在中國和“外國”這兩國的較量中，究竟哪一國更占上風(fēng)？有說中國吊打外國，有說外國輕松把中國摁在地上摩擦，雙方都列舉了林林總總的例子，整得我們吃瓜群眾一臉懵逼。

中間派肯定說兩國各有利弊，但這結(jié)論雖然正確卻沒啥營養(yǎng)。想要在這個話題上顯得有見識，得先搞明白啥是技術(shù)？

01.核心技術(shù)，到底是個啥？

把技術(shù)分分類，第一類姑且叫“可山寨技術(shù)”，或者叫“純燒錢技術(shù)”，有人喜歡往左邊燒，有人喜歡往右邊燒，于是就燒出了不同的應(yīng)用技術(shù)。

這本質(zhì)上是用舊技術(shù)整合出新玩意兒，比如，美帝登月的土星五號，中國的跨海大橋，小胡子的鼠式坦克，甚至包括長城和埃及金字塔。

打個比方，這有點像吉尼斯紀錄：最長的頭發(fā)，最長的指甲，等等……這類東西，只要錢到位，擱誰都燒的出，關(guān)鍵看有沒有需求，所以這些也可以叫應(yīng)用技術(shù)。

比如架橋機，幾個工業(yè)大國都能搞，但搞出來只能當(dāng)玩具，只有中國搞出來才賺錢。

我國在經(jīng)濟發(fā)展起來之后，迸發(fā)出海量需求，推動各種燒錢的應(yīng)用技術(shù)井噴，賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細節(jié)，于是，可以不吹牛的說，中國的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)和整個外國平起平坐。

第二類技術(shù)暫且叫“不可山寨技術(shù)”，或者叫“燒錢燒時間技術(shù)”，任何牛逼設(shè)備，你拼命往細拆，最終發(fā)現(xiàn)都是材料技術(shù)。

做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的成分可以告訴你，但你做的菜就是沒我做的好吃，這就是核心技術(shù)。

除了生物醫(yī)學(xué)之外，核心技術(shù)說到底就是材料技術(shù)，看一串例子：

發(fā)動機，工業(yè)皇冠上的明珠，是我國最遭人詬病的短板。其核心技術(shù)說白了就是渦輪葉片不夠結(jié)實，油門踩狠了就得散架，無論是航天發(fā)動機、航空發(fā)動機、燃氣輪機，只要帶個“機”字，我們腰桿都有點軟。

材料技術(shù)除了燒錢、燒時間，有時還要點運氣。還是以發(fā)動機為例：金屬錸，這玩意兒和鎳混一混，做出的渦輪葉片吊炸天，錸的全球探明儲量大約2500噸，主要分布在歐美，70%用來做發(fā)動機渦輪葉片，這種戰(zhàn)略物資，妥妥被美帝禁運。

前幾年在陜西發(fā)現(xiàn)一個儲量176噸的錸礦，可把國人樂的，馬上拼了老命燒錢，這幾年苦逼生活才有了起色。

稀土永磁體，就是用稀土做的磁鐵，能一直保持磁性，用處大大的。高品位稀土礦大多分布在中國，所以和“磁”相關(guān)的技術(shù)，我們比美帝還能嘚瑟，比如核聚變、太空暗物質(zhì)探測等。

據(jù)說，我國前幾年也對美帝禁運，逼得美帝拿錸交換，外加陜西安徽刨出來的那點錸，J20的發(fā)動機才算有些眉目。

作為“工業(yè)之母”的高端機床，我們基本和男國足一個水平，只能仰望日本德國瑞士。

材料是最大的限制之一，比如，高速加工時，主軸和軸承摩擦產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致主軸抬升和傾斜，還有刀具磨損，等等，所以對加工精度要求極高的活，國人還是望“洋”興嘆。

光學(xué)晶體，我國的部分產(chǎn)品還能對美帝實施禁運，所以和光相關(guān)的技術(shù)都不弱，比如激光武器、量子通信。氣動外形，得益于錢學(xué)森那輩人的積淀，與之相關(guān)的技術(shù)也是杠杠的。

