Question

CPU芯片制造为什么那么难

Answer 1

芯片产业有其独特的内部结构和产业特征。芯片产业链分为五个子链，或者说芯片产业分为五大产业。第一，设计。如何整合上亿条线，首先需要设计。全球芯片设计最大的公司是英国ARM，而美国EDA在设计软件方面占据垄断地位。最近芯片界最大的新闻就是美国的英伟达要向英国收购ARM，届时美国在芯片行业的垄断地位将更强。华为的海思有7纳米的设计能力。我曾经问过华为的副总裁董明，中国为什么不买？回答:中国永远没有机会收购美国和欧洲的这类公司。第二，制造业，包括成品和半成品。半成品晶圆，高纯晶圆基本都被日本人垄断了。日本人可以把硅冶炼到90.9%其次是11.9%，然后做出来的晶圆才是最好的。众所周知，TSMC是这个行业最大的，中国SMIC目前是世界第五大。当然产量世界第五，芯片档次低，利润率不高，因为很多专利技术不在我们自己手里，被美国严格监管。第三，封装测试。将芯片压在电路板上，并进行合格测试。因为芯片里的电路和触点太多，一个地方有误差，最后结果是相当大的误差，必须一个一个测试。包装基本上是劳动密集型的。在这个行业，中国和世界差距并不大，甚至处于领先地位。第四，设备。众所周知，最先进的EUV光刻机是荷兰的ASML，其他主要是美国的。在日本，三菱、索尼等公司主导着晶圆生产的设备。7纳米技术光刻机目前只有荷兰ASML能提供，价格超过1亿美元，有钱也不一定能买到。上海微电子已经可以生产28纳米芯片。第五，辅助材料。包括光刻胶、掩膜、靶材、封装基板等。这些材料目前在国内还是瓶颈。制造芯片如此困难，却又如此重要。其特点是在整个国民经济中的基础性和战略性地位。无论是民生、国防、工业、装备、航天等。，如果芯片出了问题，就说明人心出了问题。芯片在国际上是一个充分竞争的行业，但是进入门槛高，周期长，资金密集，技术密集，人才密集。动辄几百亿美元的投入，数万R&D人员的参与，基本上是国际上有限寡头之间的竞争，是跨越国界的国际市场竞争。但由于其重要的战略价值，芯片的竞争不仅是市场竞争，更是国家竞争，甚至是国际贸易战中的有力武器，是限制和制裁竞争对手的重点行业。国家竞争和市场竞争有不同的竞争规则。三。中美竞争背景下的筹码中美贸易战以来，芯片成为热词，成为焦点。9月15日，迫于美国技术垄断的压力，TSMC正式停止为华为麒麟芯片代工。华为花了600万人民币从台湾省包产最后一批芯片，据说是华为所有高管筹集的钱。TSMC也照顾自己的同胞，给了华为力所能及的一切。但华为存储的芯片只够支撑2021年上半年的手机出货量。最近，美国商务部宣布，SMIC将被列入美国的实体名单。SMIC刚刚在中国上市，融资超过500亿人民币。如果SMIC在上游设备和技术上出了问题，高性能芯片的生产就会出现变数，前景并不好。在芯片领域，中国基本无法反制美国制裁，供需和技术极度不对称。英特尔、高通、苹果和微软都强烈依赖中国，但它们对中国的依赖较弱。就像现在TikTok的微信，如果美国想遏制，我们也无法反制，因为谷歌早就离开中国了，脸书也没来过中国。美国的国家安全战略和美国的对华战略都把中国作为头号竞争对手，全面遏制中国是国策。芯片，非对称精确打击，对美国机会成本最低，对我伤害最大。以关税为目标的贸易战上升为以芯片为武器的技术战和产业战，华为成为受害者。继任者被扣，芯片被切，年底操作规程到期。美国商务部列出了300多家在华实体，其中华为拥有60多家。当然，美国害怕华为也是有原因的。信息技术革命主要是由美国通信公司发起的。华为是一家有通信行业基因的公司，不仅有移动终端，还有全球领先的5G技术。就像美苏的太空竞赛一样，在即将到来的数字时代和智能时代，如何争夺太空的主动权？芯片已经成为关键行业的关键环节。美国不是单纯的反全球化；它想在全球化中“去中化”。虽然美国鹰派鼓励与中国彻底脱钩是痴人说梦，但科技脱钩早已实施。我该怎么办？第一个想到的就是抢人，多付几倍。TSMC的保安人员防范着来自中国大陆的猎头公司。据说他们最终挖出了所有的保安。7月底，任前往东南沿海的一些大学寻找人才，因为华为需要增加3万名工程师来充实其R&D团队。现在最缺的就是人才，芯片之战，人才之战。高端制造业的一个特点是与科教挂钩，其竞争也是各国教育和科技力量的竞争。中国的教育体制至今没有拿过什么诺贝尔奖，也就是说缺乏从0到1的颠覆性创新。华为的5G从何而来？是土耳其一个科学家的假设，最后被华为发现，变成了产品。先进技术首先由科学家承担，在实验室发明，最后由企业家和科学家产业化。中国的工业化正在快速追赶西方，中间必然会缺失很多东西和环节。由于基础研究差，底层软硬件都得靠别人，这是根本差距。

