计算机ENIAC。这台计算机用了17500只电子管，重量有30吨，占地面积很大，耗电量达174千瓦。 这台电子计算机可以完成每秒钟5000次的加法，在当时来说速度非常快。但是，这台电子计算机存在一个大问题：机器平均每7分钟就要烧坏一只电子管，因此它的使用效率非常低。原因在于电子管在高温、高压、高热的情况下工作，可靠性非常差。为了长期稳定使用计算机，我们急需找到一个能够代替电子管的器件。 1947年，在美国的贝尔实验室，三名科学家发明了晶体管。它很小，像一颗黄豆那么大，功耗很低，也不发热，使用寿命可达十几年。 晶体管发明人肖克利（W. Shockley）、巴丁（J. Bardeen）和布莱坦（W. Brattain）（左），晶体管原型（中）以及世界上第一台晶体管计算机TRADIC（右）
1954年，美国贝尔实验室利用晶体管构建了一台晶体管计算机，我们称其为第二代计算机。这台计算机耗电只有100瓦，可以完成每秒钟100万次的运算，运算速度远远快于第一代计算机。 这台晶体管计算机仍然存在一个问题：它有很多焊点，在高温和机械震动很强的情况下，它的可靠性依然不好。因此人们急需找到另外一种器件，能够进一步缩小体积，提高可靠性。 基尔比（Jack Kilby）和他发明的集成电路原型 4年后的1958年，在美国德州仪器公司的年轻工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了集成电路的理论模型。 诺伊斯（Bob Noyce）和掩膜版曝光刻蚀方法制造的集成电路 1959年，鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）创造了掩膜版曝光刻蚀方法，用来生产集成电路。 第一台集成电路计算机IBM360 到1964年，IBM公司用集成电路构建了世界上第一台集成电路的计算机，也称为第三代计算机。这个计算机有大、中、小共6个型号，涵盖了科学计算和事务处理两方面的应用，像一个罗盘一样能够360度全方位使用。因此，它起名为IBM360。这台计算机与之前的计算机相比最大的特征，就是从军用为主转向了民用为主。 泰德·霍夫（Ted Hoff）（左）和世界上第一款微处理器——英特尔4004（右）
1970年，英特尔公司的一位年轻科学家泰德·霍夫（Ted Hoff）主持设计了世界上第一款微处理器——英特尔4004。 关于英特尔4004，还有一个小小的插曲。当时的微处理器并不是为了计算机，而是为日本人的计算器设计的。英特尔公司设计好4004之后，就把微处理器交给了日本公司。按照当时的规定，出钱的公司拥有知识产权和技术，因此世界上第一个微处理器的产权属于日本人。 日本人觉得微处理器很好，但是又很后悔。他们没有掌握升级技术，每次升级都要花钱去找英特尔。每次还要花钱，觉得很不合算，于是就把微处理器还给了英特尔。英特尔公司非常高兴，为什么呢？因为英特尔公司把微处理器交给日本人之后，他们也很后悔，认为这么好的东西交给日本人实在太遗憾了，所以日本人把东西交回来时，英特尔公司喜出望外。 从那以后，英特尔公司的主攻方向从半导体存储器转向了微处理器，发展成了一家伟大的公司。 第一台IBM PC 又过了10多年到1981年，IBM公司宣布第一台IBM PC诞生，它用的是英特尔的微处理器。我们今天使用的个人计算机（PC）包括笔记本电脑，都是从IBM PC派生出来的。个人计算机改变了计算机的使用，从IBM360那样主要面向商用，变成了主要面向家庭和个人。 