如果我們繼續(xù)羅列，就會發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用寬泛的基礎(chǔ)性材料，中國還是落后外國，應(yīng)用相對較窄的細分領(lǐng)域，中國逐漸領(lǐng)跑。

下面，重點來了！

這種關(guān)鍵核心材料，全球總共約130種，也就是說，只要你有了這130種材料，就可以組裝出世界上已有的任何設(shè)備，進而生產(chǎn)出已有的任何東西。

人類的核心科技，某種程度上說，指的就是這130種材料，其中32%國內(nèi)完全空白，52%依賴進口，在高端機床、火箭、大飛機、發(fā)動機等尖端領(lǐng)域比例更懸殊，零件雖然實現(xiàn)了國產(chǎn)，但生產(chǎn)零件的設(shè)備95%依賴進口。

這些可不是陳芝麻爛谷子的事情，而是工信部2018年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)，還新鮮著呢。

核心材料技術(shù)，說一句“外國仍把中國摁在地上”，一點都不過分。這其實很容易理解，畢竟發(fā)家時間不長，而材料技術(shù)不但要燒錢，更要燒時間。

這里得強調(diào)一下，應(yīng)用技術(shù)并不比核心技術(shù)次要，它需要資金、需求和社會實際情況的結(jié)合，雖然外國有能力燒，但也許一輩子都沒機會燒。

這兒肯定有人抬杠了：人家只是不愿意燒，不然分分鐘秒殺你！呵呵，如果強行燒錢，后果參照老毛子。

磨嘰半天，該回正題了，半導(dǎo)體芯片之所以難，是因為它不但涉及海量燒錢的應(yīng)用技術(shù)，還有眾多燒錢燒時間的材料技術(shù)。為了便于大家理解，這話得從原理說起。

02.芯片原理和量子力學(xué)

很多人覺得量子力學(xué)只是一個數(shù)學(xué)游戲，沒有應(yīng)用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，請看示范：

導(dǎo)體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，我們第一次被物理整懵的，怕是半導(dǎo)體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。

原子組成固體時，會有很多相同的電子混到一起，但量子力學(xué)認為，2個相同電子沒法待在一個軌道上。

于是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電，反過來，電子動不了就不能導(dǎo)電。

好了，我們把事情說得簡單一點，不提“價帶、滿帶、禁帶、導(dǎo)帶”的概念，準備圈重點！

有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動，這就是導(dǎo)體。一價金屬的導(dǎo)電原理稍有不同。

但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，也就不導(dǎo)電了。

但如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，也就是導(dǎo)電。

這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時能導(dǎo)電有時不能導(dǎo)電，所以叫半導(dǎo)體。

如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。當(dāng)然，如果是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。

如果你想進行1 1的加法運算，其電路的復(fù)雜程度就已經(jīng)超過了99%的人的智商了，即便本僧親自出手，設(shè)計電路的運算能力也抵不過一副算盤。

直到有一天，有人用18000只電子管，6000個開關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個超級復(fù)雜的電路，誕生了人類第一臺計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及現(xiàn)在手持計算器的十分之一。

不知道當(dāng)時的工程師為了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。

接下來的思路就簡單了，如何把這30噸東西，集成到指甲那么大的地方上呢？這就是芯片。

03.芯片制造與中國技術(shù)

為了把30噸的運算電路縮小，工程師們把多余的東西全扔了，直接在硅片上制作PN結(jié)和電路。下面從硅片出發(fā)，說說芯片的制作過程和中國所處的水平。

第一：硅

把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，切成片就是我們想要的硅片。硅的評判指標(biāo)就是純度，你想想，如果硅里有一堆雜質(zhì)，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

太陽能級高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產(chǎn)的，早被玩成了白菜價。

芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數(shù)了，11個9)，幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現(xiàn)量產(chǎn)，目前年產(chǎn)0.5萬噸，而中國一年進口15萬噸。

