“我们每天都在打仗芯片，但是我们看不见芯片，我们看到的只是一个整机。”
魏少军清华大学集成电路学院教授
大家好，我是来自清华大学集成电路学院的魏少军，本日我分享的内容是《小小芯片改变我们的生活》。一颗小小的芯片不仅是一个器件，而且还会持续地改变你我的生活。
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什么是芯片？
目前，芯片已经成为一个非常热的话题。那什么是芯片呢？实在我们每天都在打仗芯片，大部分韶光都在和芯片做交互，但是我们看不见它，我们看到的只是一个整机。例如，我们很多人都在用手机。如果我们离开手机，乃至不知道如何与别人交互，也不知道若何查信息。但当我们拿得手机时却看不到任何的芯片，由于芯片在里面。
Iphone6手机部件及其电路板上的集成电路
手机里面有多少个电路板，电路板上有一些小小的玄色方块，我们称这些方块为集成电路。正是这些数量浩瀚的集成电路，授予了手机极其繁芜的功能。
整机机柜（左）和电路板上的集成电路（右）
我们日常生活中还会打仗一些整机的机柜。当我们打开机柜之后，可以看到里面一块块的电路板。电路板上这些玄色的小方块便是集成电路。
集成电路（左）和芯片（右）
集成电路便是我们所说的芯片的学名。不过，集成电路和芯片还是略有一点差别。我们把左图中集成电路的玄色封装材料去掉之后，才能看到右图中真正的芯片。芯片是在半导体材料上构建的一个繁芜的电路系统。晶体管是组成芯片的基本器件。晶体管很小，我们人类还无法用肉眼去不雅观察它内部的事情事理，只能通过外部测试来推算它是如何事情的。
晶体管的符号（上）和基本事情事理（下）
为了讲清晶体管的事情事理，我举一个大略的例子。我们知道水电站都有大坝，大坝上有闸门，大坝里面有发电机。当闸门打开时，水流冲下来匆匆使发电机发电。常日在闸门上有一个功率较小的电动机，用来掌握闸门的关闭和打开，从而掌握大坝里面发电机的发电。与发电机的功率比较，电动机的功率较小，用小功率的电动机掌握这个闸门的开关，就可以让发电机发电。在水流最大的时候，发电机的发电量最大。因此它就起到了放大浸染。当闸门全部打开时，发电机的发电量达到最大，我们用1来表示。当闸门全关上，没有水流时，发电机不发电，我们用0来表示。借助这样的办法，我们实现了晶体管的基本事理。晶体管有各种各样的型号，分别由不同的材料组成，例如双极型的晶体管和金属氧化物半导体（MOS）的晶体管。上图中列出了几种晶体管的符号，今后大家如果看到这些符号，就可以知道这是晶体管。晶体管只有70多年的历史。在晶体管涌现之前，我们用的是电子管，它是个真空管。
电子管
上图是直径为2-3厘米，高度为5厘米的电子管。电子管的下面有一个阴极，把它加热之后会向上发射电子，上面有一个阳极网络电子，中间的栅极卖力掌握电子通过量。栅极相称于闸门，电子束相称于水流。
第一台电子打算机ENIAC
1946年2月，在美国宾夕法尼亚大学出身了第一台电子打算机ENIAC。这台打算机用了17500只电子管，重量有30吨，占地面积很大，耗电量达174千瓦。这台电子打算机可以完成每秒钟5000次的加法，在当时来说速率非常快。但是，这台电子打算机存在一个大问题：机器均匀每7分钟就要烧坏一只电子管，因此它的利用效率非常低。缘故原由在于电子管在高温、高压、高热的情形下事情，可靠性非常差。为了长期稳定利用打算机，我们急需找到一个能够代替电子管的器件。1947年，在美国的贝尔实验室，三名科学家发明了晶体管。它很小，像一颗黄豆那么大，功耗很低，也不发热，利用寿命可达十几年。
晶体管发明人肖克利（W. Shockley）、巴丁（J. Bardeen）和布莱坦（W. Brattain）（左），晶体管原型（中）以及天下上第一台晶体管打算机TRADIC（右）
1954年，美国贝尔实验室利用晶体管构建了一台晶体管打算机，我们称其为第二代打算机。这台打算机耗电只有100瓦，可以完成每秒钟100万次的运算，运算速率远远快于第一代打算机。这台晶体管打算机仍旧存在一个问题：它有很多焊点，在高温和机器震撼很强的情形下，它的可靠性依然不好。因此人们急需找到其余一种器件，能够进一步缩小体积，提高可靠性。
