中国“芯”痛的主要原因是什么?

现代社会，几乎每个人都离不开手机和电脑，我们也亲眼见证了这些电子设备的快速发展：20年前，手机上网还只能看文字图片，品牌电脑售价不下万元；如今，千元手机也能实现即时视频通讯，当初的万元电脑早已被无数配置更好价钱更低的电脑挤下神坛。

为什么高科技产品更新速度这么快？原因就在于它们的“大脑”——芯片。制造商始终致力于提高芯片的“智商”，“大脑”越聪明，设备性能也就越高。但中国的芯片制造商尚未摆脱芯片的“魔咒”。

芯片如何造

全世界第一台计算机是1946年美国制造的ENIAC(埃尼阿克),它重达30吨，总共由18000只电子管（一种早期的电路元件，后由晶体管替代）、7000只电阻、10000只电容和数不清的电线组成。这样的庞然大物，自然是不可能走进百姓家的，那么工程师们如何把30吨的设备缩小成如今我们所用的小巧的手机和电脑的呢？最大的功臣便是芯片。所谓芯片，就是内含集成电路的硅片，工程师们把所有的晶体管、电阻和电容全部安装在指甲盖大小的硅片上，就成了我们的芯片。

想象一下就知道，芯片的制造有多不容易，指甲盖大小的芯片，上面往往有数千米的导线和几千万甚至上亿根晶体管，这是怎么做到的呢？首先，需要制作硅片。我们知道，沙子的主要成分是二氧化硅，因此可以用沙子来制造硅片。沙子经过融化、冶炼、去除杂质等操作后，将被制成一根根纯度达到99.9%的单晶硅晶柱。之后，用切割机将晶柱切成薄片，再经过数次的打磨和抛光才能得到我们需要的硅片，直径通常为200～300毫米的圆形硅晶圆。

之后，工程师将在这片硅晶圆上进行一系列的施工和建筑，将集成电路“建起来”。芯片电路的“建筑材料”叫做光刻胶，它是一种见光就融化的材料，有了这层胶，工程师就可以用光线来“割出”电路。在硅晶圆表面涂抹上一层光刻胶，再覆盖上设计好的电路图纸，这时候光刻机就登场了。光刻机能发出紫外线，未被图纸遮挡的光刻胶在紫外线的作用下被融化，剩下的光刻胶与图纸上的电路相同。当用化学药剂洗掉被融化的光刻胶后，电路雏形就出现了。

接下来，我们要给电路通电。计算机的计算法则是二进制，即用0和1的加减过程来运行所有程序。在电路中，关闭代表输出0，通电代表输出1，因此要实现计算过程，电路必须能快速切换通电状态。工程师们发现，硼离子或磷离子正有这样的特性，在不同电流经过时，它们的导电状态能快速转变，通过高能加速器将硼或磷“注入”到晶圆中，我们就得到了一层导电状态可控的半导体层。

最后，再通过电镀将铜填充到电路中，形成导电触点，将电路联通起来，芯片的电路部分就制造完毕。当然，质量检测是必不可少的，用精细的切割器将一个个芯片从晶圆上切割下来，按设计要求对芯片的性能进行测试，检测合格的才可以封装出售。

让芯片更聪明

既然芯片是个像“大脑”一样的计算中心，那提高芯片“智商”的方法也与大脑相似，工程师们常用两个方法让芯片更“聪明”，一是增加“脑细胞”，即增加芯片的晶体管，二是让“神经系统”更复杂。方法有了，如何实现呢？

首先是增加芯片的晶体管。在芯片表面积不变的前提下，想增加晶体管的数量，只能将晶体管做得更小，而芯片上的晶体管是直接用“光刀”割出来的，因此工程师们必须造出更精密的“光刀”，这并不容易。

目前，优化“光刀”的方法主要有两个，一是减小光源的波长，二是增加光圈孔径，孔径越大则越容易对焦。在光源方面，我们主要经历了紫外光、深紫外光和极紫外光三个阶段，波长也从365纳米缩短到了现今的13.5纳米。用波长最短的极紫外“光刀”，我们能刻出的晶体管直径已降到了10纳米以下，5000根这样的晶体管加起来才约为一根头发丝的宽度。