现在，计算机已经深入到我们生活的方方面面，并且存在两个极端。 神威·太湖之光 一个极端是大型的超级计算机，例如中国的神威·太湖之光。它曾经四次蝉联全球超级计算机Top500的第一名，具备非常高的运算速度，每秒钟可以完成12.5亿亿次运算。 iphone12 另一个极端是手机，例如iphone12使用的A14的处理器每秒钟运算次数可达到11.8万亿次，这也非常惊人。要知道在1969年，美国航天局把宇航员送上了月球。当时他们所拥有的所有的计算能力都不如我们今天的一部手机。 我们经常开玩笑，美国人用那样的计算能力把宇航员送到了月球表面，但是今天我们拿着手机来打游戏，或者做一些看起来微不足道的工作。但这就是技术的进步。 戈登·摩尔（Gordon Moore）（左）和罗伯特·登纳德（Robert Dennard）（右） 谈到集成电路的发展时，有两个人我们不得不谈。一个是戈登·摩尔（Gordon Moore），他在1965年的一篇论文中提出了著名的摩尔定律。他通过观察，预测到集成电路的集成度大概每过一年翻一番，后来又修改为每过18-24个月翻一番。 过了将近十年的时间，人们在回顾这篇论文时，惊奇地发现摩尔预测的非常准。于是，人们产生了另外一个疑问，我们应该用什么样的方法延续这样的发展速度，每年都能让集成度翻番。 1974年，IBM的科学家罗伯特·登纳德（Robert Dennard）在论文中写道，按照他的方法，就可以一直延续摩尔定律。他提出的正是等比例缩小的方法，该方法讲的就是如何去实现摩尔定律。登纳德定律和摩尔定律合称为摩尔定律。 说到摩尔定律，只需要记住三件事：每代工艺与上一代相比，在面积不变的情况下，晶体管的数量翻一番；或者在晶体管数量不变的情况下，面积可以缩小到原来的二分之一；它的速度提升40%，功耗下降50%。我们称之为PPA，即Performance，Power，Area。只要你知道PPA，就表明你是了解集成电路的。按照这样的发展速度，每18个月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的发展速度。 单个芯片上的晶体管密度指数攀升 我们可以看到，从250纳米到5纳米，单位面积上可以集成的晶体管数量急剧上升。在250纳米时，我们可以在一个平方毫米的面积上集成11.2万个逻辑门。一个逻辑门相当于4个晶体管，11.2万个逻辑门相当于45万只晶体管。到了16纳米的时候，我们可以在一个平方毫米的面积上集成大概400多万个逻辑门，即大概1500万个晶体管。而到了5纳米时，我们可以在一个平方毫米的面积上集成2800万个逻辑门，即1亿多个晶体管。 一个平方毫米的面积，相当于一个芝麻粒大小。今天一颗芯片可以做到500个平方毫米，也就意味着我们可以在单个芯片上集成500多亿只晶体管。全人类一共80多亿人，每生产一颗芯片可以给全人类每个人分几只晶体管。所以我们的集成度非常高，这样高的数量意味着这个系统异常复杂。 摩尔定律揭示了生产当中不断发展的现象，如果它按照2的N次方继续发展，会对社会带来怎样的影响？ 2015年4月19日，在摩尔论文发表的50周年，人们在硅谷举办了一个纪念会，邀请摩尔前来参加，同时也邀请了两位嘉宾。 一位嘉宾是加州理工的教授卡弗·米德（Carver Mead），他说：“摩尔定律不是一个物理定律，它是人类本性的一个定律。人们知道什么在物理上是可以实现的，而且对之深信不疑。”这句话非常有哲理。卡弗·米德认为人们相信某件事可行时就会努力去做。因此，摩尔观察到现象，但真正实现摩尔定律的是全体的从业人员，是我们全人类。 