基尔比（Jack Kilby）和他发明的集成电路原型
4年后的1958年，在美国德州仪器公司的年轻工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了集成电路的理论模型。
诺伊斯（Bob Noyce）和掩膜版曝光刻蚀方法制造的集成电路
1959年，鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）创造了掩膜版曝光刻蚀方法，用光降盆集成电路。
第一台集成电路打算机IBM360
到1964年，IBM公司用集成电路构建了天下上第一台集成电路的打算机，也称为第三代打算机。这个打算机有大、中、小共6个型号，涵盖了科学打算和事务处理两方面的运用，像一个罗盘一样能够360度全方位利用。因此，它起名为IBM360。这台打算机与之前的打算机比较最大的特色，便是从军用为主转向了民用为主。
泰德·霍夫（Ted Hoff）（左）和天下上第一款微处理器——英特尔4004（右）
1970年，英特尔公司的一位年轻科学家泰德·霍夫（Ted Hoff）主持设计了天下上第一款微处理器——英特尔4004。关于英特尔4004，还有一个小小的插曲。当时的微处理器并不是为了打算机，而是为***的打算器设计的。英特尔公司设计好4004之后，就把微处理器交给了日本公司。按照当时的规定，出钱的公司拥有知识产权和技能，因此天下上第一个微处理器的产权属于***。***以为微处理器很好，但是又很后悔。他们没有节制升级技能，每次升级都要费钱去找英特尔。每次还要费钱，以为很不合算，于是就把微处理器还给了英特尔。英特尔公司非常高兴，为什么呢？由于英特尔公司把微处理器交给***之后，他们也很后悔，认为这么好的东西交给***实在太遗憾了，以是***把东西交回来时，英特尔公司大喜过望。从那往后，英特尔公司的主攻方向从半导体存储器转向了微处理器，发展成了一家伟大的公司。
第一台IBM PC
又过了10多年到1981年，IBM公司宣告第一台IBM PC出身，它用的是英特尔的微处理器。我们本日利用的个人打算机（PC）包括条记本电脑，都是从IBM PC派生出来的。个人打算机改变了打算机的利用，从IBM360那样紧张面向商用，变成了紧张面向家庭和个人。现在，打算机已经深入到我们生活的方方面面，并且存在两个极度。
神威·太湖之光
一个极度是大型的超级打算机，例如中国的神威·太湖之光。它曾经四次蝉联环球超级打算机Top500的第一名，具备非常高的运算速率，每秒钟可以完成12.5亿亿次运算。
iphone12
另一个极度是手机，例如iphone12利用的A14的处理器每秒钟运算次数可达到11.8万亿次，这也非常惊人。要知道在1969年，美国航天局把宇航员送上了月球。当时他们所拥有的所有的打算能力都不如我们本日的一部手机。我们常常开玩笑，美国人用那样的打算能力把宇航员送到了月球表面，但是本日我们拿动手机来打游戏，或者做一些看起来微不足道的事情。但这便是技能的进步。
戈登·摩尔（Gordon Moore）（左）和罗伯特·登纳德（Robert Dennard）（右）
谈到集成电路的发展时，有两个人我们不得不谈。一个是戈登·摩尔（Gordon Moore），他在1965年的一篇论文中提出了著名的摩尔定律。他通过不雅观察，预测到集成电路的集成度大概每过一年翻一番，后来又修正为每过18-24个月翻一番。过了将近十年的韶光，人们在回顾这篇论文时，惊奇地创造摩尔预测的非常准。于是，人们产生了其余一个疑问，我们该当用什么样的方法延续这样的发展速率，每年都能让集成度翻番。1974年，IBM的科学家罗伯特·登纳德（Robert Dennard）在论文中写道，按照他的方法，就可以一贯延续摩尔定律。他提出的正是等比例缩小的方法，该方法讲的便是如何去实现摩尔定律。登纳德定律和摩尔定律合称为摩尔定律。说道摩尔定律，只须要记住三件事：每代工艺与上一代比较，在面积不变的情形下，晶体管的数量翻一番；或者在晶体管数量不变的情形下，面积可以缩小到原来的二分之一；它的速率提升40%，功耗低落50%。我们称之为PPA，即Performance，Power，Area。只要你知道PPA，就表明你是理解集成电路的。按照这样的发展速率，每18个月它的集成度就要翻一番。因此它是2的N次方的发展速率。