但是工程师们并不满足，在增加光圈孔径的方面也是各出奇招。在传统的光刻技术中，光线通过放置在空气中的镜头汇聚到硅晶圆上，由于空气中光线的折射率是不变的，即使我们放置了许多个透镜，最后能达到的聚光效果也是有限的。2002年，专注于集成电路制造的知名企业台积电的一位技术人员林本坚提出了一项“沉浸式光刻”的技术，他将水注满了光刻机最后一个投影物镜与硅晶圆之间的空隙，这样光线在经过水的折射后才最终照射到硅晶圆上。而水的折射率比空气要大，这样不仅达到了增加光圈孔径的目的，也能减小光线的波长，可谓是一举两得。

在让“神经系统”更复杂的方法中，则要首推加州大学伯克利分校的物理学家胡正明提出的鳍式场效应晶体管（FinFET）结构。当晶体管越来越小、越连越多时，尺寸不变的平面结构很难再连接更多的晶体管，且由于物理规律，过多的晶体管间还会出现漏电现象，为了解决这个问题，胡正明提出了FinFET结构。

在我们常见到的电路中，控制电流开关的闸门，只能在一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。而在FinFET结构中，单个晶体管变成了十字交叉的两个晶体管，闸门被做成类似鱼鳍的叉状3D结构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这样，原本只有一条主干道的电流又多了两条支路，不仅减少了漏电现象，也增加了晶体管数量。此后的一些晶体管连接架构均是在FinFET结构的基础上发展而来的。

中国的“芯”痛

看起来，芯片制造业形势一片大好，每当遇到制造瓶颈时，总会有一些大牛提出开拓性的方法，让芯片性能进一步升级。但也正因如此，中国的芯片制造业被套上了“紧箍咒”。

前文说过，想要制造芯片，光刻机是必不可少的，而且性能越好的芯片需要越高端的光刻机才能造出来，但是中国迄今为止仍没有一家公司能制造高端光刻机。位于荷兰的ASML公司，是目前全球唯一一家能够制造高端光刻机的公司，但是它每年造出的光刻机不仅极其昂贵，数量也非常有限，很多公司常常是预约数年仍一机难求。

此外，ASML公司对中国还有着额外的限制，这与它的发家史是分不开的。上世纪90年代，美国英特尔公司开始致力于研究极紫外光光刻技术，但因为该技术有诸多门槛，比如光源功率要求极高，透镜系统也要极致精密等，仅凭该公司的一己之力根本无法突破这项技术。在联合了美国多个知名实验室后，英特尔公司拉来了长期生产光刻机的ASML公司。而作为加盟的条件，ASML公司在美国建立了一所工厂和一个研发中心，以此满足美国本土的产能需求，另外，还保证55%的零部件均从美国供应商处采购，这样双方建立了紧密的合作关系，也最终造就了ASML公司如今在光刻机领域的一家独大的局面。当然，由于ASML公司深受美国的掣肘，当中国公司购买光刻机时，它就设立种种制约条件，又迟迟不交付机器，也就不奇怪了。

除了机器，在芯片的制造技术方面，中国也很“芯”痛。比如芯片的“地基”——硅晶圆，无论是材料还是制造技术，中国都远远落后于日本，全球近七成的硅晶圆产自日本，而中国90%以上的硅晶圆都依赖于进口。包括沉浸式光刻技术、FinFET结构等芯片制造所用到的各种技术均已被申请专利，我们必须支付高额专利费才被许可使用，甚至有时还会被无理地禁用相关技术。

由于各种条件的限制，我们目前制造的国产芯片，仍然远远落后于世界最先进的水平。2020年，最先进的国产芯片是来自中芯国际公司的14纳米芯片，这是一款晶体管间隙宽度为14纳米的芯片。但是，国际上已经有公司能量产7纳米芯片，并且已开始突破5纳米芯片的制造技术，预计年内将能量产。通常来说，晶体管间隙越小，所占的体积就越小，同等大小的芯片也就能拥有越多的晶体管，性能也就越先进。可以说，国产芯片水平与国际先进水平还存在两三代的差距。

目前为止，国产芯片在市场上还不具备竞争力，也只能用于中低端的电子产品中。但是，我们现在已经具备了从设计到出售芯片的一整条完整的生态链条，只要有更多的人才和资金投入到相关领域中，假以时日，国产芯片终将赶上并超越国际芯片。