人可以活在失敗中，但不能活在謊言中。
誠然，中國在過去70年，特別是最近40年的發(fā)展極為成功。從一窮二白的農(nóng)業(yè)國，爆炸式成長為世界第一的工業(yè)國，世界第二大經(jīng)濟(jì)體。
但我們必須要認(rèn)識(shí)到，我們之前的發(fā)展是在美式全球化大環(huán)境下的、追趕式發(fā)展，全球化的大環(huán)境使得先進(jìn)國家的技術(shù)以極低的成本快速向我國轉(zhuǎn)移，西方大國的市場向我們敞開懷抱，而趕超式的發(fā)展意味著我們前方有成熟的模板可以參照。
但現(xiàn)在時(shí)代變了，這兩個(gè)重要的發(fā)展條件已經(jīng)不復(fù)存在，之前我們賴以前進(jìn)的很多體制機(jī)制也需要隨之迭代。我們的科研、教育、法律、金融、社會(huì)福利等等領(lǐng)域都有大量的問題在阻礙著我們向下個(gè)階段——全球領(lǐng)先的創(chuàng)新型國家轉(zhuǎn)型。
比如我們的教育根本上是培養(yǎng)技術(shù)工人的教育，不是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教育；比如我們的金融市場還沒有從之前為國企壞賬買單的金融市場走出來，還沒有成為為創(chuàng)新科技企業(yè)服務(wù)的金融市場；比如我國福利落后，內(nèi)需不足，導(dǎo)致過于依賴出口等等。
因?yàn)槠蓿@篇文章我就先講講科研領(lǐng)域的問題，講講大家最關(guān)心的芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之爭。
芯片是一個(gè)非常有意思的領(lǐng)域，在輿論上呈現(xiàn)出兩級(jí)分化的狀態(tài)，有些輿論一直認(rèn)為我們離拿下尖端芯片僅一步之遙（這個(gè)一步之遙的狀態(tài)持續(xù)得有點(diǎn)久），也有人認(rèn)為我們離拿下尖端芯片遙遙無期。
但問題是，講這些事兒的人絕大多數(shù)都是外行。因?yàn)樾酒@個(gè)產(chǎn)業(yè)的保密要求很高，我就知道有在國內(nèi)某芯片制造大廠工作的朋友，跳槽到某投研機(jī)構(gòu)，寫了幾篇文章不知道講了啥不該講的，然后進(jìn)去了的案例。
而我私下跟一些從業(yè)者和相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)交流，他們的觀點(diǎn)還是比較一致的，如果按現(xiàn)在的方式走下去，拿下高端芯片基本沒戲。
為什么這么說呢？
正好前段時(shí)間看了一篇李樹深院士和他的學(xué)生共同寫作的文章，名為《加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)能力建設(shè) 點(diǎn)亮半導(dǎo)體自立自強(qiáng)發(fā)展的“燈塔”》，不妨聽聽他是怎么評(píng)價(jià)中國半導(dǎo)體科研的現(xiàn)狀的：
“雖然半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究在過去幾年受到了很大重視，但包括學(xué)科設(shè)置、協(xié)同創(chuàng)新、基礎(chǔ)設(shè)施、研發(fā)投入、評(píng)價(jià)機(jī)制、研究生名額等半導(dǎo)體基礎(chǔ)能力并沒有得到根本性改善，難以支撐半導(dǎo)體科技高水平自立自強(qiáng)。”
李樹深院士是半導(dǎo)體器件物理專家，得過三次國家自然科學(xué)獎(jiǎng)，是中國科學(xué)院院士，國科大的校長（這總不是50萬吧），雖然他的表述情商很高，前面還引用了幾段領(lǐng)導(dǎo)的話表示領(lǐng)導(dǎo)料事如神，但如果我們的語文水平?jīng)]出太大問題的話，相信還是能看出他的意思，那就是，如果目前這個(gè)狀態(tài)繼續(xù)下去，我們會(huì)輸?shù)暨@場戰(zhàn)爭。
為什么這么說呢？首先半導(dǎo)體行業(yè)極為重要。
“半導(dǎo)體是當(dāng)前中美科技戰(zhàn)的“主戰(zhàn)場”。全球年產(chǎn)值6000億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)品涵蓋了上千款芯片和近10萬種分立器件，支撐了下游年產(chǎn)值幾萬億美元的各類電子產(chǎn)品，以及年產(chǎn)值幾十萬億美元的數(shù)字經(jīng)濟(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1美元半導(dǎo)體產(chǎn)品拉動(dòng)了全球100美元的GDP。”
