從沙子到晶元的奇妙旅程：中國芯必定雄起並走向世界

01

序章

最近中興通信被美國制裁的事件引發的了關於「中國缺芯」的大討論。

有很多人覺得，經過這樣被人一劍封喉的教訓，將迎來中國晶元產業快速發展壯大的契機。

晶元又被稱為大規模集成電路。顧名思義，就是把大量的複雜電路集中在一塊小小的矽片上，完成相對獨立的複雜功能。

如果你的好奇心非常強，可以拿箇舊手機拆開，會看到裡面電路板上那些黑色的方塊，這就是晶元了。

這樣的黑色方塊相當常見，是不是？但其內部的組成卻是非常複雜的，在這指甲蓋大小的面積上，集中了多達幾千萬甚至幾十億個晶體管以及它們互相連起來的複雜電路。

本文的主旨就是要談談晶元的前世今生：從沙子到信息產業「皇冠上明珠」的經歷了哪些奇妙的歷程。

02

晶圓的誕生

所有晶元的前世，都是一捧黃沙而已。它們默默地沉睡著，絲毫不知自己將在信息世界掀起巨大的波瀾。

在這些唾手可得的不起眼沙子里，蘊含著晶元製造最基礎的元素：「硅」。它在元素周期表裡排行14，符號為Si，原子量28，最外層有4個電子。

硅是地球上含量第二高的元素，含量最高的元素是氧。這兩種元素組合成二氧化硅（SiO2），蘊含在浩瀚的沙海里，廣泛而廉價。

二氧化硅聽起來比較陌生，但「石英」這個詞就相當常見了。沒錯，二氧化硅就是石英。

只不過一般沙子里除了石英，還有很多雜質。高純度的石英又叫「水晶」。

下面這張圖就是一塊很漂亮天然水晶。

一般使用二氧化硅含量高的石英砂來提取高純度硅。下面這張圖就是一塊冶金級硅，純度達到98%。

這樣的冶金級硅就能用來做晶元了嗎？還差得遠！這仍然只是原料而已。

這些冶金級硅再經過多次的提純，直到純度達到99.999999999%（11個9），才能滿足需要。

這個級別的高純度硅又叫「單晶硅」，一般是以硅錠的形態出現的。

單晶硅內部的硅原子完全整齊排列，就像開閱兵式一樣，步伐一致，整齊劃一。只有高純度的單晶硅才滿足晶元的製造需求。

單晶這個詞看起來比較遙遠，但其實離我們的生活也很近。

愛吃糖的同學，肯定吃過冰糖，如果仔細看包裝的話，上面一定印著「單晶冰糖」四個大字。沒錯，在這樣的冰糖里，糖分子也是整齊劃一地排列的。

再回到高純度硅錠，這些單晶硅都是棒狀的，經過打磨，切割，再打磨，就形成了一個個圓形的薄片，又叫做「晶圓」。

所有的大規模集成電路製造的開端都是晶圓。

不過，在製造之前，先要有電路的設計藍圖。

設計和製造也是業內很多公司的分野。

很多公司只做設計，而把後續的加工製造交給代工廠，如高通，聯發科等。台積電只做代工，Intel是從設計到加工一條龍都是自己做。

03

集成電路的設計

集成電路英文是Integrated Circuit，簡稱IC，因此集成電路設計又叫IC設計。

首先是規格制定。這個步驟就像是在設計建筑前，先確定要樓高、層高、戶型等數據之後再進行設計，這樣才不用再花額外的時間進行後續修改。

集成電路設計也需要經過類似的步驟，才能確保設計出來的晶元不會有任何差錯。

然後，藉助計算機語言和相關設計軟體進行邏輯設計，這是個相當複雜和專業的過程。我們先來看看下面這個邏輯設計的結果。

天哪，這也太複雜了吧？看裡面的三角形，半圓形，長方形等，都代表了能實現不同邏輯功能的器件。

比如，那個三角形的玩意就是反相器，輸入0輸出1，輸入1則輸出0，一切複雜的功能都是建立在這些簡單的東西之上的。

再下來，就到電路布局了。仍然是藉助電腦的幫助，把邏輯設計圖的轉化成具體的電路圖。

這才叫複雜，但是這還能看清一條一條的線，以及圓圈裡的基本單元：晶體管。

而下面這個圖，簡直密密麻麻一片，沒有電腦的幫助，人工已經不可能完成了。

下面的事情，會近一步刷新你對IC設計複雜度的想像。這密密麻麻的電路，還是立體的，有很多層！下面這張圖裡不同的顏色代表不同的層。

