最近，各大媒体
就美国封锁中兴芯片的事，
纷纷讨论。
自然分成了两个阵营，
一边是“外国阴谋论型”
“国人自吹型”，
即：美国想借芯片
封锁高端产业发展啦，
国家最近有钱啦，
可以大批投资芯片产业，
几年技术就可以赶超英美啦云云；
另一边则是“孩子都是别家的好型” “白左正确型”：
中兴被封锁是自己不守规矩活该，
国外芯片做了几十年，
技术经验高到不知道哪里去了，
中国想赶上欧美白日做梦，
中国体制就是差，
外国体制就是好云云。
今天，我们不介入其中任何一方来评论这件事，只是单纯地谈谈：
做块指甲大的芯片而已，
为什么扯得那么大费周章？
这就需要从芯片的制作流程开始讲起了。
现今市面上的芯片，叫IC芯片，
全称是 Integrated Circuit集成电路。
芯片整体上分成这几个部分：
最下面的基座晶圆
上面密密麻麻的小方块都是一块块芯片
和上层的薄膜集成电路
而薄膜集成电路又细分为：
成百上千的晶体管、电阻、电容以及之间连接的线路几个部分。
侧面放大看，一块芯片就像这个样子。
就像是在搭乐高积木，
在基座上一块一块地搭建起来。
晶圆生产
作为几乎所有芯片的载体，
晶圆这个地基永远都是重中之重。
地基如果坑坑洼洼，
上面盖的楼也会歪七扭八。
因此，就需要一个表面平整
且排列规则的晶圆。
晶圆的表面是排列整齐的单晶表层，
就像乐高积木的基座一样，
上面布满一个个小点
用来连接和固定上面的部分。
晶圆表面放大后俯视
晶圆表面侧视
每一个点是否规整，排列是否精确
就成了衡量晶圆质量的一个重要指标。
假设晶圆是一张圆形的纸，
那么，在晶圆上排芯片就类似于
在这张纸上画固定尺寸的方形，
圆形越大，能画进去的方形也就越多，
相同，晶圆尺寸越大，
一块晶圆上生产出的芯片也越多，
所以晶圆的尺寸也很重要。
晶圆尺寸历史变迁
为了保证芯片的小尺寸，
晶圆本身也是非常薄的，
但仍要有保证晶圆自身强度的厚度，
一般厚度都在1mm以上。
目前最广泛应用的是8寸
12寸晶圆是现阶段的高阶尺寸，
再过几年，就将出现下一代18寸晶圆。
如果到了下一代18寸，
可能晶圆厚度还需进一步增加，
这意味着芯片的厚度也会增加。
但这不符合芯片尺寸越来越小的需求，
增强晶圆强度或者进一步缩小芯片尺寸
就成为下一步芯片制造技术的方向。
那么如何制造一片单晶晶圆呢？
首先需要对砂石材料提纯，
用高温，蒸馏和化学还原等方式得到99.999%的高纯度多晶硅。
紧接着，将多晶硅材料放到坩埚中融化成单晶硅液体，
此时，坩埚带着里面的单晶硅液体旋转，
然后上方用一小块硅晶体：硅种，
作为引子浸到液体里，
把坩埚中的单晶硅吸出来。
就像排队一样，
需要先有一小部分人，
给后面的人做排队示范，
后面的人才好跟上。
随着将硅种缓慢向上拉起，
一个单晶硅柱就形成了。
单晶硅柱的直径是由硅种拉出的速度
和旋转速度决定的，
一般来说，上拉速率越慢，
生长的单晶硅柱直径越大。
有了单晶硅柱后，
就需要对其进行切片，打磨，抛光，
将它变成一片片的晶圆片。
制造晶圆需要非常精细的加工，
晶圆上必须所有单晶硅整齐排列，
多哪怕一个纳米级的粒子都会导致
之后芯片生产过程中残次品的出现。
而初期的硅材料提纯
和单晶硅柱的制造，
一样需要高精尖技术的支持，
前期需要的投资巨大，成本高，
而且对技术的要求非常严格。
任何一个环节出错
都会导致之后所有产品的失败。
然而，这只是制造芯片的第一步。
有了晶圆以后，
接下来就是各个厂家的芯片设计图纸了。
芯片设计
IC芯片设计用下面的流程图
就可以很清楚地表现出来：
主要步骤为：规格指定，
硬体描述语言，校验，
制成逻辑线路图，检测，
制成具体平面线路图，检测，
最后将设计图送至代工厂加工。
其中，最重要的便是第一步
——规格制定。
为什么规格制定很重要呢？
因为这要考虑到芯片的功能，
有哪些相应的规格要遵守，以便芯片在之后能契合其他厂的产品，
同时可能还需要为后面的修改留足空间。
就好比画一张人物画，
开始的人物比例一定要设计好，