单个芯片上的晶体管密度指数攀升
我们可以看到，从250纳米到5纳米，单位面积上可以集成的晶体管数量急剧上升。在250纳米时，我们可以在一个平方毫米的面积上集成11.2万个逻辑门。一个逻辑门相称于4个晶体管，11.2万个逻辑门相称于45万只晶体管。到了16纳米的时候，我们可以在一个平方毫米的面积上集成大概400多万个逻辑门，即大概1500万个晶体管。而到了5纳米时，我们可以在一个平方毫米的面积上集成2800万个逻辑门，即1亿多个晶体管。一个平方毫米的面积，相称于一个芝麻粒大小。本日一颗芯片可以做到500个平方毫米，也就意味着我们可以在单个芯片上集成500多亿只晶体管。全人类一共80多亿人，每生产一颗芯片可以给全人类每个人分几只晶体管。以是我们的集成度非常高，这样高的数量意味着这个别系非常繁芜。摩尔定律揭示了生产当中不断发展的征象，如果它按照2的N次方连续发展，会对社会带来若何的影响？2015年4月19日，在摩尔论文揭橥的50周年，人们在硅谷举办了一个纪念会，约请摩尔前来参加，同时也约请了两位高朋。
一位高朋是加州理工的教授卡弗·米德（Carver Mead），他说：“摩尔定律不是一个物理定律，它是人类本性的一个定律。人们知道什么在物理上是可以实现的，而且对之笃信不疑。”这句话非常有哲理。卡弗·米德认为人们相信某件事可行时就会努力去做。因此，摩尔不雅观察到征象，但真正实现摩尔定律的是全体的从业职员，是我们全人类。其余一位高朋是英特尔公司的前高等主管比尔·戴维德（Bill Davidow），他说：“社会和经济变革是巨大的。在50多年前通报信息不仅缓慢，而且非常昂贵。因此，我们把人们移动到间隔信息近的地方。”这句话的意思是说，过去我们要到超市去买东西，但是不知道超市里有什么东西，该怎么办？我们就须要亲自去超市进行选择，即把人移动到离信息很近的地方。但是，借助电子商务的发展，我们可以把信息移动到人们所在的地方，通过手机下单把东西移动到家里。因此，比尔·戴维德说：“由于摩尔定律，我们将会重修所有的物质性根本举动步伐。”大家平时可以不雅观察到，有些大阛阓逐步消逝了，或者退化成娱乐中央，缘故原由是电商的涌现导致全体社会形态发生变革。这背后真正的驱动力是信息技能，而信息技能最主要的根本便是半导体技能，即晶体管的发展。以是摩尔定律的社会意义是非常深远的。这件事情只发生在半导体家傍边，如果发生在其他领域，变革可能就更大了。到目前为止，没有任何其他的家当和技能，能够像半导体技能一样，按照摩尔定律在半个世纪中持续发展。我做了一个大略的打算，如果同样的事情发生在汽车上会怎么样？那本日汽车的速率就会达到每小时930万公里，比第三宇宙速率快了30倍；每百公里油耗只有0.6纳升，1纳升是10－9升，大概相称于一个唾沫星子，就可以跑100公里；最胆怯的是，这个车可以乘坐680亿个人。真要有这样一辆车的话，全天下的人上车都来不及。
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芯片“杀手”
不仅如此，芯片的涌现还改变了社会的很多方面，我称其为芯片“杀手”。