另外一位嘉宾是英特尔公司的前高级主管比尔·戴维德（Bill Davidow），他说：“社会和经济变革是巨大的。在50多年前传递信息不仅缓慢，而且非常昂贵。因此，我们把人们移动到距离信息近的地方。” 这句话的意思是说，过去我们要到超市去买东西，但是不知道超市里有什么东西，该怎么办？我们就需要亲自去超市进行选择，即把人移动到离信息很近的地方。但是，借助电子商务的发展，我们可以把信息移动到人们所在的地方，通过手机下单把东西移动到家里。 因此，比尔·戴维德说：“由于摩尔定律，我们将会重建所有的物质性基础设施。” 大家平时可以观察到，有些大商场慢慢消失了，或者退化成娱乐中心，原因是电商的出现导致整个社会形态发生变化。这背后真正的驱动力是信息技术，而信息技术最重要的基础就是半导体技术，即晶体管的发展。所以摩尔定律的社会意义是非常深远的。 这件事情只发生在半导体产业中，如果发生在其他领域，变化可能就更大了。到目前为止，没有任何其他的产业和技术，能够像半导体技术一样，按照摩尔定律在半个世纪中持续发展。 我做了一个简单的计算，假如同样的事情发生在汽车上会怎么样？那今天汽车的速度就会达到每小时930万公里，比第三宇宙速度快了30倍；每百公里油耗只有0.6纳升，1纳升是10－9升，大概相当于一个唾沫星子，就可以跑100公里；最恐怖的是，这个车可以乘坐680亿个人。真要有这样一辆车的话，全世界的人上车都来不及。 芯片“杀手”
不仅如此，芯片的出现还改变了社会的很多方面，我称其为芯片“杀手”。 什么叫做芯片“杀手”呢？这是因为芯片“杀死”了很多东西。首先是曾经在我们生活当中扮演重要角色的胶卷消失了。胶卷的主要生产商是柯达公司，成立于1880年，但是在2012年申请了破产保护。它为什么会申请破产保护呢？因为胶卷没人买了，数码相机甚至手机的出现逐渐扮演了胶卷的角色。 在100年前的1921年，伟大的科学家爱因斯坦因为发现光电效应获得了诺贝尔奖。1969年，Boyle和Smith两位科学家开发了第一个电子成像技术，叫做电荷耦合器件CCD。 1991年，柯达公司发明了世界上第一款数码照相机，价值高达13000美元，重量5公斤。柯达公司认为数码照相机价格太贵了、太重了，不可能成为大家都接受的东西，所以把它锁到箱子里，并没有去生产。 但是，没想到由于半导体技术的迅速发展，不到10年的时间，很多卡片式的数码相机进入到千家万户，胶卷逐渐失去市场。 在发明CCD的40年后，2009年，Boyle和Smith两位科学家获得了诺贝尔物理学奖。 今天主要使用的成像技术是CMOS图像传感器，简称叫CIS。这样的图像传感器我们每个人的手机上最少有一个，多的有三四个。它所带来的产业每年产值有上百亿美元。今天胶卷只存在于一些特殊的行业，我们已经很少用到，甚至很多人都没有见过胶卷了。 第二个是机械钟表的消失。我们很多人都不会戴机械手表，而是选择电子表，甚至可能连电子表都不戴，拿一个手机就可以看时间了。发明于15世纪的机械钟表，从纯粹的计时功能来看已经没有存在的必要。像电子表的电子计时的功能，早在上世纪的1971年就被发明出来了，“杀死”机械钟表的也是芯片。 磁芯（左），磁盘（中）和磁带（右） 第三个是磁存储的消失。最早的计算机使用的并不是半导体存储器，而是磁芯存储器。1979年我第一次接触计算机的时候，使用的就是磁芯存储器，只有64K的内存。今天的笔记本电脑基本上都是4G以上的内存，和当时相比已经发生了翻天覆地的变化。 20年前，计算机也用到了很多磁盘，包括软的磁盘和硬的磁盘。