Answer 2

许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道 CPU 里面最重要的东西就是晶体管了，提高 CPU 的速度，最重要的一点说白了就是如何在相同的CPU面积里面放进去更加多的晶体管。由于 CPU 实在太小，太精密，里面组成了数目相当多的晶体管，所以人手是绝对不可能完成的（笑），只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么一块 CPU 里面为什么可以数量如此之多的晶体管。晶体管其实就是一个双位的开关：即开和关。如果您回忆起基本计算的时代，那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择，开和关，对于机器来说即0和1。那么如何制作一个CPU 呢? 以下我们用英特尔为例子告诉大家。
首先：取出一张利用激光器刚刚从类似干香肠一样的硅柱上切割下来的硅片，它的直径约为 20cm。除了 CPU 之外，英特尔还可以在每一硅片上制作数百个微处理器。每一个微处理器都不足一平方厘米。
接着就是硅片镀膜了。相信学过化学的朋友都知道硅(Si)这个绝佳的半导体材料，它可以电脑里面最最重要的元素啊！在硅片表面增加一层由我们的老朋友二氧化硅(SiO2)构成的绝缘层。这是通过 CPU 能够导电的基础。其次就轮到光刻胶了，在硅片上面增加了二氧化硅之后，随后在其上镀上一种称为“光刻胶”的材料。这种材料在经过紫外线照射后会变软、变粘。然后就是光刻掩膜，在我们考虑制造工艺前很久，就早有一非常聪明的美国人在脑子里面设计出了 CPU，并且想尽方法使其按他们的设计意图工作。CPU 电路设计的照相掩膜贴放在光刻胶的上方。照相字后自然要曝光“冲晒”了，我们将于是将掩膜和硅片曝光于紫外线。这就象是放大机中的一张底片。该掩膜允许光线照射到硅片上的某区域而不能照射到另一区域，这就形成了该设计的潜在映像。
一切都办妥了之后，就要到相当重要的刻蚀工艺出场了。我们采用一种溶液将光线照射后完全变软变粘的光刻胶“块”除去，这就露出了其下的二氧化硅。本工艺的最后部分是除去曝露的二氧化硅以及残余的光刻胶。对每层电路都要重复该光刻掩膜和刻蚀工艺，这得由所生产的 CPU 的复杂程度来确定。尽管所有这些听起来象来自“星球大战”的高科技，但刻蚀实际上是一种非常古老的工艺。几个世纪以前，该工艺最初是被艺术家们用来在纸上、纺织品上甚至在树木上创作精彩绘画的。在微处理器的生产过程中，该照相刻蚀工艺可以依照电路图形刻蚀成导电细条，其厚度比人的一根头发丝还细许多倍。
接下来就是掺杂工艺。现在我们从硅片上已曝露的区域开始，首先倒入一化学离子混合液中。这一工艺改变掺杂区的导电方式，使得每个晶体管可以通、断、或携带数据。将此工艺一次又一次地重复，以制成该 CPU 的许多层。不同层可通过开启窗口联接起来。电子以高达 400MHz 或更高的速度在不同的层面间流上流下，窗口是通过使用掩膜重复掩膜、刻蚀步骤开启的。窗口开启后就可以填充他们了。窗口中填充的是种最普通的金属－铝。终于接近尾声了，我们把完工的晶体管接入自动测试设备中，这个设备每秒可作一万次检测，以确保它能正常工作。在通过所有的测试后必须将其封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。
目前，单单 Intel 具有 14 家芯片制造厂。尽管微处理器的基本原料是沙子(提炼硅)，但工厂内空气中的一粒灰尘就可能毁掉成千上万的芯片。因此生产 CPU 的环境需非常干净。事实上，工厂中生产芯片的超净化室比医院内的手术室还要洁净1万倍。“一级”的超净化室最为洁净，每平方英尺只有一粒灰尘。为达到如此一个无菌的环境而采用的技术多令人难以置信。在每一个超净化室里，空气每分钟要彻底更换一次。空气从天花板压入，从地板吸出。净化室内部的气压稍高于外部气压。这样，如果净化室中出现裂缝，那么内部的洁净空气也会通过裂缝溜走－防止受污染的空气流入。 但这只是事情一半。在芯片制造厂里，Intel 有上千名员工。他们都穿着特殊的称为“兔装”的工作服。兔装是由一种特殊的非棉绒、抗静电纤维制成的，它可以防止灰尘、脏物和其它污染损坏生产中的计算机芯片。这兔装有适合每一个人的各种尺寸以及一系列颜色，甚至于白色。员工可以将兔装穿在在普通衣服的外面，但必须经过含有 54 个单独步骤的严格着装程序。而且每一次进入和离开超净化室都必须重复这个程序。因此，进入净化室之后就会停留一阵。在制造车间里，英特尔的技术专家们切割硅片，并准备印刻电路模板等一系列复杂程序。这个步骤将硅片变成了一个半导体，它可以象晶体管一样有打开和关闭两种状态。这些打开和关闭的状态对应于数字电码。把成千上万个晶体管集成在英特尔的微处理器上，能表示成千上万个电码，这样您的电脑就能处理一些非常复杂的软件公式了。

Answer 3

因为到目前为止也无法提炼出百分之一百纯度的单晶硅，所以CPU所用的单晶硅都是有瑕疵的，这些瑕疵就会影响到产品最终的品质，你可以在网上搜索一下处理器的制造过程，就清楚了

Answer 4

芯片制造的难度在哪里，为何芯片技术不发达？看完制造过程就明白