人类最复杂的工程：芯片制造到底有多难？

芯片，是所有现在科技应用到现实中的基础，做为一个崛起的大国，掌握芯片技术，是一种必需。

不过国际社会，也是“一山不容二虎”，另一个大国，是不会眼睁睁看着另外一大国的崛起的，所以，通过各种手机，限制另一个大国芯片产业的发展，也成了一种必然。

芯片，看起来很小，就一个指甲盖大小，但是里面所涉及的技术却相当复杂，丝毫不亚于建造飞机和航母。方寸之间，把包含了数十亿个晶体管，有人说，用高倍显微镜来观察芯片的内部结构，比世界上任何一座都要复杂和庞大。如果说，这个世界上哪一种东西把“纳须弥入芥子”这句佛法成为了真实，我想，一定是芯片。

看了西瓜视频创作人抖抖代码的视频，本人想在他的基础再展开一下，让大家了解更多有关芯片产业链接知识。

那制造芯片到底有多难呢？我们得说起，首先看看芯片是怎么做出来的。

制造芯片之前，需要设计芯片。芯片设计需要有相应的芯片架构，芯片架构就好像房子的结构框架，比如木结构，土木结构，混凝土结构，钢结构等等。现在全球主的要芯片架构主要有四种，分别为：X86、ARM、RiSC-V和MIPS四种。

1、X86架构由美国INTEL公司在1978年发明，中架后面的AMD，IBM也沿用这种架构分别研发了自己芯片，现在PC机上面运行的CPU基本都是X86架构，X86架构的特点是性能高，速度快，兼容性好。

3、RiSC-V架构是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。RiSC-V架构由RiSC-V架构基金会运营，目前拥有成员超275名，其中软、硬件公司和机构会员达169家，阿里，谷歌，华为科技，紫光科技都是它的成员。阿里旗下的玄铁系列就是使用RiSC-V架构。

4、架构是美国MIPS科技公司在1981年发明的，是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，它是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

从上面的资料可以看出，当正主流的芯片技术都在美国和英国所控制，特别是在应用最为广泛的PC和移动端芯片，通过几十的沉淀和完善，其实国家如果要从零开始进行赶超，可以说比送宇航员登月还要难。

聊了芯片架构，我们接着开始聊芯片设计，因为芯片的设计不同于其它工业设计，需要用到专用的设计软件。

芯片的设计软件有很多种，不同的设计需求使用对应的设计软件，现在主要的芯片设计软件有以下几种：

可以看到，上面这么多这些设计软件的拥有者基本都是美国公司，使用这些软件，都需要进行购买，如果有一天，这些公司不开放给其它国家的芯片公司使用，只要在后台把权限一切断，就什么事都干不了，因为每一个软件的使用的终端都有一个ID，可以随时把ID的权限关闭。就像VX封号，大家有体验过的一下就明白了。

也有朋友说，不就是一个软件吗？他不给买咱们写一个出来就行了，其实这种工业设计软件不是我们常用的APP，几个月就能开发一个，这种软件也是需要通过长期的研发，再通过不同的场景应用再进行升级完善。而且中间牵涉到的算法也非常复杂，需要应用到数字，物理，工程学等各种学科。从来开发这样的软件，没有10多20年是拿不下来的。