什么叫做芯片“杀手”呢？这是由于芯片“杀去世”了很多东西。首先是曾经在我们生活当中扮演主要角色的胶卷消逝了。胶卷的紧张生产商是柯达公司，成立于1880年，但是在2012年申请了破产保护。它为什么会申请破产保护呢？由于胶卷没人买了，数码相机乃至手机的涌现逐渐扮演了胶卷的角色。在100年前的1921年，伟大的科学家爱因斯坦由于创造光电效应得到了诺贝尔奖。1969年，Boyle和Smith两位科学家开拓了第一个电子成像技能，叫做电荷耦合器件CCD。1991年，柯达公司发明了天下上第一款数码摄影机，代价高达13000美元，重量5公斤。柯达公司认为数码摄影机价格太贵了、太重了，不可能成为大家都接管的东西，以是把它锁到箱子里，并没有去生产。但是，没想到由于半导体技能的迅速发展，不到10年的韶光，很多卡片式的数码相机进入到千家万户，胶卷逐渐失落去市场。在发明CCD的40年后，2009年，Boyle和Smith两位科学家得到了诺贝尔物理学奖。今天主要利用的成像技能是CMOS图像传感器，简称叫CIS。这样的图像传感器我们每个人的手机上最少有一个，多的有三四个。它所带来的家当每年产值有上百亿美元。本日胶卷只存在于一些分外的行业，我们已经很少用到，乃至很多人都没有见过胶卷了。
第二个是机器钟表的消逝。我们很多人都不会戴机器腕表，而是选择电子表，乃至可能连电子表都不戴，拿一个手机就可以看韶光了。发明于15世纪的机器钟表，从纯粹的计时功能来看已经没有存在的必要。像电子表的电子计时的功能，早在上世纪的1971年就被发明出来了，“杀去世”机器钟表的也是芯片。
磁芯（左），磁盘（中）和磁带（右）
第三个是磁存储的消逝。最早的打算机利用的并不是半导体存储器，而是磁芯存储器。1979年我第一次打仗打算机的时候，利用的便是磁芯存储器，只有64K的内存。本日的条记本电脑基本上都是4G以上的内存，和当时比较已经发生了翻天覆地的变革。20年前，打算机也用到了很多磁盘，包括软的磁盘和硬的磁盘。现在的打算机也逐步较少用到磁盘，而大量利用了固态硬盘，即半导体存储器组成的硬盘。之前我们还用到的各种磁带，包括收录机上的磁带、随身听上的磁带和录像带，也逐步地从生活中消逝了。由于我们有了各种数码产品。
NEC发布的最早的静态随机存储器
为什么磁存储会消逝？缘故原由是我们用芯片来替代磁存储。英特尔公司创立初期紧张是生产半导体存储器。早在1966年，日本的NEC公司就发布了静态随机存储器，这个存储器改变了天下。我们本日用到的半导体存储器既不值钱，又非常值钱。它的造价非常贵，但是我们可以花几百块钱就买几个G，因此又很便宜。当存储容量不足时，我们买一个内存条插进去就可以办理问题，以是“杀去世”磁存储的又是芯片。
过去40年消逝的东西
过去40年里，我们有太多的东西逐渐消逝了。曾经大家都有科学打算器，本日已经没有人在用了。我们曾经骗家长说学英文、实在是听音乐的随身听，现在也已经消逝了。我们曾经用便携式摄像机给孩子录像，记录他们的发展过程，现在也逐渐淡出人们的视线。还有个人助理、MP3、卡片式摄影机、磁带录像机、GPS导航仪以及电子词典等等，这些东西都消逝了。它们都进了手机，而手机的体积并没有发生根本性的变革。由于芯片太强大了，而且越来越强大。每过18个月，它的容量就翻一番，功能也就越来越强大。因此，我们总结了一句话：芯片能够参与竞争的任何技能，终极都不可避免地成为失落败者。如果创造某项技能已经被芯片做了，我们千万不要再去做，由于它终极会被芯片降服，它一定成为失落败者。
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芯片的“极限”
芯片发展至今已经有60多年了，它有没有极限呢？有一天它会不会退出历史舞台呢？我认为任何事物的发展都有极限，不过我们离这个极限还很远很远。现行的科学技能还是有极限的，半导表示有技能碰着的第一个极限便是物理极限。
栅极氧化层示意图（左）和扫描电镜图像（右）
目前半导体在不断地在做小，尺寸已经缩小到了纳米量级。尺寸达到纳米量级之后，最大的问题是我们很难避免漏掉电子，就像筛子做的不足密会导致很多东西掉下去。半导体的紧张材料——栅极氧化层是尺寸最小的一层物质，只有1.5纳米。当真正做到1.5纳米时，电子会穿过它漏下来，产生泄电征象，无法进行掌握。这个可能是现行技能能够达到的最小尺寸，但不是终极尺寸，我们还有很多新技能可以办理这个问题。半导表示有技能的第二个极限是功耗极限。如果不对功耗加以掌握，手机电池耗电极快，几分钟就要充一次电。由于技能的不断发展，现在的手机可以一天充一次电，实在我们最空想的状态是一部手机一个星期充一次电就好。如果智好手机的电池功耗能够达到这种状态，我们的生活会方便很多。