现在的计算机也慢慢较少用到磁盘，而大量使用了固态硬盘，即半导体存储器组成的硬盘。 之前我们还用到的各种磁带，包括收录机上的磁带、随身听上的磁带和录像带，也慢慢地从生活中消失了。因为我们有了各种数码产品。 NEC发布的最早的静态随机存储器 为什么磁存储会消失？原因是我们用芯片来替代磁存储。 英特尔公司创立初期主要是生产半导体存储器。早在1966年，日本的NEC公司就发布了静态随机存储器，这个存储器改变了世界。 我们今天用到的半导体存储器既不值钱，又非常值钱。它的造价非常贵，但是我们可以花几百块钱就买几个G，因此又很便宜。当存储容量不够时，我们买一个内存条插进去就可以解决问题，所以“杀死”磁存储的又是芯片。 过去40年消失的东西 过去40年里，我们有太多的东西逐渐消失了。曾经人人都有科学计算器，今天已经没有人在用了。我们曾经骗家长说学英文、其实是听音乐的随身听，现在也已经消失了。我们曾经用便携式摄像机给孩子录像，记录他们的成长过程，现在也逐渐淡出人们的视线。还有个人助理、MP3、卡片式照相机、磁带录像机、GPS导航仪以及电子词典等等，这些东西都消失了。它们都进了手机，而手机的体积并没有发生根本性的变化。因为芯片太强大了，而且越来越强大。每过18个月，它的容量就翻一番，功能也就越来越强大。 因此，我们总结了一句话：芯片能够参与竞争的任何技术，最终都不可避免地成为失败者。如果发现某项技术已经被芯片做了，我们千万不要再去做，因为它最终会被芯片战胜，它一定成为失败者。 芯片的“极限”
芯片发展至今已经有60多年了，它有没有极限呢？有一天它会不会退出历史舞台呢？我认为任何事物的发展都有极限，不过我们离这个极限还很远很远。 现行的科学技术还是有极限的，半导体现有技术遇到的第一个极限就是物理极限。 栅极氧化层示意图（左）和扫描电镜图像（右） 目前半导体在不断地在做小，尺寸已经缩小到了纳米量级。尺寸达到纳米量级之后，最大的问题是我们很难避免漏掉电子，就像筛子做得不够密会导致很多东西掉下去。半导体的主要材料——栅极氧化层是尺寸最小的一层物质，只有1.5纳米。当真正做到1.5纳米时，电子会穿过它漏下来，产生漏电现象，无法进行控制。这个可能是现行技术能够达到的最小尺寸，但不是最终尺寸，我们还有很多新技术可以解决这个问题。 半导体现有技术的第二个极限是功耗极限。如果不对功耗加以控制，手机电池耗电极快，几分钟就要充一次电。由于技术的不断发展，现在的手机可以一天充一次电，其实我们最理想的状态是一部手机一个星期充一次电就好。如果智能手机的电池功耗能够达到这种状态，我们的生活会方便很多。 20世纪90年代预测的芯片功率密度的增长趋势（左）和功率密度的实际增长情况（右）
在提供大量功能的同时，半导体自身也需要耗电。我们用能量密度，或者功耗密度，来表征它的功耗情况。家里用的电熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦，它运行起来很烫，能将我们烫伤。早在上世纪的90年代，半导体的功耗密度就已经超过了每平方厘米10瓦，比电熨斗还烫。如果当时我们没有发展任何新技术，到2005年可能功率密度就会达到每平方厘米100瓦。但是，经过20年的技术发展，半导体的功能在不断提升，功耗并没有明显的上升，这是非常重要的进步。 工艺节点发展路径 半导体现有技术的第三个极限是工艺、器件和材料。今天我们往往用多少纳米来表征集成电路的先进性。世界上最先进的大概是7纳米，目前在大批量量产，很快5纳米也会量产，我们国家也实现了14纳米的大批量生产。