发动机，工业皇冠上的明珠，其核心技术说白了就是涡轮叶片是否够结实，其关键的材料就是：金属铼，和镍混合，做出的涡轮叶片坚固无比，油门踩狠了发动机也不会散架，大量用在航天发动机、航空发动机、燃气轮机。

铼的全球探明储量大约2500吨，主要分布在欧美，70%用来做发动机涡轮叶片，这种战略物资，被美国禁运。前几年才在陕西发现一个储量176吨的铼矿，才使国内摆脱了欧美的钳制。

稀土永磁体，就是用稀土做的磁铁，能一直保持磁性，用途广泛。高品位稀土矿大多分布在中国，所以和“磁”相关的技术，比如核聚变、太空暗物质探测等，我国的应用走在前列。

作为“工业之母”的高端机床，材料是最大的限制之一：比如，高速加工时，如何避免主轴和轴承摩擦产生热变形，导致主轴抬升和倾斜，对加工精度产生影响，这方面国内还在迎头赶上。

这种关键核心材料，全球总共约130种，也就是说，只要你有了这130种材料，就可以组装出世界上已有的任何设备，进而生产出已有的任何东西。

人类的核心科技，某种程度上说，指的就是这130种材料，工信部2018年7月发布的数据显示：其中32%国内完全空白，52%依赖进口。在高端机床、火箭、大飞机、发动机等尖端领域比例更悬殊，零件虽然实现了国产，但生产零件的设备95%依赖进口。

该回正题了，半导体芯片之所以难，是因为它不但涉及海量的应用技术，还有众的材料技术。

为了便于理解，还得从原理说起。导体，最常见的铜线，能够导电。绝缘体，橡胶，不能导电。还有介于中间的一个半导体，导电性能介于导体和绝缘体之间、并可以通过掺入杂质来改变其导电性能的材料。

由于半导体导电性能的多样性，所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片、雷达。

基于一些简单的原因，科学家用硅作为半导体的基础材料。

并制造出了具有单向导电的二极管。它就是大规模集成电路，也就是芯片的基础元件。

从前有一天，有人用18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及现在手持计算器的十分之一。

接下来的思路就简单了，如何把这30吨东西，集成到指甲那么大的地方上呢？这就是芯片。

为了把30吨的运算电路缩小，工程师们把多余的东西全扔了，直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发，说说芯片的制作过程。

第一：硅

把硅石氯化了再蒸馏，可以得到纯度很高的硅，切成片就是我们想要的硅片。硅的评判指标就是纯度，如果硅里有一堆杂质，那电子就别想在之间跑顺畅。

太阳能级高纯硅要求99.9999%，全世界超过一半是中国产的。

芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了，11个9)，几乎全赖进口，直到2018年国内才实现量产，目前年产0.5万吨，而中国一年进口15万吨。难得的是，国产的高纯硅出口到了半导体强国韩国，品质应该还不错。高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资)。

第二：晶圆

硅提纯时需要旋转，成品就长这样：

所以切片后的硅片也是圆的，因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了？

切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“晶圆厂”。晶圆加工的过程有点繁琐。

首先在晶圆上涂一层感光材料，这材料见光就融化，那光从哪里来？光刻机，可以用非常精准的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。

然后，用等离子体这类东西冲刷，裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素，就得到了一堆N型半导体。

完成之后，清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻沟槽，再撒上硼，就有了P型半导体。

实际过程更加繁琐，大致原理就是这么回事。有点像3D打印，把导线和其他器件一点点一层层装进去。

这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路，这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明，最底层都是简单的门电路。只是采用了更多的器件，组成了更庞大的电路，运算性能自然就提高了。

据说这就是一个与非门电路：

提个问题：为啥不把芯片做的更大一点呢？这样不就可以安装更多电路了吗？

这个问题很有意思，答案出奇简单：钱！一块300mm直径的晶圆，16nm工艺可以做出100块芯片，10nm工艺可以做出210块芯片，于是价格就便宜了一半，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。总的来说，大芯片的成本远远高于小芯片。