20世纪90年代预测的芯片功率密度的增长趋势（左）和功率密度的实际增长情形（右）
在供应大量功能的同时，半导体自身也须要耗电。我们用能量密度，或者功耗密度，来表征它的功耗情形。家里用的电熨斗的功耗密度是每平方厘米5瓦，它运行起来很烫，能将我们烫伤。早在上世纪的90年代，半导体的功耗密度就已经超过了每平方厘米10瓦，比电熨斗还烫。如果当时我们没有发展任何新技能，到2005年可能功率密度就会达到每平方厘米100瓦。但是，经由20年的技能发展，半导体的功能在不断提升，功耗并没有明显的上升，这是非常主要的进步。
工艺节点发展路径
半导表示有技能的第三个极限是工艺、器件和材料。本日我们每每用多少纳米来表征集成电路的前辈性。天下上最前辈的大概是7纳米，目前在大批量量产，很快5纳米也会量产，我们国家也实现了14纳米的大批量生产。在生产过程中涌现了很多不同的节点，每次缩小到原来的0.7倍，以此一贯一直地提高。
不断演进的晶体管构造
在发展过程中，最根本的器件是晶体管，晶体管也在不断演进。图片最左边是前一代晶体管，即平面型晶体管。平面型晶体管的硅上有条沟道，两端是源和漏，上面通一个栅极来掌握沟道的电流是否通过。随着体积变小，源和漏逐渐靠近，电子跑的很快无法掌握，怎么办？于是我们发明了鳍式晶体管，也称为FinFET。FinFET中间有一个像鱼鳍一样提起来的东西，用栅把它包起来，三面环栅，就有了比较强大的电场，可以掌握电子能否通过。但是到了5纳米时，鳍式晶体管也行不通了。我们须要做一个全包围栅的晶体管，用一个全包围栅把沟道全围起来，叫做Gate-All-Around（GAAFET）。平面型晶体管在22纳米时涌现了换代，鳍式晶体管在5纳米时也会涌现换代，5纳米之后将涌现全包围栅晶体管。以是晶体管构造在不断地变革发展。这种变革背后有很多的科学技能，个中最主要的是半导体材料的创新。
半导体利用的元素周期表中的元素
上世纪80年代，半导体材料只用到了门捷列夫元素周期表中蓝色标记的少量元素。新世纪之后，半导体材料的运用扩展了很多，大量的元素都被半导体用到。半导体的发展并不是大略的只用一种材料，而是会用到多种材料。以是，探索新型的半导体材料，成为本日晶体管发展的非常主要的技能路径。
5/45/32/22/14/10nm CMOS工艺步骤数
把东西无限缩小的工艺繁芜度是非常高的。到65纳米时，我们大概须要走900步；到了10纳米时，我们大概须要走3300步。每步走一小时，也须要3300个小时才能完成。这些工艺步骤数决定了生产周期的是非，本日的集成电路不可能在几天之内就完成生产，而是须要几个月乃至更长的韶光才能完成生产。这几个月中不能涌现任何差错，否则整批报废，就要重新开始。以是它是一个生产管理高度繁芜、高度精密的技能。半导表示有技能的第四个极限是经济的可行性。任何好的技能如果没有经济的可行性，那就达到了它寿命的闭幕点。
新建半导系统编制造厂本钱
在上世纪，我们估计到2010年时建一个集成电路厂大概要花500亿美元，相称于当年发卖市场的10%，这是代价非常昂贵的事情。幸好科技的发展没有让我们失落望，我们的实际开销大概是100亿美元旁边，节省了400亿美元。即便如此，我们的花费仍旧是一个天文数字。例如，在65纳米时，达到的盈亏平衡要投25-30亿美元。在14纳米时，我们花费的100多亿美元就达到了美国一个核动力航母打击群的建造用度。到7纳米时，我们要花费140-160亿美元。到5纳米时，大概要花将近200亿美元。大家可能会迷惑，如此高昂的造价，我们是建一个核动力航母打击群，还是建一个集成电路制造厂？这是我们常常被问到的一个问题。如果建一个集成电路制造厂，后面还要连续投入，以是集成电路厂的建造非常昂贵。正是由于建造本钱的高昂，使得芯片也在逐步变贵起来了。
芯片不再便宜