如今，芯片確實(shí)已經(jīng)影響到人類生活的方方面面，華為手機(jī)因?yàn)樾酒?yīng)受到制裁，短短3年間從世界出貨量排名第二，一下子掉到二十名開外，就是最好的例證。而更關(guān)鍵的是，芯片影響的不僅僅是現(xiàn)在，更多的是未來。
近兩年，以AI為引領(lǐng)的新一輪科技革命正在迅猛發(fā)展，而AI的關(guān)鍵就是依托大數(shù)據(jù)訓(xùn)練，由此人們對(duì)算力的需求急劇提高。
AI的算力需求主要是以大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，要完成AI的發(fā)展，沒有超強(qiáng)的通用計(jì)算GPU芯片，根本無法想象。
大的方面，從航天衛(wèi)星、俄烏沖突，到城市治理，智慧工業(yè)等等全離不開芯片算力的支持。要知道未來戰(zhàn)爭是信息站和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的時(shí)代，甭管你裝備多精良，沒有芯片和高算力，那就等于是別人睜著眼睛打你個(gè)瞎子一樣。
也許你的坦克和裝甲車還沒找到目標(biāo)，就被蜂擁而至的無人機(jī)群消滅了。
小的方面，從你的快遞和外賣的高效分發(fā)，再到你醫(yī)療健康治愈各種疾病，都需要AI算力的支持。
而隨著未來人口越來越少，AI自動(dòng)駕駛汽車，AI自動(dòng)機(jī)器人，將會(huì)大規(guī)模的替代人類的勞動(dòng)，這里面也全是需要芯片來支持。
通信方面，甭管是5G還是6G，沒有芯片根本無從談起，而沒有高速的移動(dòng)通信技術(shù)，下一代的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用就無從談起。
辦公娛樂方面，你別管是元宇宙遠(yuǎn)程會(huì)議，還是AR、VR沉浸式游戲，沒有芯片也不行吧？
交通運(yùn)輸方面，智能電動(dòng)汽車除了能量載體的改變，也是AI自動(dòng)駕駛的革命。
甚至如今在AI加持下，計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以寫論文，畫畫，和做設(shè)藝術(shù)設(shè)計(jì)了。以至于設(shè)計(jì)芯片本身也會(huì)加入AI的支持，科技的發(fā)展已經(jīng)快走到了芯片自己制造芯片的無敵正循環(huán)了……
如此下去，就是強(qiáng)者愈強(qiáng)，弱者越弱。未來，絕大部分人能做到的事兒，都將被算力解決！而芯片是一切的基礎(chǔ)。
有人說中國別的科技領(lǐng)域都在勃勃生機(jī)萬物競發(fā)，受限的只有芯片，所以問題不大。這話說得令人噴飯，芯片是幾乎所有產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，正如電競用手、足球用腳，但從沒聽說有什么活動(dòng)不用腦的。我們目力所及的未來萬億級(jí)別大產(chǎn)業(yè)，包括AI、智能電動(dòng)車、VR元宇宙、機(jī)器人、3D打印智能制造、新能源，也就只有新能源這一條賽道貌似跟高端芯片關(guān)系不大。
如果我們拿不下高端芯片，那么我們的產(chǎn)業(yè)升級(jí)就全方位會(huì)受阻，我們將會(huì)在重要的國際競爭中失敗。
然而芯片產(chǎn)業(yè)又是世界上最復(fù)雜，最卷的產(chǎn)業(yè)，正如李樹深院士所寫：
“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈長且廣：上游包括EDA軟件/IP模塊、半導(dǎo)體設(shè)備和材料，中游是芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試，下游是各類電子產(chǎn)品，涉及大量材料、設(shè)備和配件、軟件和IP模塊。王陽元院士指出，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的任何一種材料、一種設(shè)備甚至一個(gè)配件都可能成為制約競爭者的手段。”
很多人一說到半導(dǎo)體，芯片，就會(huì)立馬轉(zhuǎn)進(jìn)到光刻機(jī)，轉(zhuǎn)進(jìn)到阿斯麥爾，就仿佛我們只是在光刻機(jī)這一個(gè)環(huán)節(jié)被卡了脖子。
其實(shí)卡脖子這種看似悲情的表述，實(shí)則是一種自我安慰的說法。更加接近現(xiàn)實(shí)的情況是，在高端芯片領(lǐng)域，我們仿佛是被一枚迫擊炮擊中，戰(zhàn)友來收拾殘局的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一截脖子，發(fā)現(xiàn)脖子上有個(gè)紋身看著眼熟，“這不是那誰嗎？”，好嘛，只剩一截脖子了。