在生产过程中出现了很多不同的节点，每次缩小到原来的0.7倍，以此一直不停地前进。 不断演进的晶体管结构 在发展过程中，最基础的器件是晶体管，晶体管也在不断演进。图片最左边是前一代晶体管，即平面型晶体管。平面型晶体管的硅上有条沟道，两端是源和漏，上面通一个栅极来控制沟道的电流是否通过。随着体积变小，源和漏逐渐靠近，电子跑得很快无法控制，怎么办？ 于是我们发明了鳍式晶体管，也称为FinFET。FinFET中间有一个像鱼鳍一样提起来的东西，用栅把它包起来，三面环栅，就有了比较强大的电场，可以控制电子能否通过。 但是到了5纳米时，鳍式晶体管也行不通了。我们需要做一个全包围栅的晶体管，用一个全包围栅把沟道全围起来，叫做Gate-All-Around（GAAFET）。 平面型晶体管在22纳米时出现了换代，鳍式晶体管在5纳米时也会出现换代，5纳米之后将出现全包围栅晶体管。所以晶体管结构在不断地变化发展。这种变化背后有很多的科学技术，其中最重要的是半导体材料的创新。 半导体使用的元素周期表中的元素 上世纪80年代，半导体材料只用到了门捷列夫元素周期表中蓝色标记的少量元素。新世纪之后，半导体材料的应用扩展了很多，大量的元素都被半导体用到。半导体的发展并不是简单地只用一种材料，而是会用到多种材料。所以，探索新型的半导体材料，成为今天晶体管发展的非常重要的技术路径。 5/45/32/22/14/10nm CMOS工艺步骤数 把东西无限缩小的工艺复杂度是非常高的。到65纳米时，我们大概需要走900步；到了10纳米时，我们大概需要走3300步。每步走一小时，也需要3300个小时才能完成。 这些工艺步骤数决定了生产周期的长短，今天的集成电路不可能在几天之内就完成生产，而是需要几个月甚至更长的时间才能完成生产。这几个月中不能出现任何差错，否则整批报废，就要重新开始。所以它是一个生产管理高度复杂、高度精密的技术。 半导体现有技术的第四个极限是经济的可行性。任何好的技术如果没有经济的可行性，那就达到了它寿命的终结点。 新建半导体制造厂成本 在上世纪，我们估计到2010年时建一个集成电路厂大概要花500亿美元，相当于当年销售市场的10%，这是代价非常昂贵的事情。幸好科技的发展没有让我们失望，我们的实际开销大概是100亿美元左右，节省了400亿美元。 即便如此，我们的花费仍然是一个天文数字。例如，在65纳米时，达到的盈亏平衡要投25-30亿美元。在14纳米时，我们花费的100多亿美元就达到了美国一个核动力航母打击群的建造费用。到7纳米时，我们要花费140-160亿美元。到5纳米时，大概要花将近200亿美元。 大家可能会疑惑，如此高昂的造价，我们是建一个核动力航母打击群，还是建一个集成电路制造厂？这是我们经常被问到的一个问题。 如果建一个集成电路制造厂，后面还要继续投入，所以集成电路厂的建造非常昂贵。正是因为建造成本的高昂，使得芯片也在慢慢变贵起来了。 芯片不再便宜 在28纳米之前，半导体的价格一直在走下行的通道，所以前几年会感觉手机价格很便宜，我们经常隔半年就换一部手机。但是，这两年一部手机高达几千块钱，可能很少有人频繁地换手机了，这部分是因为芯片价格的上涨导致手机越来越贵。 我们按照百万逻辑门，即400万个晶体管，作为一个基本单位计算芯片价格。在28纳米时，它是1.4美元；到16-14纳米时，它是1.62美元，价格已经开始上升；现在到5纳米时，它的价格上升很快。所以今后半导体不会很便宜，电子产品也不会很便宜，这是生产规律所决定的。 越来越少的制造资源 由于需要数额巨大的投资，所以集成电路的制造资源越来越少。现在全世界进入7纳米的生产线只有三星、中国台北的台积电、美国的格罗方德和英特尔四家公司。事实上英特尔应该是10纳米，它指的密度相当于7纳米。 今后如果全球只有两家公司在做半导体最先进的工艺时，我们想要拥有这个产能就非常难。这就是为什么我们中国也要大力发展半导体的根本原因。