設計的工作到最後一步了，這就是為了下一步的加工，還需要把這些電路映射到一層層的光罩上去。

先來看看光罩長什麼樣吧。

光罩就是印有這些電路的一張張透明的薄膜，像照相底片一樣，為以後把這些電路刻在晶圓上創造了條件。

04

晶元的加工

有了晶圓和光罩，終於可以進行晶元的製造了。

前面說過，把光罩上的電路圖刻在晶圓上，就跟照相的原理差不多。

把下圖美女的衣服想像成光罩，陽光曬過之後，衣服擋住的地方就留下了漂亮的天然陽光紋身。

實際大體的原理是給晶圓塗上金屬薄膜和感光材料，然後讓光透過光罩射到晶圓上，被光罩上的電路圖擋住照不到光的部分留下，而被光照到的空餘部分的感光材料被分解除去，電路就被刻在晶圓上了。

實際的情況比這要複雜地多。要在指甲蓋大小的地方放下幾千萬乃至幾十億個晶體管，到底是怎麼做到的？難道是用鑷子夾著焊上去的？

因為硅這種材料比較特殊，導電性介於導體和絕緣體之間，因此叫做半導體。

給它摻雜不同的離子（砷，磷，磞等）會改變導電特性形成晶體管，如此之多的晶體管就是基於這樣的原理通過摻雜不同離子的方式刻進去的。

具體的晶體管長下面這樣，藍色、橙色和黃色部分都是硅內摻雜了其他離子後的結果，再多次光刻成了這個樣子。由於過於複雜，放在這裡看看就好。

那所謂了多少納米的製程工藝是指什麼呢？說白了就是這些晶體管的大小。晶體管越小，集成度越高，反應速度越快。

一納米相當於10億分之一米，目前14納米工藝已經成熟，10納米工藝仍然在商業研究與試產中，下一步就要到7納米工藝了。

事實上，光刻機是製造大規模集成電路的關鍵設備，製造和維護需要高度的光學和電子工業基礎。這可以說是整個信息產業最為「高精尖」的設備了。

光刻機技術，世界上唯有荷蘭的ASML公司才能生產的才是最好的，一台最先進的極紫外光刻機（EUV）售價要超過1億歐元，一年只能生產十幾二十台。

下圖就是ASML公司的極紫外光刻機，超級複雜的巨無霸。

到了這裡，晶圓加工完成！一片晶圓上被刻出了無數個下圖這樣微小的複雜立體電路。

下面是刻好的晶圓，像極了沒有中間圓孔的光碟。上面密布了大量一模一樣的刻好的晶粒。

下一步就是要把這些晶粒切割下來，測試封裝了。

下圖就是晶圓的切割，切下來的每塊叫晶片，也叫裸晶。至於切多大就看設計和使用的需要了。

裸晶長這樣，可以進行測試封裝了！

焊上管腳，固定，封裝，測試完成。成品晶元出爐，可以包裝後拿出去賣了！

市面上Intel的i7 CPU包裝長這樣，售價約人民幣5000元。

05

尾聲

這就是從沙子到晶元的完整旅程。這小小的晶元，裡面卻包含了像整個宇宙一樣浩瀚的電路，真可謂一粒沙子就是一個世界。

這樣的高精尖技術，形成了整個規模龐大的全球產業鏈。

而我國集成電路高端裝備和材料基本處於空白狀態，完全依賴進口。

雖然如今國產晶元雖然已經有很大提高，但要滿足國內電子製造業龐大的需求，還遠遠不夠。

目前中國的電子信息產業全球最大，年總產值已經超過了10萬億人民幣，但行業利潤卻一直不超過4%。

究其原因就是晶元全靠進口，經濟競爭力嚴重缺乏。

從2013年起，中國進口集成電路的價值就超過了2000億美元，到2017年更是達到了歷史新高的2601億美元，成了中國最大宗的進口商品。

晶元的進口規模超過了鐵礦石，糧食，甚至遠超過了同年的進口原油價值的1623.3億美元。

如此晶元全靠進口的話，一些命脈行業，例如正在蓬勃發展的5G產業，隨時可能會被人卡脖子，受制於人。這次是真的發生了。

國家科技重大專項集成電路專項總體組組長葉甜春說：

到2025年的時候，做到30%到50%的晶元自給率，這是全行業的奮鬥目標，這是舉國之力在做的事情。

有13億中國人的支持，中國芯必定雄起並走向世界。有8萬員工的忘我努力，中興通訊必將戰勝暫時的困難，讓中國的旗幟高高飄揚在世界通信舞台之上！