芯片產(chǎn)業(yè)鏈極為繁瑣和漫長的。主要包括 6 個(gè)部分：
(1)設(shè)計(jì)軟件，芯片設(shè)計(jì)軟件是芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工具，目前主要依靠 EDA軟件來完成；
(2)指令集體系，是芯片的底層架構(gòu)信息，沒有高效的指令集，芯片沒法運(yùn)行操作系統(tǒng)和軟件；
(3)芯片設(shè)計(jì)，這是用硬件實(shí)現(xiàn)指令集架構(gòu)功能的關(guān)鍵部分；
(4)原材料和設(shè)備，原材料包括硅片，光刻膠，清洗液等等，設(shè)備即生產(chǎn)芯片的各種設(shè)備，包括光刻機(jī)，蝕刻設(shè)備等等。
(5)晶圓代工，晶圓代工廠是芯片從圖紙到產(chǎn)品的生產(chǎn)車間，它們決定了芯片采用的納米工藝等性能指標(biāo)；
(6)封裝測試，是芯片進(jìn)入銷售前的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，主要目的是保證產(chǎn)品的品質(zhì)。
大家常常提到的光刻機(jī)是第5個(gè)環(huán)節(jié)晶圓代工當(dāng)中要用到的上百種設(shè)備當(dāng)中的一種，當(dāng)然它確實(shí)是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)當(dāng)中技術(shù)含量最高的環(huán)節(jié)之一，但這不代表別的環(huán)節(jié)技術(shù)含量不高，就比如原材料里面的硅片。
接下來我將用大概4000字的篇幅，用我能想到的最簡化的描述，過一遍造芯片用的硅片的制造流程，不想看的朋友可以往后翻翻，翻到一個(gè)紅字的地方就是講完了。
做芯片最重要的原材料，就是“硅”，具體說就是12英寸硅晶片，這是不斷進(jìn)化的結(jié)果，之前是從6英寸到8英寸，再到現(xiàn)在的12英寸。越是大的硅片要求的技術(shù)難度就越高，市場占有率也越高。
目前全球的產(chǎn)能主要集中在12寸（300mm）上，比例大約為70%左右，而8寸（200mm）占比大約為25%，6寸及以下大約為5%。目前高端的芯片比如手機(jī)SOC芯片，顯卡GPU、高端CPU、自動(dòng)駕駛AI芯片，都是要用12寸硅片制造。8英寸硅片主要用于低端的汽車MCU、指紋識(shí)別、傳感器、無線通信、工業(yè)設(shè)備等芯片制造。
這里面一個(gè)根本的原因是成本問題，因?yàn)槲覀冏鲂酒际怯霉饪虣C(jī)，把整體硅片刻出來，最后再裁剪成一個(gè)個(gè)的芯片。所以一次操作12英寸硅片比8英寸硅片，出產(chǎn)率高多了！
生產(chǎn)芯片數(shù)量方面，以1.5cm×1.5cm的芯片為例，12英寸的300mm硅片，能切出來的芯片數(shù)量232顆，8英寸200mm硅片，芯片數(shù)量 88 顆。所以12英寸硅片出芯片的數(shù)量是8英寸的2.64倍，這個(gè)成本效率的提高是非常顯著的。
從物理層面上說，芯片制造的本質(zhì)就是半導(dǎo)體，形成的路徑就是在硅片上進(jìn)行摻雜。從原子層面看，硅本身最外層有四個(gè)電子。如果是純硅的話，硅晶體的各個(gè)硅原子可以跟相鄰的硅原子共享電子，形成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這個(gè)時(shí)候，純硅本身是不導(dǎo)電的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而導(dǎo)體的本質(zhì)是電子的流動(dòng)！
當(dāng)純硅里面加入磷或者硼元素以后，8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被打破，人們利用這個(gè)特性，把被摻雜的硅變成了半導(dǎo)體，并通過MOS管制造成邏輯門，成為芯片最基礎(chǔ)的單元。
在芯片制程不那么高的時(shí)候，大量的硅原子里面混進(jìn)一兩個(gè)雜質(zhì)原子，問題不大，于是硅片本身的純度要求也沒那么高，就像你大量炒肉片，中間混幾塊生姜影響不大。
如今到了3nm級(jí)別，硅原子的直徑大概是0.25nm，也就是單一維度上總共就十幾個(gè)硅原子，這里面混幾塊生姜這肉片還能吃嗎？于是對(duì)硅片的純度、和硅晶體的晶格平整性、均勻度都要求到了原子級(jí)別，因?yàn)檫@些直接決定后續(xù)芯片的電特性！