如何制造一块芯片？
那么，我们如何制造一块芯片呢？制造芯片是人类历史上最为复杂的制造工艺。集成电路一般分成五大版块，包括设计、制造、封装测试、材料和装备。 集成电路产业的五大板块 通常我们讲集成电路主要是指设计、制造和封测。最近几年情况发生变化，我们把材料和装备也纳入集成电路的范畴。 很多人可能不了解什么叫设计、制造和封测，我用一个简单的例子来类比，虽然不是很准确，但是我们可以大概理解其中的内容。 设计、制造、封测三业相对独立的产业生态 集成电路的设计相当于一个作家在写作，它是一个创作的过程，是一个知识产权密集的过程，也是一个人才密集的过程。 作家写作完成之后需要印刷。这个印刷厂需要进行非常精密的印刷，字印得很小又很清晰，还能成千上百地印刷，中间不走样。这就相当于集成电路的制造。它是规模化制造导向、设备密集、投资密集和专利密集的产业。 书本印刷之后需要装订，避免书本散架，装订过程中需要用到的材料还要防止磨损。装订也是一个非常重要的工作，需要检查装订是否正确、整齐，这就相当于集成电路的封测。因此，写作、印刷、装订基本上对应了设计、制造、封测。 集成电路芯片结构示意图 芯片的制造高度复杂。如果我们打开一个芯片，会发现芯片里有几十层异常复杂的东西，包括介质层、存储器、互联、接触孔和晶体管等等。 我们用什么方式来建造如此复杂的芯片呢？芯片是靠一层一层的掩模板曝光刻蚀技术来建造的，这是鲍勃·诺伊斯发明并且沿用至今的技术。 集成电路芯片制造工艺流程示意图 真正去看集成电路的制造工艺，如果从单晶开始考虑的话，它经过的步骤非常长。从拉单晶、磨外圆、切片、倒角到最后引线键合、模塑、切筋成型、终测等等，这是一个非常长的产业链，它涉及到了材料、装备、设计、制造和封测等几乎每个环节。 光刻工艺示意图 这中间最重要的是光刻，光刻怎么做呢？ 我们举个简单的例子。我们有个晶圆片，在晶圆片的上面做一个氧化层。氧化层可以帮助我们阻挡一些不该进入到硅片的东西。蒸了一层氧化层后，就要在氧化层上涂一层光刻胶。在光刻胶上方放置掩膜版。光源从上面照下来，把掩膜版上的图形映射到涂了光刻胶的硅片上。随后去做显影，去掉暴露在光线里的光刻胶，只留下阴影挡住的那一块，即图中的L形。然后做刻蚀，把下面的氧化层刻掉。最后去掉L形上面的胶，这时就有个L形停留在硅片上面，这就是光刻技术。 这里我只简单展示了光刻技术中的七个步骤，如果加上清洗等环节，一层光刻过程可能包含十几个步骤。 集成电路的工艺节点和掩膜层数 我们今天的芯片制造可能会涉及到很多层，例如，在7纳米时候曾经高达到85层。优化之后，到7nm＋时我们只有75层。但是到5纳米时，我们又回到80层。 每一层都含有几十个简单的步骤，相乘之后，我们的制造就会有极多的步骤。例如，在10纳米时，我们就会有3000步。所以我们常用层数来表征制造的复杂度。如果制作1层需要1天的时间，那么我们制作5纳米就需要80天，所以集成电路需要很长的时间去制造。 我们的中国“芯”