否则，画到后面就会出现，
全身都画好了，结果发现头比例不对；
或者上半身画完了，
结果剩下的地方不够画下半身，
到时候再想推倒重来，代价就非常大了。
规格制定好以后，就要开始搭线路了。
和现实搭线路不同，
芯片制造上，需要先在纸上，
用专门的数学语言把逻辑写出来：
在文字上的逻辑完成以后，
就需要进行一次模拟，
看看这些逻辑语言
是不是满足了芯片所需要的功能，
如果没有，就回到代码里
补充、修改，完善。
码农码农，这本身就是一个
需要极好的逻辑思维能力
和数学语言能力的职业，
看看下面的代码图，
想想一下自己是代码的编写者，
就知道编写代码是一项
多么需要毅力和创造力的事了。
在代码上没有什么问题了以后，
就需要用专门的电脑程序（EDA tool）
将做出来的代码，
转化为初步的逻辑电路图：
之后，再不断修改，
反复确认逻辑闸是否符合要求。
检查完之后，
就到了正式的平面绘制线路图阶段了。
芯片是一个层层搭建的结构，
因此需要把每一层的线路布局
分别设计出来，
之后再嵌套在一起，
最终呈现出如下的样子：
图中红黄蓝绿四色分别代表一层线路
光出来最终图纸还是不够的，
还需要将图纸细分并将之打印在
之前生产好的晶圆和金属材料上，
这一过程就叫光罩，
光罩简言之就是
把设计图直接画到刻印材料上。
在要刻印的材料上涂上光阻，
然后在不需要的地方打光，
这样打光的位置的光阻就被破坏，
需要刻印的设计图
就清晰地显露在刻印材料上，
之后直接照着材料上的痕迹
刻出来就可以了。
一块芯片一般都会有好几层，
需要分别进行多次光罩，
要事先将各个分层的光罩图设计出来。
比如按下图的方式：
芯片设计这一阶段同样非常复杂，
刚开始的规划与逻辑语言编写
就极需工程师过硬的编程能力，
甚至是创造力。
想在一个尺寸一定的芯片上玩出花，
就需要工程师能设计出
一套精妙的算法。
举个小例子：
一般人算1 2 ... 100就是一个个正常加起来，
但用{（1 100）x50}/2就省了很多步骤，
好的算法不仅可以节省时间，
提高处理效率，
还能够节省芯片的体积和能耗。
而之后的反复测试中，
也需要设计师有扎实的功底
和丰富的经验，
能够检查出存在的和潜在的问题。
除了上述这些，
设计师还需要有极强的三维想象力，
能够将原先平面的线路图，
转化为立体的芯片线路，
这些方面都需要极高端的人才支持。
设计结束后，
就进入正式的芯片生产阶段。
芯片生产
在这一阶段，就要照着图纸，
在之前做好的地基上盖房子了。
上图就能很清晰地
体现出芯片的立体结构，
蓝色部分便是晶圆基座，
红色部分在最底层，便是基础逻辑闸，
用来连接上层的相关结构，
剩下的上层部分均是不同的连接线路了。
想要盖起这个“房子”，
就需要进行如下的四步：
首先，在晶圆上喷上
制作芯片的金属材料，
然后像之前说过的，
在上面涂上光阻材料。
用光罩把不要的部分打光，
设计图就这样印在金属材料上。
之后以离子束蚀刻，
最后将剩余的光阻涂料洗掉，
这一套工序便完成了。
紧接着，按照之前
每层光罩设计图纸的要求，
一层一层地重复流程，
直到将最顶层部分也蚀刻完成，
一块芯片本体就出来了
最后就像上图所示，
一块晶圆上有许多块芯片，
芯片的基本制作就算完成了。
这一系列生产流程中，
最最重要的工序便是蚀刻。
学过《核舟记》都知道，
里面有工匠，能在一个桃核上
刻出苏子游赤壁的核雕。
而芯片一直都是秉承
尺寸越小耗能越少的原则，
电路越来越复杂，
但芯片尺寸不仅不能变大，
还得进一步缩小。
因此，现在芯片蚀刻的难度，
就相当于在一粒米上，
刻出几百个苏子游赤壁出来。
常说没有精工钻，别揽瓷器活，
芯片制造领域也是。
现阶段芯片蚀刻已经到了
14和16纳米制程之争，
所谓14纳米制程，
就是刻出来的线路最细可以到14纳米。
14纳米什么概念呢？
尺子上最小的刻度是一毫米，
而这一毫米上，能排七千多个14纳米长度的东西。
要做出能刻14纳米线路的车床，
也是一项高精尖的技术。