硅片只要有極細(xì)微的晶格缺陷或者雜質(zhì)密集問題，都可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)芯片的短路，漏電，甚至BUG頻出，直到芯片燒毀……
目前，冶金級(jí)工業(yè)硅純度通常為90%~95%，太陽能級(jí)多晶硅純度是99.9999%~99.9999999%(即所謂6N到9N)，半導(dǎo)體電子級(jí)多晶硅為11N 也就是99.999999999%，當(dāng)然芯片用的還不是多晶硅，而是單晶硅，因?yàn)閱尉Ч璨拍鼙ＷC硅晶體的晶格足夠穩(wěn)定無缺陷，而多晶硅在晶體生產(chǎn)的過程中晶格是雜亂的。
目前，12英寸硅片需要達(dá)到的參數(shù)規(guī)格，硅原子晶體缺陷的容忍度是5億個(gè)硅原子中只有1個(gè)缺陷。
我們都知道硅這個(gè)東西本身并不稀有，地球上是很多的，所謂氧硅鋁鐵鈣，在自然界中硅是排名第二的元素，其實(shí)就是沙子。問題是一旦要求到原子級(jí)別，這個(gè)沙子變金子的過程絕非易事，上次聽這種故事還是我在5歲時(shí)候聽阿凡提講的。
首先說這沙子是二氧化硅，而做芯片需要用的純硅，人們通常是用純度更高的硅石來提取。當(dāng)然硅石的成分也是二氧化硅，跟沙子是一樣的，但是硅含量要高于沙子，出產(chǎn)率高一些。
然后用一個(gè)電弧爐把硅石融化，這個(gè)鍋是石墨做的，因?yàn)槭娜埸c(diǎn)是3800度，而硅的熔點(diǎn)是1400多度。熔煉的過程通常是加入相應(yīng)的碳，通過還原反應(yīng)，得到硅單質(zhì)和二氧化碳。液態(tài)硅凝固以后就是硅錠了，這時(shí)候就是95%以上的工業(yè)硅，我國的硅產(chǎn)量冠絕全球，能占80%左右。
硅錠這個(gè)純度顯然啥也干不了，所以就要提純，主要方法是用西門子法——氯化氫氣體進(jìn)行提純。通過加熱讓硅和氯化氫反應(yīng)，形成氫氣和三氯氫硅。
這個(gè)時(shí)候就能把之前硅里面含有的雜質(zhì)，鐵、鋁等元素去掉，因?yàn)樗麄兣c氯的化合物的沸點(diǎn)溫度不是一樣的，所以通過蒸餾和冷凝就能把雜質(zhì)去掉了。得到高純度的三氯氫硅氣體。
然后把高純度的三氯氫硅氣體和氫氣，通入1100度高溫的容器里面，生成硅、氯化氫、四氯化硅。然后在爐子里面放上吸硅棒，這個(gè)溫度下只有硅是固態(tài)，其他都是氣態(tài)，所以高純度硅就這樣生長出來了。總之通過反復(fù)的去雜質(zhì)過程，直到把硅錠煉制成11個(gè)9級(jí)別純度。
然而，這時(shí)候生長出來的硅還是我們上面說的多晶硅！多晶硅主要用于太陽能發(fā)電，我國多晶硅產(chǎn)量更猛占世界90%的比例，這時(shí)候還優(yōu)勢在我！然而多晶硅的晶格是雜亂的，所以就要再把多晶硅弄成單晶硅。這個(gè)過程主要用提拉法！
先把高純度的多晶硅碎片，放入石英坩堝中，然后在惰性氣體環(huán)境中融化，然后用一根細(xì)的單晶硅棒插進(jìn)去，這個(gè)東西就是晶種，晶體的種子。再緩慢的旋轉(zhuǎn)拉起來，讓單晶硅圍繞晶種生長，硅棒的粗細(xì)取決于，提拉的速度，工作溫度，和旋轉(zhuǎn)速度。
提拉過程是晶種下去以后，硅棒由細(xì)變粗，由于硅棒前面脖子很細(xì)，所以越粗的硅棒，拉的越短，不然容易斷。8英寸的能拉6米長，而12英寸的只能拉不到2米長。
整個(gè)提拉過程中對(duì)環(huán)境溫度，旋轉(zhuǎn)速度和提拉速度的精度要求極高！隨著硅棒越做越粗，要求加熱整個(gè)硅棒的爐子環(huán)境要溫度極其均勻，整個(gè)熱場的控制程度要求極高，因?yàn)槊娣e大了，表面穩(wěn)定性就會(huì)變差，這時(shí)候固液界面溫度梯度也難以控制。
這時(shí)候就需要在整個(gè)裝置外圍，再套上一個(gè)磁場，用來平衡整體的穩(wěn)定性！整個(gè)過程需要48-72小時(shí)，所以需要在長時(shí)間提拉單晶硅的過程中，始終保持溫度和動(dòng)作極其穩(wěn)定，這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性控制工藝！需要長時(shí)間技術(shù)積累和優(yōu)化。
總之通過上面一系列過程，我們得到了一條11個(gè)9純度的單晶硅棒，但這只是硅片制造三個(gè)流程的“初道”流程，后面還有“中道”“后道”工藝流程。
進(jìn)入“中道”工藝流程，主要是研磨、切片、拋光和清洗等等。得到硅棒以后，首先把兩頭去掉，去掉的部分會(huì)被重新制作成晶種，準(zhǔn)備下次繼續(xù)拉硅棒用，實(shí)現(xiàn)循環(huán)制造。
然后是把中間的部分截成30cm左右長度硅段，再進(jìn)入滾磨工藝，因?yàn)楣璋舻耐饷媸遣痪鶆虻模皇峭昝缊A柱體，這個(gè)過程，要把它打磨成確定的12英寸規(guī)則的圓形。之后還要把硅段側(cè)面磨成一個(gè)平面，這個(gè)未來能起到定位卡槽的作用。