難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導(dǎo)體強國韓國，品質(zhì)應(yīng)該還不錯。不過，30%的制造設(shè)備還得進口……

高純硅的傳統(tǒng)霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資)，中國任重而道遠。

第二：晶圓

硅提純時需要旋轉(zhuǎn)，成品就長這樣：

所以切片后的硅片也是圓的，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經(jīng)有點耳熟了？

切好之后，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想，以目前人類的技術(shù)，怎樣才能完成這種操作？

用原子操縱術(shù)？想多了，朋友！等你練成御劍飛行的時候，人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。

首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪里來？光刻機，可以用非常精準的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來。

然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，這套設(shè)備就叫刻蝕機。在溝槽里摻入磷元素，就得到了一堆N型半導(dǎo)體。

完成之后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導(dǎo)體。

實際過程更加繁瑣，大致原理就是這么回事。有點像3D打印，把導(dǎo)線和其他器件一點點一層層裝進去。

這塊晶圓上的小方塊就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路并不比那臺30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。

只是采用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。

據(jù)說這就是一個與非門電路：

提個問題：為啥不把芯片做的更大一點呢？這樣不就可以安裝更多電路了嗎？性能不就趕上外國了嘛？

這個問題很有意思，答案出奇簡單：錢！

一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做出100塊芯片，10nm工藝可以做出210塊芯片，于是價格就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開了。

說個題外話，中國軍用芯片基本實現(xiàn)了自給自足，因為咱不計較錢嘛！可以把芯片做的大大的。

另外，越大的硅片遇到雜質(zhì)的概率越大，所以芯片越大良品率越低。總的來說，大芯片的成本遠遠高于小芯片，不過對軍方來說，這都不叫事兒。

可別把“龍芯”和“漢芯”混為一談

第三：設(shè)計與制造

用數(shù)以億計的器件組成如此龐大的電路，想想就頭皮發(fā)麻，所以芯片的設(shè)計異常重要，重要到了和材料技術(shù)相提并論的地步。

一個路口紅綠燈設(shè)置不合理，就可能導(dǎo)致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去，稍微有個PN結(jié)出問題，電子同樣會堵車。

這種精巧的線路設(shè)計，只有一種辦法可以檢驗，那就是：用！大量大量的用！

現(xiàn)在知道芯片成本的重要性了吧，因為你不會多花錢去買一臺性能相同的電腦，而芯片企業(yè)沒了市場份額，很容易陷入惡性循環(huán)。

正因為如此，芯片設(shè)計不光要燒錢，也需要時間沉淀，屬于“燒錢燒時間”的核心技術(shù)。

既然是核心技術(shù)，自然就會發(fā)展出獨立的公司，所以芯片公司有三類：設(shè)計制造都做、只做設(shè)計、只做制造。

半導(dǎo)體是臺灣少有的仍領(lǐng)先大陸的技術(shù)了，基于兩岸實質(zhì)上的分治狀態(tài)，所以中國大陸和臺灣暫且分開表述。

早期的設(shè)計制造都是一塊兒做的，最有名的：美國英特爾、韓國三星、日本東芝、意大利法國的意法半導(dǎo)體；中國大陸的：華潤微電子、士蘭微；中國臺灣的：旺宏電子等。

外國、臺灣、大陸三方，最落后的就是大陸，產(chǎn)品多集中在家電遙控器之類的低端領(lǐng)域，手機、電腦這些高端芯片幾乎空白！

后來隨著芯片越來越復(fù)雜，設(shè)計與制造就分開了，有些公司只設(shè)計，成了純粹的芯片設(shè)計公司。如，美國的高通、博通、AMD，中國臺灣的聯(lián)發(fā)科，大陸的華為海思、展訊等。