此文还未完稿，就收到哈工大，哈工程两所大学被禁止使用工科数据处理软件MATLAB的消息。

芯片设计出来了，终于要开始生产了

制造芯片的原料非常简单，绝大部分来源于沙子，随处可见，储量非常丰富，取之不尽，用之不竭，所以原材料是不缺的。下面开始按步骤来制造

1、对沙子进行脱氧，提取沙子中的硅元素，这也是半导体制造产业的基础元素。2、硅熔炼 ，通过多脱氧，熔炼，净化得到大晶体，就是大大的一坨，学名叫作硅锭。

3、，把硅锭横向切割成圆形的单个硅片，也就是大家所说的晶圆，晶圆会进行抛光打磨，打磨甚至可以拿出来当镜子用的光滑度。

4、涂胶，在旋转过程中向晶圆上均匀的涂上一层薄薄的胶。

5、光刻、通过光刻机把一个已经设计好芯片电路的芯板上所有的电路图都刻在晶圆上，此时形成了芯片的核心电路图案。

6、掺杂、在真空中向硅中添加其它的元素，以改变这些区域的导电性，这是为了下一步半导体晶体管制造奠定基础。

7、，MOS管是构成芯片门电路的核心，一个芯片有几十亿个这样的晶体管来组成，这一步主要的工艺就是制造MOS晶体管，形成MOS管包括元极，漏极，门极，沟区等在内的原件，然后盖上一层黄色的氧化层，再在最外层再覆盖上一层铜，以便能与晶体管进行电路的连接。最后一道工序就是把他们磨平

8、按照同样的工序制造几十亿个这样的晶体管，晶体管之间通过这些错综复杂的电路相连接，形成一个大型的集成电路。

9、检测、丢弃有瑕疵的内核，这些晶体都是在纳米级别的测试过程中，发现有瑕疵的内核将被抛弃。

10、切割、这样一个晶圆上一次会产生多个芯片内核，现在把它切割成每一个单独的芯片内核，切割后的芯片内核安装在芯片的基座上，这就是一个芯片的成品了。11、等级测试以及评定、对芯片的最高频率，功耗，发热等进行评价，按照测试结果，评定以不同的型号进行出厂销售。

这就是制造一个芯片的全过程，看起来只有这11步，其实中间的工序有数千道，就是光刻这一道工序要经过上千次的反复操作。工序繁杂，对工艺的要求就非常高，不然生产出来的良品率会非常低，芯片的生产的每一道工序，必须达到100%的良品，就算每一次达到99%，到了最后一道，良品率可以还达不到10%，这样制种出来的芯片成本会非常高。

说到芯片的制造，现在全球能生产芯片的公司有以下十家：

1、美国的英特尔

2、韩国的三星

3、美国的德州仪器nm

4、日本东芝

5、日本索尼

6、台湾台积电

7、意大利和法国的意法半导体

9、韩国的海力士

10、中国的中芯国际

其中美国有3家，日本有3家，韩国有2家，中国有2家，能够生产7nm制程却只有两家，分别是台积电和三星。

虽然上面的这些公司都能生产芯片，但是都需要一件关键设备：光刻机，现在全球能生产光刻机的企业只有一家：荷兰ASML（阿斯麦尔）。如果ASML不向以上10家芯片生产企业的某一家销售光刻机，那么这家企业的工艺制程就只能停留在当前的水平，再也无法向前，竞争，是不存在，这就是赤裸裸的垄断。

有些人也许会问，ASML是荷兰公司，和西方大国的打压行动没有关系，这样想就错了，ASML的机器当初发展的时候因为缺资金，只好找客户来投资，才得发展，所以，ASML的光刻机基本属于自产自销，其中最大的股东就是美国的英特尔，在某种程度来说，虽然ASML是荷兰企业，却是美资控股。

为了彻底控制芯片产来整条供应链，西方大国从很早开始，就开始了布局，从芯片架构到芯片设计，然后再芯片生产，牢牢把握住了话语权，芯片产业中的西方大国，就像社交领域的鹅厂，电商领域的猫厂，己经扎根到了细节末节，没有任何办法能够绕过去。

其实在上个世纪，高丽和扶桑的芯片产业曾一度非常发达，大有超越西方大国之势，后来西方大国用尽各种办法，把这两个国家的芯片全部整下去，牢牢的把科技标准的制定权控制在自己手。

打压虽然正在再来，但是历史却不会重演。

虽然东方大国要想取得到芯片的自主权，重新塑造世界标准，是非常有难度的，但是我们相信，中华民族的智慧无与伦比，总有办法克服这个困难，拥有自己的芯片全产业链，做为先头部队，菊花厂己经在国际标准的制定中踏进了一只脚。只要有更多的企业和人才从后助力，这条缝隙就会越挤越大，然后把整个身子都挤进去，最后坐在那把本来应该属于我们的椅子上。

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