芯片为何如此重要

就拿手机来说吧，我国从大哥大发展到现在功能越来越多的智能手机，这之间发生了巨大的变化。

那么为何能把手机做的越来越轻便而功能却越来越齐全呢？这一切都要归功于机子内部各种各样的芯片了。先说点简单的，我们手机的里SIM卡、后来的内存卡都是芯片。往大了说，我们现在的智能手机，芯片就像是大脑一样，为实现各种各样的功能进行储存和运算。所有芯片的重要性就显而易见了。

小小的芯片是如何发展起来的

芯片是啥呢？其实就是一个堆放了一些事先设计好的集成电路的小块头半导体元件。可别小看它，这小东西难倒了无数英雄汉。那芯片是如何发展起来的呢？

1904年，弗莱明在真空中加热的电丝前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。他把这种装有两个极的电子管称为二极管。利用新发明的电子管，就已经可以给电流整流。

直到1906年，德佛瑞斯特在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管。

真空管

真空三极管不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动，而且集检波、放大和振荡三种功能于一体。就是因为这些特性，许多后来人们将三极管的发明看做电子工业真正的诞生的起点。真空三极管使得收音机、电视和其他消费类电子产品成为可能。

熊猫电子管收音机

但是很快真空管的一系列的缺点就暴露出来了：它体积大，连接处易变松导致真空泄漏，易碎，消耗电能快，并且元件老化很快。基于这些缺点，很多电器笨重且运行时间不能太长。

经过科学家的不断探索，在1947年12月23日，美国科学家巴丁博士、布莱顿博士和肖克莱博士，在导体电路中实现了用半导体晶体把声音信号放大的实验。他们发现一个现象：在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这其实就是功率放大作用。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。

晶体管不但有真空管的功能，而且具有固态、体积小、质量轻、耗电低并且寿命长的优点。由于晶体管的这些优势，彻底改变了电子线路的结构，集成电路及大规模集成电路应运而生，这使后来的各种各样的高精密装置变成了现实。集成电路是在一块极其微小的半导体晶片上，将成千上万的晶体管、电阻、电容及连接线做在一起，它是材料、元件、晶体管三位一体的有机结合。1958 年12 月，在美国德州仪器公司（TI）工作的基尔比成功地制作出世界上第一片集成电路。而后来集成电路的发展一发不可收拾，按照摩尔定律，集成电路的集成度不断提升。

集成度的提高主要是三个方面的贡献：一是特征尺寸不断缩小；二是芯片面积不断增大；三是集成电路结构的不断改进。而现在制造CPU的晶体管已经小到只有10纳米级别了，再继续做的更小，将越来越难了，而且如果小到一定程度，到达分子甚至原子级别，因为物质一旦进入到微观世界，就不稳定了。那么摩尔定律就失效了，换句话讲，就是当芯片小到一定程度，技术难度加大，成本就不会再降低反而可能增大，功能的优化就会停滞不前。

世界芯片发展格局

放眼全球，其中，拥有众多的芯片生产商，像华为、苹果和英伟达都是比较知名的芯片生产商，但随着科技的不断发展，计算机CPU制造商英特尔、凭借半导体出名的三星和移动设备芯片制造商高通，逐渐成为了世界三大芯片生产商。

①业界大佬因特尔

英特尔想必大家在电脑上看过，一定比较熟悉，这家公司拥有芯片全产业链。虽然最近遇到14纳米产能不足及10纳米制程延宕两大危机，在英特尔宣布追加10亿美元用于14纳米制程扩产后，现在10纳米制程方面也有好消息传出。（先科普一下：多少纳米指的是单个晶体管的大小，一般来说，芯片制造商把晶体管组合得越紧密，处理器的效率就越高。）不知道能否恢复往日的辉煌。

②老牌劲旅AMD

说到英特尔，不得不提它的劲敌AMD，AMD在工艺制程上获得了和英特尔匹敌甚至领先的优势。其中，AMD基于7nm架构的Ryzen 4000芯片已上市数月，最新7nm桌面版APU，相关产品线和布局也已充分铺开，未来双方在CPU市场竞争或更加激烈。