挨個點評幾句。

大名鼎鼎的高通就不多說了，世界上一半手機裝的是高通芯片；

博通是蘋果手機的芯片供應(yīng)商，手機芯片排第二毫無懸念；

AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。

臺灣聯(lián)發(fā)科走的中低端路線，手機芯片的市場份額排第三，很多國產(chǎn)手機都用，比如小米、OPPO、魅族。不過最近被高通干的有點慘，銷量連連下跌。

華為海思是最爭氣的，大家肯定看過很多故事了，不展開。除了通信芯片，海思也做手機用的麒麟芯片，市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。個人切身體會，海思芯片的進步真的相當(dāng)不錯。

展訊是清華大學(xué)的校辦企業(yè)，比較早的大陸芯片企業(yè)，畢竟不能被人剃光頭吧，硬著頭皮上，走的是低端路線。前段時間傳出了不少危機，后來又說是變革的開始，過的很不容易，和世界巨頭相差甚多。

大陸還有一批芯片設(shè)計企業(yè)，晨星半導(dǎo)體、聯(lián)詠科技、瑞昱半導(dǎo)體等，都是臺灣老大哥的子公司，產(chǎn)品應(yīng)用于電視、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，還挺滋潤。

還有一類只制造、不設(shè)計的晶圓代工廠，這必須得先說臺灣的臺積電。正是臺積電的出現(xiàn)，才把芯片的設(shè)計和制造分開了。

2017年臺積電包下了全世界晶圓代工業(yè)務(wù)的56%，規(guī)模和技術(shù)均列全球第一，市值甚至超過了英特爾，成為全球第一半導(dǎo)體企業(yè)。

晶圓代工廠又是臺灣的天下，除了臺積電這個巨無霸，臺灣還有聯(lián)華電子、力晶半導(dǎo)體等等，連美國韓國都得靠邊站。

大陸最大的代工廠是中芯國際，還有上海華力微電子也還不錯，但技術(shù)和規(guī)模都遠不及臺灣。

不過受制于臺灣詭譎的社會現(xiàn)狀，臺積電開始布局大陸，落戶南京。這幾年臺資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢和當(dāng)年合資汽車有的一拼。

大陸的中芯國際具備28nm工藝，14nm的生產(chǎn)線也在路上，可惜還沒盈利。大家還是愿意把這活交給臺積電，臺積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業(yè)務(wù)。

美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力，最近幾個月臺積電剛剛上線了7nm工藝，穩(wěn)穩(wěn)壓過三星，首批客戶就是華為的麒麟980芯片。

這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設(shè)計芯片，臺積電加工芯片。

說真的，如果大陸能整合臺灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，并利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，我們追趕美帝的步伐至少輕松一半。

第四：核心設(shè)備

芯片良品率取決于晶圓廠整體水平，但加工精度完全取決于核心設(shè)備，就是前面提到的“光刻機”。

光刻機，荷蘭阿斯麥公司(ASML)橫掃天下！不好意思，產(chǎn)量還不高，你們慢慢等著吧！

無論是臺積電、三星，還是英特爾，誰先買到阿斯麥的光刻機，誰就能率先具備7nm工藝。沒辦法，就是這么強大！

日本的尼康和佳能也做光刻機，但技術(shù)遠不如阿斯麥，這幾年被阿斯麥打得找不到北，只能在低端市場搶份額。

阿斯麥是唯一的高端光刻機生產(chǎn)商，每臺售價至少1億美金，2017年只生產(chǎn)了12臺，2018年預(yù)計能產(chǎn)24臺，這些都已經(jīng)被臺積電三星英特爾搶完了。

2019年預(yù)測有40臺，其中一臺是給咱們的中芯國際。

既然這么重要，咱不能多出點錢嗎？

第一：英特爾有阿斯麥15%的股份，臺積電有5%，三星有3%，有些時候吧，錢不是萬能的。

第二，美帝整了個《瓦森納協(xié)定》，敏感技術(shù)不能賣。

有意思的是，2009年上海微電子的90納米光刻機研制成功(核心部件進口)，2010年美帝允許90nm以上設(shè)備銷售給中國。

后來，中國開始攻關(guān)65nm光刻機，2015年美帝允許65nm以上設(shè)備銷售給中國，再后來美帝開始管不住小弟了，中芯國際才有機會去撿漏一臺高端機。