到光刻階段，光刻機(jī)會(huì)通過這個(gè)做基礎(chǔ)的定位和校準(zhǔn)工作。
然后，需要一個(gè)牛逼的精密設(shè)備來切割硅棒，你以為是個(gè)電鋸？還是某種切割機(jī)？然而并不是，對(duì)于納米級(jí)工藝來說，這些精度差遠(yuǎn)了。
現(xiàn)在普遍需要的是一種，含有金剛石的多線切割機(jī)，就是若干條線，上面掛著金剛石，同時(shí)能切好多片兒，效率高，精度也高。這個(gè)過程要求切完的硅片有相當(dāng)?shù)钠秸龋麄€(gè)硅片的翹起角度誤差，要控制在20um以內(nèi)。
然后硅片要經(jīng)過一次初打磨，大概打薄到775微米左右，最終硅片成品的厚度在750微米左右。給后續(xù)做準(zhǔn)備。然后就進(jìn)入倒角流程，把硅片的邊緣從直角邊打磨成圓弧形狀，類似茶幾上的玻璃，不是因?yàn)榕赂畹绞帧?/p>
這個(gè)工藝主要的效果是兩個(gè)，一個(gè)是硅片是比較脆的，把邊緣磨圓了以后，會(huì)在未來整個(gè)加工過程，讓硅片不容易失誤破碎。另外就是后面在涂光刻膠、或者薄膜沉積流程的時(shí)候，避免出現(xiàn)不均勻的情況。
之后硅片就會(huì)進(jìn)入極其細(xì)致的打磨階段，首先對(duì)硅片進(jìn)行10微米左右的磨薄，然后放入酸性化學(xué)溶液進(jìn)行化學(xué)刻蝕，大概又要去掉20微米左右，這一階段主要是去掉之前所有流程帶來的機(jī)械損傷、打磨留下的碎末等等。
但以上這些，這是給最后的終極打磨做準(zhǔn)備。硅片的最終打磨流程叫CMP（化學(xué)機(jī)械拋光），這個(gè)流程同時(shí)需要儀器設(shè)備和材料。具體做法是將硅片放在旋轉(zhuǎn)的拋光儀器上，然后通過拋光液的化學(xué)氧化，然后再通過拋光墊極致打磨。
拋光材料主要有兩種，拋光液和拋光墊。拋光液由超細(xì)固體粒子研磨劑、氧化劑、表面活性劑、穩(wěn)定劑等物質(zhì)組成，CMP拋光墊由高分子材料制造，主要為發(fā)泡體固化聚氨酯做成。
拋光墊有像海綿一樣的機(jī)械特性和多孔吸水特性。表面包括一定密度的微凸，也有許多微孔， 不僅可以去除硅片表面材料，而且還起到存儲(chǔ)和運(yùn)輸拋光液、排除拋光過程產(chǎn)物的作用。
這一步硅片會(huì)再被打磨掉5微米左右，12寸硅片的平整度要求簡直是喪心病狂！其誤差必須控制在1nm以內(nèi)，也就是從上海到北京的高速公路平面起伏不能超過10cm。8英寸硅片只需要單面拋光，而12英寸硅片需要雙面拋光。
為什么需要極致的光滑呢？因?yàn)楹笃谛酒闹圃焓窃蛹{米級(jí)的，所以稍有起伏，后續(xù)光刻機(jī)的光照在不平整的硅片表面時(shí)候，光刻的效果就是不均勻，甚至變形。這個(gè)效果就像你小時(shí)候看露天電影，幕布變形后的效果。
最后還要用各種去離子水，化學(xué)溶劑進(jìn)行清洗，去掉研磨拋光過程中，落在硅片表面的塵埃和雜質(zhì)。最后還要經(jīng)過一個(gè)退火工藝，把硅片加熱到650度，再急速冷卻，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電阻率。最后還要經(jīng)過各種電阻測試、電鏡檢查、光散射測試等等一系列的測試，一塊12英寸硅片才算完成。
12寸晶圓硅片制造，做起來極難，流程極其復(fù)雜，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)級(jí)微小問題，都有可能影響未來芯片良率。
目前全球芯片制造， 90%以上市場份額被，日本信越化學(xué)（Shin-Etsu）、日本勝高（SUMCO）、中國臺(tái)灣環(huán)球晶圓（GlobalWafers）、德國世創(chuàng)（Siltronic）、以及SK Siltron壟斷。
目前我國12寸晶圓已經(jīng)能夠搞定，主要有滬硅產(chǎn)業(yè)、立昂微、環(huán)球晶圓等等廠商，其中滬硅產(chǎn)業(yè)旗下新昇半導(dǎo)體，是首先實(shí)現(xiàn)12英寸硅片量產(chǎn)的公司。但目前國產(chǎn)12英寸硅片整體市場占有率還很低。
雖然12英寸硅片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但這并不代表硅片制造的全產(chǎn)業(yè)鏈都國產(chǎn)化了。其中的很多設(shè)備和材料，還沒有擺脫進(jìn)口！
