對比“兩彈一星”工程，聊聊搞芯片的難！
來源：芯論語
摘要：目前芯片產業的重要性得到了全體國民認同，加快發展芯片產業已成為社會各界共識，同時公眾對搞芯片的艱鉅性也有所瞭解。但是芯片到底有多難搞？是否要全部自己搞？認識還難統一。有人問光刻機和氫彈哪個更難搞？這是兩個單項的比較。發展“國產芯片”是個系統工程，可否和“兩彈一星”工程比較一下，想想哪個更難搞？本文重點從學科交叉、精密至極、規模巨大、極其複雜、元素超廣、機器生產、投資巨大、品種繁多這9個方面，聊一聊搞芯片的難。
“兩彈一星”和“國產芯片”對中國發展進程都是至關重要的。前者是老一輩革命家為新中國的強盛和穩定做出的重大戰略部署，也是老一輩科學家向難而生，嘔心瀝血，隱姓埋名，為祖國繁榮獻上的大禮。他們值得後輩永遠敬重、學習和紀念。而後者將在中華民族偉大復興的進程中發揮巨大作用。因此，這兩個系統工程對中國發展的意義非凡，所以可以放在一起分析比較，找出發展國產芯片的難點和痛點，制定中國芯片產業補短板，強弱項的最佳路徑。
圖1.“兩彈一星”部分功勳人物 鄧稼先、錢學森、于敏、孫家棟
圖2. 中國芯片產業主要奠基人 黃昆、謝希德、林蘭英
筆者認為“兩彈一星”從發展條件看，比“國產芯片”難得太多了。但從涉及的科技領域的廣度看，發展“國產芯片”應該是更難一些。這不是否定前者的難度，在物資極度匱乏的條件下，“兩彈一星”人克服千難萬險取得任務圓滿成功，是很了不起的歷史壯舉。但從涉及的科技領域的廣度看，發展“國產芯片”的任務也非常艱鉅。另外，搞芯片的難度還在於芯片應用廣泛，要滿足眾多用户的性能和體驗要求比較困難。例如手機，只有大眾願意買單才會成功，否則就不算成功。而“兩彈一星”的目標很明確，目標實現即是成功。
下面就聊聊搞芯片的各種難。
一、製造之難
造芯片之難，雖沒有難於上青天，但卻是讓中國高科技發展面臨前所未有的困難。這個集多種學科之大成的領域，確實不是一時半會兒，想突破就能突破的。“不經歷風雨，怎麼見彩虹，沒有人能隨隨便便成功”。只有充分認識困難，克服困難，“把握生命裏的每一分鐘，全力以赴我們心中的夢”，芯片實現自主可控的中國夢才能實現。下面就從9個方面，看看發展芯片產業到底有多難。
1.學科交叉
芯片是一門多學科綜合應用的的技術。其中包括固體物理學、量子力學、熱力學與統計物理學、幾何光學、材料科學、化學，還涉及電子線路、信號處理、計算機輔助設計、自動控制、測試和加工、圖論等多個領域。所以需要許多跨領域專業人才的積累，需要產業鏈各環節的緊密合作。例如化學，芯片製造流程中的化學反應有100多種。隨着新材料應用和工藝進步，芯片製造中還會不斷利用新的化學反應過程。
2.精密至極
瑞士手錶佳天下，瑞士工匠以精湛、精密的製表技藝雄霸世界。但是手錶的精密性與芯片相比，卻是小巫見大巫。我們拿根頭髮來對比一下，看看芯片中電路是何等的的精細和密集。
人類頭髮的直徑一般是0.1mm。把一根頭髮切斷，在顯微鏡下看，髮絲的橫切面是直徑0.1mm（即100μm）的圓。圖4可以看到芯片上的晶體管（圖中箭頭所指的小紅點，面積在1μm x 1μm以內）相對於頭髮橫切面是多麼微小。現在的晶體管還可以做得更小。晶體管雖然微小，但它的結構並不簡單，它是由多層物質和多個條塊結構組成（圖示在虛線框中）。
假如要在髮絲橫切面大小的硅片上製作集成電路，按照台積電（TSMC）7nm的邏輯工藝，這個面積上可以並排製造2127根連線（100000nm/47nm，47nm是線寬7nm加上連線間距40nm）。當然集成電路不是簡單的連線，它由複雜的電路布圖組成的。圖4中部圓裏的圖案，表示髮絲橫切面大小的硅片上可製造的電路圖案，線條精細度為7nm的。芯片的“精密至極”實至名歸。今天，用户要求很高，芯片人不得不沿着“面積縮小，性能增加”的摩爾魔鬼定律一條道走到黑。
3.規模巨大
芯片規模大小是指芯片中集成的晶體管、存儲單元、電阻、電容等元件數量多少。芯片功能越複雜，集成的元件數量越多，芯片規模就越大。目前，面積不到1cm²的CPU芯片中可集成多達幾十億只晶體管，存儲器芯片中可集成多達數萬億個存儲單元。例如蘋果公司iPhone6的CPU芯片A8（最新款是A11）集成了20億隻晶體管，面積只有89.25㎜²（8.5mm×10.5mm），採用20nm的製造工藝，也就是説芯片中電路的最窄線寬是20nm。長江存儲128層3D Nand閃存芯片X2-6070的容量為1.33Tb，即單芯片中至少集成了1.33萬億個存儲單元。而且隨着製造工藝的進步，芯片規模還會繼續增大。