现阶段生产高端蚀刻机的有：
荷兰的ASML，美国的Lam
和AMAT，日本的TEL，
台积电和三星也可以算上。
这方面看，美国的技术封锁其实是有成效的。
芯片封装
芯片制作完成后，
还要从晶圆上切割下来，
但此时的芯片很薄，非常容易损坏，
因此就需要在外面包一层外壳，
来保护内部的芯片。
这就要提到芯片的封装了。
常见的封装主要有四种：
DIP，BGA，SoC和SiP。
DIP(Dual Inline-pin Package）
双列直插式
如上图，芯片被包裹在一块塑料外壳内，
用两侧的金属引脚作为芯片
和外部电路板连接的部分。
这种封装较为简单，体积较大，
一般用于缓存芯片和早期的内存芯片，
当年的游戏卡带里的芯片
也是用的这种封装。
在家用机等大型电子设备里，
用这样封装的芯片依旧有足够的空间，
但是如果在小型电子设备，如iWatch上，
这种封装就不适用了。
BGA(Ball Grid Array Package）
球栅阵列式
一般我们在广告上看到的芯片就如上图，
最常见的用这种封装的，
就是英特尔的CORE系列处理器芯片了。
这种封装，耗能少，
电信号传输效果更好，
但是会有延展性不好，
且芯片焊接复杂等问题。
SoC (System on chip) 系统芯片
与SiP系统级封装(System In a Package)
这两种封装之所以一起讲，
是因为SiP是SoC的性价比优化版。
SoC乍一看让人不明觉厉，
实际上就是在设计时，
将设备上主要需要的芯片，
全部设计在一起，
然后在生产中，刻印在一块晶圆片上，
相当于把不同的芯片整合成一块，
最后整体封装。
这种方式性能上优势巨大，
因为芯片与芯片之间能直接对接，
不需要额外的接口，线路和引脚，
耗能少，速率快，
而且体积非常小。
但是需要在生产前，
就获得所有其他相关芯片的
产品授权和图纸设计，
里面需要的手续
和专利购买成本巨大，
因此，出现了折中的SiP封装。
SiP封装内部结构
相较于SoC，SiP是其低度整合版，
即将不同的系统所需芯片，
用排列或堆叠的方式
整合在一个封装壳里。
原本芯片之间是靠
主板上的线路进行连接，
在SiP里，直接有一个小型平台，
来承载所有芯片的连接，
这种封装方式因为直接采购
其他芯片本体，
并没有触及其设计和生产，
因此免去了专利
和授权上的很多麻烦，
大大降低了成本，
iWatch上的主芯片
即采用了SiP封装。
封装完成后，
一块芯片才算是正式生产结束。
虽然说，整个芯片的生产
需要非常高的技术要求，
但是，芯片产业链并不是
由某个国家或者某个企业独占的，
而是全世界系统分工的。
比如，晶圆生产有三星和台积电，
芯片设计有联发科，高通，英特尔，
芯片生产有ASML，AMAT。
每个环节都有不同的公司代工，
甚至这些公司本身，
也是将一些生产工序
交给其他更专业的公司代工，
比如高通就专注于芯片设计。
因此，不能说美国进行技术封锁，
中国在芯片生产方面就真的死透了。
但是，发达国家的芯片产业
早在上世纪60年代就已经开始，
历经近50年的技术、人才和经验积累，
肯定不是正式入门没多久的
我们能够轻易赶上的，
而且芯片产业是非常烧钱的，
某些项目不投入上百亿美元，
是根本不会见成效的。
更何况，国外相关企业
不仅有雄厚的资金，
更有多年的人才积累，
他们的工程师团队
在技术攻坚阶段摸索多年，
不是咱们这样
顺着前人留的记号前进所能比的。
索性，时间还有，
而且作为现阶段
绝大部分产业的基础之一，
芯片产业国家是一定要大力发展的。
但是，技术积累依靠的是脚踏实地，
不是”大跃进“，“汉芯”这样“放卫星”。
希望这次禁令给我们敲响的警钟，
是“实事求是”，而不是“小步快跑”；
是静下心来做事情，
而不是像蝗虫一样，
见到麦子就一股脑涌过去吃光榨干。
希望国产芯片能柳暗花明。
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