從設(shè)備情況看，長晶設(shè)備約占設(shè)備總投資的25%，日本Ferrotec是全球半導(dǎo)體級(jí)別長晶爐的龍頭，在12英寸半導(dǎo)體硅片長晶爐領(lǐng)域市占率高達(dá)80%以上。國內(nèi)北方華創(chuàng)、連城精密和晶盛機(jī)電的12英寸單晶爐雖然與國際水平仍存在差距，但技術(shù)方面的差距已在不斷縮小。
但后續(xù)的倒角機(jī)主要來自日本的東京精密和大途電子，多線切割機(jī)主要來自日本的NTC以及瑞士的SlicingTech，雖然這些設(shè)備能找到國產(chǎn)替代，但質(zhì)量和精度往往差距較大。
尤其是關(guān)鍵步驟CMP階段，物料如研磨液和拋光墊尚能國產(chǎn)，但拋光設(shè)備完全依賴進(jìn)口。CMP行業(yè)拋光液當(dāng)前的全球主流供應(yīng)商為，美國Cabot、日本Fujifilm、Hitachi、美國陶氏等公司，占據(jù)全球約80%的市場份額。而當(dāng)前的國內(nèi)晶圓廠需求主要除了安集科技以外，主要依賴進(jìn)口。
CMP拋光墊方面，美國廠商Dow（陶氏化學(xué)）以及Cabot共占據(jù)了約88%的市場份額。其中陶氏化學(xué)一家就占了79%的市場份額。
全球 CMP 設(shè)備市場高度集中，被應(yīng)用材料（AMAT）、日本荏原（EBARA）兩大寡頭壟斷，兩家的市場占有率超過90%，國產(chǎn)CMP 設(shè)備目前主要是華海清科，但市場占有率還極低。（關(guān)于硅片制造就講到這里）
搞定了所有這些工藝，設(shè)備，原材料之后，我們終于得到了硅片，相當(dāng)于要造房子，終于把地皮弄平整了，而即便只算造芯片的耗材，硅片也只占35%的產(chǎn)值，整個(gè)芯片制造過程中還有，各種氣體、各種液體、各種固體化合物、金屬靶材、光刻膠、光掩模等等，而這僅僅是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的耗材部分，大家最關(guān)心的光刻機(jī)都還沒出場呢。
在如此多的設(shè)備，耗材，軟件，工藝當(dāng)中，只要有一個(gè)環(huán)節(jié)不合格，芯片就造不出來，這就是為什么說芯片是世界上門檻最高的產(chǎn)業(yè)，是最卷的產(chǎn)業(yè)，不用加之一。
我經(jīng)常在評(píng)論區(qū)看到有朋友留言說，我們搞定了兩彈一星、殲20、電磁彈射航母，它們跟芯片誰更難，還用得著說嗎？
我一度以為是這些朋友深刻認(rèn)識(shí)到了造芯片的難度，未曾想原來他們的意思是兩彈一星比芯片難。
很可惜，從難度上來說，兩彈一星還不能跟高端芯片相提并論。
芯片是非常特殊的產(chǎn)業(yè)，1973年發(fā)布的英特爾4004處理器有2300個(gè)晶體管，而英偉達(dá)最新的H100通用GPU有800億個(gè)晶體管，大約增長了3500萬倍。如果同時(shí)期，核彈的爆炸威力提升3500萬倍，那試爆一次把地球都給毀滅了。
這就是芯片產(chǎn)業(yè)最特別的地方，它是沒有上限的。別的產(chǎn)業(yè)都是對(duì)我們這個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的一種補(bǔ)充，而芯片，是我們連接數(shù)字世界的橋梁。
在現(xiàn)實(shí)世界，不管是從物理角度還是從用戶需求的角度，都很容易碰到上限，比如現(xiàn)在頂級(jí)跑車可以做到百公里加速2秒，但是哪怕是性能再提升一倍，也就是百公里加速1秒，一來實(shí)現(xiàn)成本非常高，二來人也受不了。
而是在數(shù)字世界，我們往往是要去實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的一種映射（電商，視頻），或者創(chuàng)造一個(gè)虛擬世界（游戲，VR），或者實(shí)現(xiàn)某種智能（AI，自動(dòng)化控制），我們永遠(yuǎn)不會(huì)嫌這種映射太完美，也不會(huì)嫌虛擬世界太精彩，更不會(huì)嫌智能太強(qiáng)，于是就有了摩爾定律，每一到兩年，半導(dǎo)體的性能翻一番，持續(xù)了半個(gè)世紀(jì)，在這個(gè)過程中所有環(huán)節(jié)都被卷到了極致。
這就導(dǎo)致半導(dǎo)體領(lǐng)域的積累效應(yīng)特別的強(qiáng)，別的領(lǐng)域，別看有國家比我們早發(fā)展一百年甚至兩百年，這都沒有用，因?yàn)樵谶@兩百年里，大部分時(shí)間段它的發(fā)展是緩慢的停滯的，甚至有時(shí)候是倒退的，只有在芯片領(lǐng)域，我們真的是在面對(duì)西方超過半個(gè)世紀(jì)的持續(xù)高強(qiáng)度技術(shù)積累，我們沒有捷徑可走，也必須投入類似的資源才可能實(shí)現(xiàn)趕超。
那我們遇到的問題具體來說是什么呢？