説這多還是沒有感覺？那就用有形東西的面積做個對比吧！
圖5. A8芯片放大25萬倍後，面積有半個深圳灣高新區大，電路連線精細至5毫米；再放大500倍，面積將超過西藏面積，電路連線精細至2.5米。
人眼看5mm寬的線條才能看得清楚和舒服。所以，若要看看A8芯片中晶體管規模有多大、電路有多複雜，就要把20nm的線寬放大到5mm寬，放大倍數是250000倍（25萬倍）。這時，A8芯片的面積就達到5.578平方公里，大約是半個深圳灣高新園區的面積（11.5平方公里）。你將會看到震撼的畫面！在半個深圳灣高新園區的平面上，佈滿了由5mm寬的線條縱橫交錯連接構成的“電路森林”。把20億隻晶體管平均開來，在每1平方米的面積上就集成了358個晶體管以及電路連線，連線寬度只有5mm。
你如果還想鑽進這個“電路森林”看看，就把A8芯片再放大500倍，面積達到了139.45萬平方公里。在這個比西藏面積還大的平面上，佈滿了2.5米寬的線條縱橫交錯構成的“電路深林”。以下視頻展示芯片無限放大，人們可飛入芯片中的“電路森林”，看看集成電路的精密和電路規模的巨大。
視頻1. 芯片無限放大，人們可飛入芯片中的“電路森林”看看
5.極其複雜
芯片的複雜性是由精密至極和規模巨大兩個特點決定的，主要包電路結構、EDA工具、製造設備、製造程序、條件保障等方面的複雜性。
電路結構複雜：芯片應用五花八門，芯片內部的結構也千變萬化。最複雜的芯片當屬CPU、GPU、人工智能等芯片，數十億隻晶體管連接成預設的電路功能，在軟件配合下完成像人的大腦一樣的工作，複雜性和難度可想而知。
EDA工具複雜：EDA工具軟件就是電子設計自動化軟件（Electronic Design Automation）。開發EDA工具雖然是寫軟件，但它離不開芯片製造技術方面的知識的積累。這樣的軟件要能把數十億（甚至更多）晶體管擺放在面積不到1cm²（甚至更小）的硅片上，並且連接成想要的電路功能。同時，還要具有仿真和驗證功能，保障送去芯片製造廠（晶圓廠）的設計數據萬無一失。隨着製造技術的更新和換代，EDA工具還要隨之更新和升級。EDA工具軟件是最難設計的軟件。
製造設備複雜：芯片製造用到的設備很多，主要包括單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射台、化學機械拋光機、光刻機、刻蝕機、離子注入機、晶圓減薄機、晶圓劃片機、引線鍵合機等等。大家對光刻機已不陌生，先進的EUV光刻機只有荷蘭阿斯麥爾（ASML）能生產，據説其中的光源技術來自於美國。每台高達1.2億美元的售價，我們有錢也難買。光刻機的精密程度決定了芯片製造的工藝的精度。
製造程序複雜：芯片製造過程一般包括芯片設計、晶圓片製造、晶圓上電路製作、封裝和測試等幾個過程，其中晶圓上電路製作過程尤為的複雜。首先是根據芯片設計數據製作多層的光掩膜（Mask）。其次是製作晶圓表面上的電路。按照工藝和光掩膜數量，從第一層光掩膜開始，有選擇地循環進行“晶圓塗膜、晶圓光刻顯影、蝕刻、摻加雜質、氧化膜、拋光”，返回做下一層光掩膜循環。最後是晶圓測試、劃片、封裝和成品測試。晶圓表面電路製作程序的複雜性由光掩膜層數決定。目前，芯片製造有時要執行100多道工序，製造程序十分複雜。
條件保障複雜：芯片製造除了設備重要外，水、電、氣的條件保障也很重要。水是純水，芯片製造廠要有高質量的純水製備能力，這裏的純水比飲用純淨水的純淨度要高。電力保障是更重要的一環，芯片製造廠要有雙變電站、雙線路的備份供電保障，防止電站和迴路出現故障時停電。芯片製造廠意外停電的經濟損失很大。氣體是指生產中要用到十多種化學氣體。這些氣體按用途分可為運載氣、保護氣和反應氣。反應氣還可細分為外延氣、成膜氣、摻雜氣和幹刻蝕氣。主要包括氧、氫、氮、氬、氦、氫化物、鹵化物等。
6.元素超廣