第三：设计与制造

用数以亿计的器件组成如此庞大的电路，想想就头皮发麻，所以芯片的设计异常重要，重要到了和材料技术相提并论的地步。

一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去，稍微有个PN结出问题，电子同样会堵车。这种精巧的线路设计，只有一种办法可以检验，那就是：用！大量大量的用！现在知道芯片成本的重要性了吧，因为你不会多花钱去买一台性能相同的电脑，而芯片企业没了市场份额，很容易陷入恶性循环。

正因为如此，芯片设计不光要烧钱，也需要时间沉淀，属于“烧钱烧时间”的核心技术。既然是核心技术，自然就会发展出独立的公司，所以芯片公司有三类：设计制造都做、只做设计、只做制造。

早期的设计制造都是一块儿做的，最有名的：美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体；

后来随着芯片越来越复杂，设计与制造就分开了，有些公司只设计，成了纯粹的芯片设计公司。如，美国的高通、博通、AMD，中国台湾的联发科，大陆的华为海思、展讯等。

挨个点评几句。

大名鼎鼎的高通就不多说了，世界上一半手机装的是高通芯片；博通是苹果手机的芯片供应商，手机芯片排第二毫无悬念；AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。这些全是美国公司，世界霸主真不是吹的。

台湾联发科走的中低端路线，手机芯片的市场份额排第三，很多国产手机都用，比如小米、OPPO、魅族。

华为海思是最争气的，大家肯定看过很多故事了，不展开。除了通信芯片，海思也做手机用的麒麟芯片，市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会，海思芯片的进步真的相当不错。

展讯是清华大学的校办企业，比较早的大陆芯片企业,大陆还有一批芯片设计企业，晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等，产品应用于电视、便携式电子产品等领域。

还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾的台积电。正是台积电的出现，才把芯片的设计和制造分开了。2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%，规模和技术均列全球第一，市值甚至超过了英特尔，成为全球第一半导体企业。

除了台积电这个巨无霸，台湾还有联华电子、力晶半导体等等，连美国韩国都得靠边站。

大陆最大的代工厂是中芯国际，还有上海华力微电子也还不错。

大陆的中芯国际具备28nm工艺，14nm的生产线也在路上。台积电几乎拿下了全球70%的28nm以下代工业务。

美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力，最近几个月台积电刚刚上线了7nm工艺，稳稳压过三星，首批客户就是华为的麒麟980芯片。华为设计芯片，台积电加工芯片。

第四：核心设备

芯片良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度完全取决于核心设备，就是前面提到的“光刻机”。

光刻机，荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下！无论是台积电、三星，还是英特尔，谁先买到阿斯麦的光刻机，谁就能率先具备7nm工艺。没办法，就是这么强大！

日本的尼康和佳能也做光刻机，但技术远不如阿斯麦，这几年被阿斯麦打得找不到北，只能在低端市场抢份额。

阿斯麦是唯一的高端光刻机生产商，每台售价至少1亿美金，2017年只生产了12台，2018年预计能产24台，这些都已经被台积电三星英特尔抢完了，2019年预测有40台，其中一台是给咱们的中芯国际。

国内光刻机技术的进步，打破了国外的技术垄断。 2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功，2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国，后来中国开始攻关65nm光刻机，2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国。

重要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好很多，16nm刻蚀机已经量产运行，7-10nm刻蚀机也在路上了，所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。

在晶圆上注入硼磷等元素要用到“离子注入机”，2017年8月终于有了第一台国产商用机。离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的。涂感光材料得用“涂胶显影机”，日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料，也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。

2015年至2020年，国内半导体产业计划投资650亿美元，其中设备投资500亿美元，再其中480亿美元用于购买进口设备。

第五：封测

芯片做好后，得从晶圆上切下来，接上导线，装上外壳，顺便还得测试，这就叫封测。

封测，排名世界第一的日月光，后面还跟着一堆实力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。

大陆的三大封测巨头，长电科技、华天科技、通富微电，业务做得都还不错。

为了推动硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测，以及相关的半导体设备的研发和应用，国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出，2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，产业实现跨越式发展。

当前，中国芯片布局多个领域，前景还是可期待的。

芯片，作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准，其基础的能带理论竟然只是个近似理论，电子的行为仍然没法精确计算。再往大了说，别看现在的技术纷繁复杂，其实就是玩玩电子而已，至于其他几百种粒子，还完全不知道怎么玩！