③雷声大雨点小的三星

三星，咱们熟悉的一定是三星手机了。三星也是极少数构建自己芯片的智能手机公司之一，这家韩国巨头对未来有着雄心勃勃的计划，目标是到 2030 年成为全球领先的半导体公司。但是同样作为代工企业，从10nm、7nm和5nm开始，三星都是虎头蛇尾，最后大部分的订单都被台积电拿了，不仅台积电做得快，而且同等水平要比三星做得要好的。为了和台积电竞争，这次三星准备跳过4nm工艺、直接由5nm提升到3nm的方式来抗衡。

但能不能实现现在还难以定论。不过也不能小看，三星不是单纯的代工企业，也是存储芯片行业的寡头。当前全球存储芯片主要是DRAM和NANDFlash，三星占有DRAM约45%的市场份额，在NANDFlash市场则占有近四成的市场份额，并且其在技术方面也具有优势，引领着行业的技术发展。

④如火如荼的台积电也逃不过技术垄断的威胁

说到芯片制造，我们国人肯定迫不及待想知道台积电。它是全球最大代工代工企业、总部位于中国台湾地区。台积电作为代加工企业，它为苹果和英伟达生产芯片，不过和AMD一样，这些公司自己设计芯片而台积电只是生产芯片。

那为啥最近就得停止给华为生产华为的7纳米麒麟芯片呢？

一方面，因为多数晶片制造商都依赖KLA Corp、科林研发（Lam Research）和应用材料（Applied Materials）等美国厂商製造的设备。台积电也不例外。

另一方面，美国掌握着核心技术：(1)ASML半导体晶片光刻机、(2)EDA（电晶体设计自动化）以上这些技术，釜底抽薪，台积电肯定要瘫痪的。

⑤“专利流氓”高通

如果你用的是安卓手机，打开自己的手机配置看一看，绝大部分手机都使用的是高通骁龙的芯片。高通作为全球最大的芯片供应商之一，拥有许多专利芯片技术，品牌的3G、4G、5G技术一直都处于全球领先水平。且截至2019年末，中国国内手机芯片市场，高通则以41%的份额，高居榜首。

甚至在最先进的5G芯片也不例外，在2019年底高通就详细推出了多款5G芯片，截至目前市场中安卓阵营的大部分智能手机使用的都是5G高通芯片。在这里想说的是高通的专利收费。高通的收费模式是先按照销售芯片数量收取芯片费，而后再按照手机整体价格的一定比例（5%）收取专利授权费，而且后者要比前者金额更高。可气的是，无论是CDMA技术、CDMA2、000技术还是到后来的LTE技术高通都拥有着绝对的主导权。就算我们后来用了5G，那也得兼容2G、3G、4G。怎么能逃得过？怎么破，我觉得唯有自己进行技术突破不再授人以柄。近日，华为和高通的5G专利法律纠纷得到和解。此次握手言和对彼此都是有益的，对整个世界5G技术的发展是福音。

技不如人，落后就要挨打

那么，我们国家现在的芯片技术发展的如何呢？就拿我们最有代表性的华为来说，它代表着中国最高端手机的水平。

这不，最近在美国的轮番技术封锁下，华为领先全球的麒麟系列芯片在9月15日之后就无法制造了，影响最大的当属搭载麒麟高端芯片的华为Mate40手机了。皮之不存毛将焉附，没了麒麟芯片，所谓的高端手机就成了一个空壳。这批Mate40手机将成为绝版。

这已经不是第一次制裁了。第一次要追述到2018年的美国政府制裁中兴的事件上来，断供了芯片后，整个生产线瘫痪了。这真是被人抓住了软肋。

阿斯麦（ASML）光刻机

另外，自从荷兰政府决定授予阿斯麦（ASML）出口许可证以将其EUV机器出售给中国客户之后，美国就开始阻挠 ，美国试图阻止销售这款光刻机，但是只有在这种机器中有25％的美国零件才能做到这一点，而阿斯麦的EUV机器没有达到这个比例，没有得逞。但后面有多次施压，还是“搅黄”ASML公司向中国公司出口极紫外光刻机（EUV）设备。没了光刻机，我们的芯片制造遇到了很大的困难。