不過咱也不用氣餒，咱隨便一家房地產(chǎn)公司，銷售額輕松秒殺阿斯麥，哦耶！

重要性僅次于光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經(jīng)量產(chǎn)運行，7-10nm刻蝕機也在路上了，所以美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。

在晶圓上注入硼磷等元素要用到“離子注入機”，2017年8月終于有了第一臺國產(chǎn)商用機，水平先不提了。離子注入機70%的市場份額是美國應(yīng)用材料公司的。

涂感光材料得用“涂膠顯影機”，日本東京電子公司拿走了90%的市場份額。即便是光刻膠這些輔助材料，也幾乎被日本信越、美國陶氏等壟斷。

2015年至2020年，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)計劃投資650億美元，其中設(shè)備投資500億美元，再其中480億美元用于購買進口設(shè)備。

算下來，這幾年中國年均投入130億，而英特爾一家公司的研發(fā)投入就超過130億美元。

論半導(dǎo)體設(shè)備，中國，任無比重、道無比遠??！

第五：封測

芯片做好后，得從晶圓上切下來，接上導(dǎo)線，裝上外殼，順便還得測試，這就叫封測。

封測又又又是臺灣的天下，排名世界第一的日月光，后面還跟著一堆實力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元電子。

大陸的三大封測巨頭，長電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯，畢竟只是芯片產(chǎn)業(yè)的末端，技術(shù)含量不高。

（按：最新的消息，紫光29.18億臺幣入股第一封裝大廠日月光：占股30％）

04.說說我們的中國芯

說起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學(xué)微電子學(xué)院院長陳進教授從美國買回芯片，磨掉原有標(biāo)記，作為自主研發(fā)成果，騙取無數(shù)資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空前！以致于很長一段時間，科研圈談芯色變，嚴重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

硅原料、芯片設(shè)計、晶圓加工、封測，以及相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備，絕大部分領(lǐng)域中國還是處于“任重而道遠”的狀態(tài)。

那這種懵逼狀態(tài)還得持續(xù)多久呢？根據(jù)“燒錢燒時間”理論，掐指算算，大約是2030年吧！

國務(wù)院印發(fā)的《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要》明確提出，2030年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

當(dāng)前，中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實現(xiàn)零突破的階段，雖然市場份額微乎其微，但每個領(lǐng)域都參了一腳，前景還是可期待的。

05

芯片的極限在哪里

文末，習(xí)慣性抱怨一下人類科技的幼稚。

芯片，作為大伙削尖腦袋能達到的最高科技水準，其基礎(chǔ)的能帶理論竟然只是個近似理論，電子的行為仍然沒法精確計算。

再往大了說，別看現(xiàn)在的技術(shù)紛繁復(fù)雜，其實就是玩玩電子而已，至于其他幾百種粒子，還完全不知道怎么玩！

芯片加工精度已經(jīng)到了7nm，雖然三星吹牛說要燒到3nm，可那又如何？

你還能繼續(xù)燒嗎？1nm差不多就是幾個原子而已，量子效應(yīng)非常顯著，近似理論就不好使了，電子的行為更加難以預(yù)測，半導(dǎo)體行業(yè)就得在這兒歇菜。

燒錢也好，燒時間也罷，燒到盡頭就是理論物理?；A(chǔ)科學(xué)除了燒錢燒時間，還得燒人，燒的異常慘烈，100個高智商，99個都是墊腳石！

工程師可以半道出家，但物理學(xué)家必須科班出身，基礎(chǔ)科學(xué)在中國被忽視了五千多年，如今每年填報熱度還不如耍戲的。

不能光折騰電子了，為了把中微子也用起來，咱趕緊忽悠，哎，不對，是呼吁更多孩子學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)吧！