那我们国家的芯片发展得怎么样呢？ 全球半导体市场分布情况 首先，中国是全球最大的单一半导体市场。2020年，我们中国使用的芯片价值1515亿美元，占比是35%。全球生产的芯片每三块中就有一块是被中国消费的。 中国集成电路产业链各环节发展情况 中国自己生产的集成电路并不是太多，在行业中最主要的是设计。我们去年的芯片设计产值一共是3778亿人民币，相当于约540亿美元。我们的增长速度非常快，在过去的十几年中，我们的设计提升了将近45倍，制造提升了将近14倍，封测提升了9倍。而同期全球的增长速度远远低于我们。所以，在新世纪以后，半导体芯片在中国的发展是非常快的。 中国芯片设计产业发展情况 从2004年到2020年，我国的芯片设计产业快速发展，年均复合增长是27.1%。这意味着我国芯片设计产业连续16年增长27%，增长速度非常快，每隔三五年就能翻一番。2014年以后，我国的芯片设计产业已经达到了相当大的规模，年均复合增长率仍然在保持在两位数，大概在25.2%。 中国芯片制造产业发展情况 前些年我们的芯片制造业发展速度不够快，过去16年的年均复合增长率是18%，但是最近的五六年在加速发展，已经达到24%。 中国芯片封测产业发展情况 我们的芯片封测业曾经是这个行业中规模最大的产业，虽然发展速度不是最快的，但是它长期主导着这个行业。它的年均复合增长率在15%左右，近些年发展速度有点放慢，基本在12.2%。 中国半导体装备产业发展情况 我们的芯片装备制造业也在迅速增长，现在年均复合增长率达到25%。 中国半导体材料产业情况 我们的芯片材料业起步非常晚，过去十年我们才慢慢起步，增长速度还不够快。 但是可以看到，我国拥有比较完整的产业链，有半导体产业链里的所有内容，尽管发展水平还不够高。 芯片产品全球市场占有率稳步提升 2004年，我们的芯片产品在全球市场的占有量只有0.58%；2020年，我们的全球市场的占有量达到了12.7%。之前提到，中国是最大的单一半导体市场，占世界市场的35%。按价值计算，我们只能满足12.7%，还有20%多就要完全靠进口，因此中国芯片进口量非常大。 中国企业进入全球前十 中国的企业进步也很快，我们在芯片设计、制造和封测都有企业进入了相关领域的前十位。设计企业有两家，代工企业有两家，封测企业有三家。 中国芯片的进出口情况 由于我国的芯片生产无法满足国内市场，因此我们芯片的进口量很大。从2013年开始，我们的进口芯片价值超过2000亿，2018年超过了3000亿，之后一直维持在3000亿以上。2020年我们的进口芯片价值达到了3500亿。 大家可能会疑惑，全球一共产了4000多亿的芯片，中国进口了3500亿，使用了1500多亿，剩下的2000亿进口去哪儿了？ 这2000亿装到整机中又出口了。中国是世界工厂，一方面自己消费很多芯片，同时我们也给世界生产的很多整机也用到了很多芯片。如果今天中国不再生产整机，全世界的芯片厂家就无法卖出芯片，便会产生灾难性的结果。 高端芯片产品对外依存度很高 但也要承认我国是一个起步比较晚的国家，在芯片上仍然有很多短板，在高端芯片上还有很多是依赖国外的。但我们确实在不断地进步，上面这张表格中的数字这些年在不断提升，但是还有一些部分的市场占有率数字小于0.5。这并不意味着我们没有，只是我们还不能够在市场上占有重要的地位，这也是我们努力的方向。总而言之，高端芯片还没有摆脱对进口的依赖，这也是近两年我们为什么如此关注芯片的缘故。特别是在国际形势发生变化的时候，芯片带来的一些痛处，让我们非常难受，我们要加速努力。 今天我的分享到此结束，谢谢大家！
本文经授权转载自微信公众号“格致论道讲坛”，原标题为《芯片能够参与竞争的任何技术，最终都不可避免地成为失败者 | 魏少军——科学讲坛》。