世間萬物都是由元素組成，元素週期表中羅列了地球上發現的所有元素。如果把芯片產業中用到的元素用彩色標出，可以看到覆蓋了一大半的元素，利用率高達52.68%。這些元素通過晶圓、靶材、氣體、光刻膠、拋光液等形式應用在製造工藝中。這些元素利用過程既是研究、發現和創新，也是克服困難和經驗積累，從另一方面説明了芯片製造涉及知識之廣、造芯之難。
7.機器生產
芯片生產線是全自動化的流水線。各工序節點的設備都是在參數設置好後自動工作。工序節點之間的半成品通過機器人完成運輸。技術人員只需按生產工藝要求設置好設備和儀器參數即可。更自動化的目標是參數設置都無需人來完成，可通過主控網絡系統自動設置。技術人員只需完成工藝研發、規範文件編制和生產計劃制定。可以説芯片生產線是智能製造的高級典範。下圖是某晶圓代工廠車間的生產場景。
視頻2. 晶圓代工車間生產場景（來源：優酷視頻）
8.投資巨大
芯片製造投資巨大是大家公認的。新建8吋、12吋特色工藝的晶圓廠需要數十億元～數百億元人民幣，新建12吋晶圓代工廠需要數百億美元的投資。武漢12吋存儲器生產基地投資總額高達240億美元。近日，台積電(TSMC)宣佈在美國建廠，投資額為120億美元。另外，芯片設計公司研發一款先進工藝的芯片投入也很大。芯片研發、流片、測試、封測等費用合計在數千萬元～數億元人民幣不等。因此芯片業是燒錢的行業。只有對的人、在對的時間、並佔據了行業優勢地位才能賺錢。但是在國外技術封鎖條件下，芯片產業作為信息技術產業和國防建設的基礎保障，再大強度的投入都不為過。
9.品種繁雜
芯片廣泛應用在各個領域。因應用環境和功能不同，芯片的品種非常多。可按照不同的關注點進行分類，例如按電路性質分為數字芯片、模擬芯片和數模混合芯片，包括 CPU、存儲器、放大器、ADC、DAC等；按通用性分為通用芯片和專用芯片，包括通用邏輯門、接口電路、SOC、計量芯片等；按芯片功能分為處理器、存儲器、電源、接口等；按外觀和封裝形式分的話種類更多，包括DIP、SIP、CLCC、PGA、BGA等多達20種以上。芯片的外觀更是形態各異、千變萬化。
二、應用之廣
芯片應用之廣實際佐證了它的重要性，重要的事情往往難度較高。芯片廣泛應用在國防軍工、航空航天、通信導航、電子政務、消費電子、物聯網、人工智能、機器人、雲計算、大數據、智慧城市、裝備製造等領域。隨着全球信息化和知識經濟時代的到來，芯片產業的戰略地位越來越重要，已成為事關國民經濟、國防建設、人民生活和信息安全的關鍵產業。芯片和軟件一起，被稱為信息化社會的基石。早在二十年前就有人預言，誰控制了超大規模集成電路，誰就控制了世界產業。
三、大國必爭
現在，大家都明白了芯片產業的重要性，尤其是支撐產業發展的芯片核心技術。《國家集成電路產業發展推進綱要》開頭就指出，集成電路產業是信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。近兩年美國打壓中國的高技術產業，就是從芯片入手，從核心技術方面卡中國的脖子。雖然全球科技合作和產業鏈全球化佈局是時代主流，但是我們可以預見，中美在芯片核心技術上的長期競爭將無法避免。中國要更加重視芯片核心技術研究和創新，重視補短板、強弱項工作，堅持既獨立自主又開放合作的大方向，大力促進我國集成電路產業上新台階。
結語：本文從9個方面，分析了搞芯片的難。正因為難，芯片產業才成為當代高技術產業金字塔上的皇冠，才成為美國為了保持高科技領先地位，堅決打壓中國的利器。十多年來，行業人士一直宣傳和呼籲芯片產業的重要性，但效果不佳。一些人對芯片產業沒有感覺，原因是花錢多、太難搞、規模不大，而且認為這是發展了60多年的舊東西，不如物聯網、雲計算、大數據、人工智能等，概念又新，規模又大。但是他們不明白，這些產業的支撐根基卻是在芯片產業！美國打壓中興和華為，讓我國民眾驚醒，認識到了芯片產業的重要性。本文希望説明發展芯片產業的艱鉅性。只有認識到其重要性和艱鉅性，我們才能制定出正確和科學的發展路線，我國芯片產業自主、安全、可控的目標才能儘早實現。
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