“我國各芯片企業(yè)通過購買EDA公司的PDK包共享全球半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究成果，導(dǎo)致我國決策者、政府人員甚至產(chǎn)業(yè)界都認(rèn)為，沒有半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究也可以發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。如今，美國已經(jīng)擰熄了“燈塔”，我們進(jìn)入“黑暗森林”。”
簡單來說，西方半個(gè)世紀(jì)的積累最后是落在了設(shè)備、材料、軟件上，我們沒有完成對(duì)于這些東西背后原理的理解，而是在用現(xiàn)成的東西做我們自己的芯片，前一天還在大賺特賺的企業(yè)，可能后一天美國制裁一收緊就翻白眼了。而我們對(duì)芯片的投資和研發(fā)，絕大部分都放在了怎么基于現(xiàn)成的東西做工程調(diào)優(yōu)上，仿佛美國對(duì)我們的制裁不會(huì)收緊一樣。
這就好比我們常用的PS作圖軟件。難道一個(gè)人努力20年，成為了世界第一的PS高手，他就自動(dòng)懂了PS軟件背后的圖形處理算法了嗎？
在五六十年代，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)剛剛起步，我們曾試圖緊跟國際領(lǐng)先步伐，但十年文革內(nèi)亂之后，我們的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)跟世界先進(jìn)國家形成代差，改革開放融入全球化之后，做設(shè)備基礎(chǔ)軟件基礎(chǔ)材料這些已經(jīng)不屬于我們的比較優(yōu)勢，我們陷入了用現(xiàn)成的局面。這又進(jìn)一步導(dǎo)致我們的企業(yè)無法牽引我們的科研，因?yàn)樗麄兏静桓愕讓蛹夹g(shù)，無法為科研出題。進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)體科研荒廢，而到了1997年，教育部甚至取消了半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)。
以至于目前，我國半導(dǎo)體物理人才嚴(yán)重短缺，半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究投入嚴(yán)重不足，缺乏協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，雖然近年來我國科研經(jīng)費(fèi)投入持續(xù)提升，但是我們的科研評(píng)價(jià)體系特別不利于半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究。我國目前的科研評(píng)價(jià)體系一言以蔽之就是發(fā)論文，什么領(lǐng)域適合發(fā)論文呢？當(dāng)然是能快速出成果的領(lǐng)域，最好是國外有了一些突破性進(jìn)展，但又有一些邊邊角角沒有被搞明白的領(lǐng)域。還出現(xiàn)過別人發(fā)了關(guān)鍵論文，我國學(xué)者一擁而上基于這篇論文一發(fā)幾十篇展開補(bǔ)充的論文，結(jié)果回頭一看，人家是造假的。
這種評(píng)價(jià)機(jī)制非常不利于半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究，半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究投入大、門檻高、周期長而且很多東西說白了不是第一次研究，而是別人封鎖我們，我們要自己把它重復(fù)出來，這種就算做出來也發(fā)不了頂刊。
而與此同時(shí)，美國的正在加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的能力，給人，給錢，給機(jī)制，2022年通過的投資2800億美元的《芯片與科學(xué)法案》所資助的項(xiàng)目，已經(jīng)把超越摩爾定律定為目標(biāo)方向，而美國也的確有成功的履歷。
比如當(dāng)年跨越193nm限制做出極紫外光刻機(jī)，就是一次典型的例子。
當(dāng)年以Intel為首的美國芯片公司，感覺摩爾定律走到了盡頭，如果想再有突破就必須有EUV極紫外光刻機(jī)，于是這些芯片公司游說克林頓政府，決定不惜一切代價(jià)，集全人類精英智慧，突破這個(gè)技術(shù)。
于是他們發(fā)起了EUV LLC 這樣的合作組織，也就是EUV極紫外聯(lián)盟！
