今天撸了一遍集成电路行业，芯片设计制作为什么这么难？

1.设计复杂：

一个CPU芯片里面有十几亿个晶体管，我们使用的芯片相当于计算机或者手机的大脑，我们需要手机做的任何工作都要通过芯片来处理。比如打王者时，鲁班在屏幕上的运动轨迹，需要芯片根据你的操作指令不断绘制。所有复杂的运算，最后都会把它分解成加法逻辑，加法逻辑最简单最快，其他运算都是通过ALU(算术逻辑运算单元)调用加法器来协调工作完成计算。

十几亿个晶体管同时运作，运算速度非常快。为了减少CPU的功耗和体积，每个晶体管目前的大小都在纳米级。纳米有多小？只有我们头发丝的5千分之一那么大。

要用光刻机把这些纳米级别的十几亿个小晶体管刻在硅片上面，中间有不同的链接和通路，想想这要多复杂。

针对不同功能芯片，需要独立设计内部结构。设计芯片非常复杂，必须要懂计算机架构体系，会用各种芯片设计软件Cadence/Synopsis，会用软件仿真的C++，会用硬件仿真的FPGA，会使用CPU的ARM指令集，因为晶体管太小，有可能引发量子效应，还要懂量子理论。这些复杂的知识，一个人是搞不定的，需要一个非常牛的团队，事实上全世界这样牛能够设计芯片的团队就没多少。要聘用这样的团队薪水也是非常感人，一般公司付不起。

2.制造复杂：

芯片设计好了以后，在大批量生产之前要开始进行数量较少的流片验证。芯片光刻步骤大概在200步以内，每一步光刻都需要一块光罩，光罩里面的图案极其复杂，制造难度极大，成本很高。

流片验证成功后，开始生产，芯片的生产环境要求非常苛刻，生产车间要365天*24小时，无菌无尘恒温恒湿，空气净化需要大量的电力成本。据说台积电要用掉台湾新增电力的30%，可见用电量巨大。

芯片生产中间就要用到最重要的光刻机。我国现在差距还比较大，荷兰的ASML可以推进到3纳米，而中国的光刻机产商中国微电子只能到90纳米。现在ASML公司垄断了高端光刻机，也是花费了十几年时间，欧美各国投资了几十亿欧元，不同公司交叉持股，共同研发成功的。比如ASML的透镜来自德国的蔡司，光源是美国的Cymer，然后ASML完成组装。光刻机上中国微电子和ASML的差距至少20年，因为这个光刻机是实在太难了，里面有十几万个超精密零部件，重量高达200吨，技术复杂度比航空发动机还要高。

一块芯片从IC设计，芯片制造，芯片封装，成品测试，通过几千个步骤，最后才能上市。其中每一步成本都非常巨大，完全靠庞大出货量平摊到每一个芯片才能降低价格。所以，市场占有率小的芯片由于成本太高，是没有竞争优势的。

3.业内生态。

在半导体芯片行业，企业的模式主要分三种：IDM、Fabless，Foundry。

1、有的公司，从设计，到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包，被称为IDM(Integrated Design and Manufacture)公司，例如英特尔Intel。除了英特尔之外，世界上很少有集成电路厂家能独立完成芯片的全流程设计制造。

2、有的公司，只做设计这块，是没有fab（工厂）的，通常就叫做Fabless（无工厂），例如ARM、AMD、高通、华为海思等。

3、而还有的公司，只做代工，只有fab，不做设计，称为Foundry（代工厂），例如台积电等。

2017年全球排名前十的Fabless企业榜单。里面就有中国的华为海思和紫光入榜。华为海思营收47.15亿美元，增长21%，排名第7。高通排第一。

华为海思只是一家负责芯片设计的公司。它完成芯片设计之后，也是要交给晶圆代工企业台积电进行制造的。目前台积电顶着巨大的压力继续给华为芯片代工。美国也是，美国F-35战斗机的核心控制芯片自己设计，但是也是由台积电制造。因此，美国现在试图强制台积电把部分工厂搬到美国去，否则一旦台海开战，美国没法保证芯片获得安全。

华为海思一直亏损了10年，在刚开始的时候，相对于华为的其他业务，海思半导体在业内饱受白眼。不过任正非却坚持，即使业内几十年内不用海思的产品，也要坚持下去。2016年，华为发布麒麟960，这款芯片代表着华为自研芯片的正式成熟。

尤其在安防监控领域，华为海思经过十多年的深耕，全球市场份额甚至达到90%之多。

今年在美国制裁华为之后，华为的自主研发的芯片和操作系统都立了大功。想想任正非当年的话，是多么正确，多有战略眼光：

“（芯片）暂时没有用，也还是要继续做下去。一旦公司出现战略性的漏洞，我们不是几百亿美金的损失，而是几千亿美金的损失。这是公司的战略旗帜，不能动掉的。”

集成电路行业是中国最大的短板，2018年进口芯片要花掉了3100亿美元。为国外公司提供巨额利润的同时，还经常被威胁断货卡脖子。希望中国的集成电路产业像华为一样，为完全独立自主研发不懈努力。

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