在28纳米之前，半导体的价格一贯在走下行的通道，以是前几年会觉得手机价格很便宜，我们常常隔半年就换一部手机。但是，这两年一部手机高达几千块钱，可能很少有人频繁地换手机了，这部分是由于芯片价格的上涨导致手机越来越贵。我们按照百万逻辑门，即400万个晶体管，作为一个基本单位打算芯片价格。在28纳米时，它是1.4美元；到16-14纳米时，它是1.62美元，价格已经开始上升；现在到5纳米时，它的价格上升很快。以是今后半导体不会很便宜，电子产品也不会很便宜，这是生产规律所决定的。
越来越少的制造资源
由于须要数额巨大的投资，以是集成电路的制造资源越来越少。现在全天下进入7纳米的生产线只有三星、中国台北的台积电、美国的格罗方德和英特尔四家公司。事实上英特尔该当是10纳米，它指的密度相称于7纳米。今后如果环球只有两家公司在做半导体最前辈的工艺时，我们想要拥有这个产能就非常难。这便是为什么我们中国也要大力发展半导体的根本缘故原由。
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如何制造一块芯片？
那么，我们如何制造一块芯片呢？制造芯片是人类历史上最为繁芜的制造工艺。集成电路一样平常分成五大版块，包括设计、制造、封装测试、材料和装备。
集成电路家当的五大板块
常日我们讲集成电路紧张是指设计、制造和封测。最近几年情形发生变革，我们把材料和装备也纳入集成电路的范畴。很多人可能不理解什么叫设计、制造和封测，我用一个大略的例子来类比，虽然不是很准确，但是我们可以大概理解个中的内容。
设计、制造、封测三业相对独立的家当生态
集成电路的设计相称于一个作家在写作，它是一个创作的过程，是一个知识产权密集的过程，也是一个人才密集的过程。作家写作完成之后须要印刷。这个印刷厂须要进行非常精密的印刷，字印得很小又很清晰，还能成千上百地印刷，中间不走样。这就相称于集成电路的制造。它是规模化制造导向、设备密集、投资密集和专利密集的家当。书本印刷之后须要装订，避免书本散架，装订过程中须要用到的材料还要防止磨损。装订也是一个非常主要的事情，须要检讨装订是否精确、整洁，这就相称于集成电路的封测。因此，写作、印刷、装订基本上对应了设计、制造、封测。
集成电路芯片构造示意图
芯片的制造高度繁芜。如果我们打开一个芯片，会创造芯片里有几十层非常繁芜的东西，包括介质层、存储器、互联、打仗孔和晶体管等等。我们用什么办法来建造如此繁芜的芯片呢？芯片是靠一层一层的掩模板曝光刻蚀技能来建造的，这是鲍勃·诺伊斯发明并且沿用至今的技能。
集成电路芯片制造工艺流程示意图
真正去看集成电路的制造工艺，如果从单晶开始考虑的话，它经由的步骤非常长。从拉单晶、磨外圆、切片、倒角到末了引线键合、模塑、切筋成型、终测等等，这是一个非常长的家当链，它涉及到了材料、装备、设计、制造和封测等险些每个环节。
光刻工艺示意图这中间最主要的是光刻，光刻怎么做呢？我们举个大略的例子。我们有个晶圆片，在晶圆片的上面做一个氧化层。氧化层可以帮助我们阻挡一些不该进入到硅片的东西。蒸了一层氧化层后，就要在氧化层上涂一层光刻胶。在光刻胶上方放置掩膜版。光源从上面照下来，把掩膜版上的图形映射到涂了光刻胶的硅片上。随后去做显影，去掉暴露在光芒里的光刻胶，只留下阴影挡住的那一块，即图中的L形。然后做刻蚀，把下面的氧化层刻掉。末了去掉L形上面的胶，这时就有个L形勾留在硅片上面，这便是光刻技能。这里我只大略展示了光刻技能中的七个步骤，如果加上洗濯等环节，一层光刻过程可能包含十几个步骤。
集成电路的工艺节点和掩膜层数
我们本日的芯片制造可能会涉及到很多层，例如，在7纳米时候曾经高达到85层。优化之后，到7nm＋时我们只有75层。但是到5纳米时，我们又回到80层。每一层都含有几十个大略的步骤，相乘之后，我们的制造就会有极多的步骤。例如，在10纳米时，我们就会有3000步。以是我们常用层数来表征制造的繁芜度。如果制作1层须要1天的韶光，那么我们制作5纳米就须要80天，以是集成电路须要很长的韶光去制造。
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我们的“中国芯”