這個(gè)組織由英特爾和美國能源部牽頭，集合了當(dāng)時(shí)還如日中天的摩托羅拉以及 AMD，以及享有盛譽(yù)的美國三大國家實(shí)驗(yàn)室：勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室，勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室，投資兩億美元，從理論上驗(yàn)證 EUV 可能存在的技術(shù)問題。
英特爾還力邀阿斯麥和尼康加入EUV LLC，但是美國政府以怕技術(shù)泄露為由，拒絕了日本公司。
此時(shí)阿斯麥展示出了驚人的技術(shù)前瞻性，一定要擠進(jìn)EUV LLC，阿斯麥強(qiáng)力游說，最終阿斯麥做了一堆對(duì)美國貢獻(xiàn)的許諾后被允許加入。
從1997年到2003年，6 年間EUV LLC的科學(xué)家發(fā)表了幾百篇論文，驗(yàn)證了 EUV光刻機(jī)的可行性，最終才有了現(xiàn)在的EUV光刻機(jī)！
而如今，美國在我們壓力之下，又一次拿出了美式舉國體制，挑戰(zhàn)人類精細(xì)加工的極限。
可以想見，如果我們不及時(shí)做出改變，十年二十年之后，我們跟世界領(lǐng)先水平的差距只會(huì)比現(xiàn)在更大。
中國芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)到了最危險(xiǎn)的時(shí)刻！這并不是危言聳聽！
最后我總結(jié)一下李樹深院士提出的建議。
首先我們要搞明白我們面對(duì)的問題是什么。建議把國家集成電路領(lǐng)導(dǎo)小組改名為國家半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)小組，涵蓋半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究。我們面對(duì)的不是怎么在別人的基礎(chǔ)上造芯片（集成電路）的問題，而是重新研究一遍半導(dǎo)體的問題，之前我們問題都沒找對(duì)，這怎么擺脫卡脖子？
第二點(diǎn)當(dāng)然就是在半導(dǎo)體研究上投錢投人投組織力量，建議以半導(dǎo)體產(chǎn)值的10%為標(biāo)準(zhǔn)匹配半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)，盡快恢復(fù)半導(dǎo)體物理專業(yè)，緊急集合全國各“雙一流”高校的物理專業(yè)一半的大三、大四學(xué)生，集中培訓(xùn)半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論課程，在全國設(shè)立10個(gè)左右的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)科學(xué)研究中心，資助20個(gè)創(chuàng)新群體和100個(gè)研究組等等等等
第三點(diǎn)很重要的，就是要深化科技體制改革。
包括一體化配置學(xué)科、人才、評(píng)估、平臺(tái)、政策等科研資源，斬?cái)嗯で枨蟮臋?quán)利之手，大力弘揚(yáng)追求獨(dú)創(chuàng)的科學(xué)家精神，抵制低水平重復(fù)的跟班式研究。完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新動(dòng)力等等
如果我們能及時(shí)改變策略，從現(xiàn)在開始行動(dòng)起來，加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究能力建設(shè)，完全可以做到拉近與世界先進(jìn)水平的差距。因?yàn)槲覀兏绹撕商m人同在一個(gè)地球，共享同一套物理規(guī)律，只要我們不回避問題，從第一性原理出發(fā)研究半導(dǎo)體，謎題總是會(huì)被解開的，難道我們比他們笨不成？
而對(duì)于半導(dǎo)體的研究遠(yuǎn)未到達(dá)終點(diǎn)，美國可以提出下一代半導(dǎo)體解決方案，我們也可以。通過大力加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究，圍繞下一代晶體管的材料、器件、工藝等形成我們的技術(shù)優(yōu)勢，在歐洲和美國布局大量專利，甚至可以反過來卡住他們的脖子，形成反制手段。
希望在不遠(yuǎn)的將來，我們最驕傲的科技成果不再是兩彈一星，而是發(fā)源于中國的科技創(chuàng)新，成為了別人必須攻克的兩彈一星。
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