以前，我们总觉得只要我们中国的市场优势在，技术可以买。殊不知，买回来的只是产品，真正到了关键时刻，才发现我们被别人的技术卡脖子了。我们老早就知道：授人以鱼不如授人以渔。反过来学东西也一样。

国内芯片发展水平

我国作为一个大国，在整世界发展中有着举足轻重的作用。Made in China 已经深人心，作为 世界工厂，我们承接了全世界电子产品的加工制造，每年需要大量进口芯片。芯片已经超过原油，成为我国进口的第一大品类。但是，芯片制造不是一个企业能够完成的，需要一个整体的技术生态。

现阶段国产芯片最重要还是在芯片制造领域，因为我国目前芯片设计水准已经能够达到世界主流水平，一旦芯片制造水平能够达到国际领先水平，中国就很厉害了。放眼中国半导体芯片领域，芯片设计公司华为凭借麒麟系列处理器成功冲进全球市场，并且一度被视为高通骁龙系列的对手之一。但是最近在美国的打压下，也暴露出自己的短板。除了华为，近段时间风头正盛的还有两家专业晶圆代工厂——中芯国际和台积电。尤其台积电的作为世界上最大的芯片代工企业有着最先进的芯片制造水平。但是也在美国的二轮制裁下停止给华为加工麒麟系列芯片。还有多家芯片公司由于平日十分低调所以并不太出名，但综合实力却不容小觑，例如现阶段全球三大基带芯片设计公司之一的紫光展锐。

如何突出重围，走出自己的路

我们的优势是芯片设计水平。

比如华为的海思半导体公司，就可以进行自主设计芯片芯片设计公司里面跻身全世界前五的水平。目前，华为自主研发的5G基站核心芯片天罡、5G基带芯片巴龙5000的技术水平甚至超过了高通，其终端麒麟1020基带芯片核心技术也实现了自主可控，在高端芯片领域有了一席之地。再比如说，世界第一的超级计算机——神威·太湖之光超级计算机采用的中央处理器，就是我们是自主设计生产的国产芯片——“申威26010”众核处理器。

但是我们需要克服的困难主要有两个方面：

①光刻机

首先要想制造出小于10纳米的芯片必须要用高精度的光刻机。很显然荷兰的光刻机我们是没法再用了。我国光刻机的最高水平是上海微电子的90nm制程，世界顶尖的光刻机是ASML的7nm EUV光刻机，ASM已经开始研制5nm制程的光刻机。相对来说，我国在光刻机制造领域与国际先进水平有很大的差距。我们之所以在光刻机技术领域一直停留在90nm阶段很大程度上也是因为“浸润式光刻技术”这道门槛，依旧还没有被攻破，我觉得只要人才不断培养，突破只是时间的问题。

②EDA

EDA行业是芯片设计最上游、壁垒最高的部分，却是国内芯片产业几乎最薄弱的环节。，EDA 是集成电路产业产能性能源头，从仿真、综合到版图，从前端到后端，从模拟到数字再到混合设计，以及后面的工艺制造等，EDA 软件工具涵盖了 IC 设计、布线、验证和仿真等所有方面，是集成电路产业的“摇篮”。EDA软件最核心的价值在于底层算法，而要在底层算法上创新是非常困难的，它又进一步涉及到数学、物理等基础学科领域的理论创新。目前我国仅有清华大学和复旦大学有开设EDA软件算法等相关专业。所以，现在我们必须重视这方面人才的培养与选拔。

总结：芯片给我们这个世界带来了无限的想象，但是核心技术的突破亟需培养更多的人才，我们该做的是一边斡旋于世界，一边埋头培养技术人才。中国芯指日可待！

这里是蓬莱岛勇士，一位爱科普的物理教师。关注@蓬莱岛勇士科学站带你进入有趣的科学世界

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