那我们国家的芯片发展得怎么样呢？
环球半导体市场分布情形
首先，中国是环球最大的单一半导体市场。2020年，我们中国利用的芯片代价1515亿美元，占比是35%。环球生产的芯片每三块中就有一块是被中国消费的。
中国集成电路家当链各环节发展情形
中国自己生产的集成电路并不是太多，在行业中最紧张的是设计。我们去年的芯片设计产值一共是3778亿公民币，相称于约540亿美元。我们的增长速率非常快，在过去的十几年中，我们的设计提升了将近45倍，制造提升了将近14倍，封测提升了9倍。而同期环球的增长速率远远低于我们。以是，在新世纪往后，半导体芯片在中国的发展是非常快的。
中国芯片设计家当发展情形
从2004年到2020年，我国的芯片设计家当快速发展，年均复合增长是27.1%。这意味着我国芯片设计家当连续16年增长27%，增长速率非常快，每隔三五年就能翻一番。2014年往后，我国的芯片设计家当已经达到了相称大的规模，年均复合增长率仍旧在保持在两位数，大概在25.2%。
中国芯片制造家当发展情形
前些年我们的芯片制造业发展速率不足快，过去16年的年均复合增长率是18%，但是最近的五六年在加速发展，已经达到24%。
中国芯片封测家当发展情形
我们的芯片封测业曾经是这个行业中规模最大的家当，虽然发展速率不是最快的，但是它长期主导着这个行业。它的年均复合增长率在15%旁边，近些年景长速率有点放慢，基本在12.2%。
中国半导体装备家当发展情形
我们的芯片装备制造业也在迅速增长，现在年均复合增长率达到25%。
中国半导体材料家当情形
我们的芯片材料业起步非常晚，过去十年我们才逐步起步，增长速率还不足快。但是可以看到，我国拥有比较完全的家当链，有半导体家当链里的所有内容，只管发展水平还不足高。
芯片产品环球市场霸占率稳步提升
2004年，我们的芯片产品在环球市场的霸占量只有0.58%；2020年，我们的环球市场的霸占量达到了12.7%。之条件到，中国是最大的单一半导体市场，占天下市场的35%。按代价打算，我们只能知足12.7%，还有20%多就要完备靠入口，因此中国芯片入口量非常大。
中国企业进入环球前十
中国的企业进步也很快，我们在芯片设计、制造和封测都有企业进入了干系领域的前十位。设计企业有两家，代工企业有两家，封测企业有三家。
中国芯片的进出口情形
由于我国的芯片生产无法知足海内市场，因此我们芯片的入口量很大。从2013年开始，我们的入口芯片代价超过2000亿，2018年超过了3000亿，之后一贯坚持在3000亿以上。2020年我们的入口芯片代价达到了3500亿。大家可能会迷惑，环球一共产了4000多亿的芯片，中国入口了3500亿，利用了1500多亿，剩下的2000亿入口去哪儿了？这2000亿装到整机中又出口了。中国是天下工厂，一方面自己消费很多芯片，同时我们也给天下生产的很多整机也用到了很多芯片。如果本日中国不再生产整机，全天下的芯片厂家就无法卖出芯片，便会产生灾害性的结果。
高端芯片产品对外依存度很高
但也要承认我国是一个起步比较晚的国家，在芯片上仍旧有很多短板，在高端芯片上还有很多是依赖国外的。但我们确实在不断地进步，上面这张表格中的数字这些年在不断提升，但是还有一些部分的市场霸占率数字小于0.5。这并不虞味着我们没有，只是我们还不能够在市场上霸占主要的地位，这也是我们努力的方向。总而言之，高端芯片还没有摆脱对入口的依赖，这也是近两年我们为什么如此关注芯片的缘故。特殊是在国际形势发生变革的时候，芯片带来的一些痛处，让我们非常难熬痛苦，我们要加速努力。本日我的分享到此结束，感激大家！
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背景简介：本文2021年6月2日揭橥于微信"大众年夜众号 格致论道讲坛（芯片能够参与竞争的任何技能，终极都不可避免地成为失落败者 | 魏少军），风云之声获授权转载。
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