中美核心技術較量,關鍵就是材料技術!
發布時間:2018-09-21

  在中國和“外國”這兩國的較量中,究竟哪一國更占上風?有說中國吊打外國,有說外國輕松把中國摁在地上摩擦,雙方都列舉了林林總總的例子,整得我們吃瓜群眾一臉懵逼。當然,中間派肯定說兩國各有利弊,但這結論雖然正確卻沒啥營養。想要在中外兩國這個話題上顯得有見識,得先搞明白啥是技術?

  核心技術到底是個啥?

  把技術分分類,第一類姑且叫“可山寨技術”,或者叫“純燒錢技術”,有人喜歡往左邊燒,有人喜歡往右邊燒,于是就燒出了不同的應用技術。這本質上是用舊技術整合出新玩意兒,比如,美帝登月的土星五號,土工的跨海大橋,小胡子的鼠式坦克,甚至包括中國長城和埃及金字塔。打個比方,這有點像吉尼斯紀錄:最長的頭發,最長的指甲,等等……這類東西,只要錢到位,擱誰都燒的出,關鍵看有沒有需求,所以這些也可以叫應用技術。

  比如這種架橋機,幾個工業大國都能搞,但搞出來只能當玩具,只有土工搞出來才賺錢。

  土工發家后,迸發出海量需求,推動各種燒錢的應用技術井噴,賺了錢又可以孜孜不倦地完善各種細節,于是,可以不吹牛的說,中國的應用技術已經和整個外國平起平坐。

  第二類技術暫且叫“不可山寨技術”,或者叫“燒錢燒時間技術”,任何牛逼設備,你拼命往細拆,最終發現都是材料技術。

  做材料和做菜差不多,番茄炒蛋的成分可以告訴你,但你做的菜就是沒我做的好吃,這就是核心技術。 除了生物醫學之外,核心技術說到底就是材料技術。看一串例子:

  發動機,工業皇冠上的明珠,是土工最遭人詬病的短板。其核心技術說白了就是渦輪葉片不夠結實,油門踩狠了就得散架,無論是航天發動機、航空發動機、燃氣輪機,只要帶個“機”字,土工腰桿都有點軟。

  材料技術除了燒錢、燒時間,有時還要點運氣。還是以發動機為例:金屬錸,這玩意兒和鎳混一混,做出的渦輪葉片吊炸天,錸的全球探明儲量大約2500噸,主要分布在歐美,70%用來做發動機渦輪葉片,這種戰略物資,妥妥被美帝禁運。前幾年在陜西發現一個儲量176噸的錸礦,可把土工樂的,馬上拼了老命燒錢,這幾年苦逼生活才有了起色。

  稀土永磁體,就是用稀土做的磁鐵,能一直保持磁性,用處大大的。高品位稀土礦大多分布在中國,所以和“磁”相關的技術,土工比美帝還能嘚瑟,比如核聚變、太空暗物質探測等。據說,土工前幾年也對美帝禁運,逼得美帝拿錸交換,外加陜西安徽刨出來的那點錸,J20的發動機才算有些眉目。

  作為“工業之母”的高端機床,土工基本和男國足一個水平,只能仰望日本德國瑞士。材料是最大的限制之一,比如,高速加工時,主軸和軸承摩擦產生熱變形,導致主軸抬升和傾斜,還有刀具磨損,等等,所以對加工精度要求極高的活,土工還是望“洋”興嘆。

  光學晶體,土工的部分產品還能對美帝實施禁運,所以和光相關的技術都不弱,比如激光武器、量子通信。氣動外形,得益于錢學森那輩人的積淀,與之相關的技術也是杠杠的。

  如果我們繼續羅列,就會發現,應用寬泛的基礎性材料,中國還是落后外國,應用相對較窄的細分領域,中國逐漸領跑。

  小盆友們坐端正,重點來了!這種關鍵核心材料,全球總共約130種,也就是說,只要你有了這130種材料,就可以組裝出世界上已有的任何設備,進而生產出已有的任何東西。

  人類的核心科技,某種程度上說,指的就是這130種材料,其中32%國內完全空白,52%依賴進口,在高端機床、火箭、大飛機、發動機等尖端領域比例更懸殊,零件雖然實現了國產,但生產零件的設備95%依賴進口。這些可不是陳芝麻爛谷子的事情,而是工信部2018年7月發布的數據,還新鮮著呢。

  核心材料技術,說一句“外國仍把中國摁在地上”,一點都不過分。這其實很容易理解,畢竟發家時間不長,而材料技術不但要燒錢,更要燒時間。

  這里得強調一下,應用技術并不比核心技術不重要,它需要資金、需求和社會實際情況的結合,雖然外國有能力燒,但也許一輩子都沒機會燒。這兒肯定有人抬杠了:人家只是不愿意燒,不然分分鐘秒殺你!呵呵,如果強行燒錢,后果參照老毛子。

  磨嘰半天,該回正題了,半導體芯片之所以難,是因為它不但涉及海量燒錢的應用技術,還有眾多燒錢燒時間的材料技術。為了便于小盆友理解,這話得從原理說起。

  芯片原理和量子力學

  很多文盲覺得量子力學只是一個數學游戲,沒有應用價值,呵呵,下面咱給計算機芯片尋個祖宗,請看示范:

  導體,咱能理解,絕緣體,咱也能理解,小盆友們第一次被物理整懵的,怕是半導體了,所以先替各位的物理老師把這債還上。

  原子組成固體時,會有很多相同的電子混到一起,但量子力學認為,2個相同電子沒法待在一個軌道上,于是,為了讓這些電子不在一個軌道上打架,很多軌道就分裂成了好幾個軌道,這么多軌道擠在一起,不小心挨得近了,就變成了寬寬的大軌道。這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

  有些寬軌道擠滿了電子,電子就沒法移動,有些寬軌道空曠的很,電子就可自由移動。電子能移動,宏觀上表現為導電,反過來,電子動不了就不能導電。

  好了,我們把事情說得簡單一點,不提“價帶、滿帶、禁帶、導帶”的概念,準備圈重點!

  有些滿軌道和空軌道挨的太近,電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上,于是就能自由移動,這就是導體。一價金屬的導電原理稍有不同。

  但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的,電子單靠自己是跨不過去的,也就不導電了。但如果空隙的寬度在5ev之內,給電子加個額外能量,也能跨到空軌道上,跨過去就能自由移動,也就是導電。這種空隙寬度不超過5ev的固體,有時能導電有時不能導電,所以叫半導體。

  如果空隙超過5ev,那基本就得歇菜,正常情況下電子是跨不過去的,這就是絕緣體。當然,如果是能量足夠大的話,別說5ev的空隙,50ev都照樣跑過去,比如高壓電擊穿空氣。

  到這,由量子力學發展出的能帶理論就差不多成型了,能帶理論系統地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質區別,即,取決于滿軌道和空軌道之間的間隙,學術點說,取決于價帶和導帶之間的禁帶寬度。

  半導體離芯片原理還很遙遠,別急。

  很明顯,像導體這種直男沒啥可折騰的,所以導線到了今天仍然是銅線,技術上沒有任何進展,絕緣體的命運也差不多。

  半導體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情,所以與電子設備相關的產業基本都屬于半導體產業,如芯片、雷達。

  下面有點燒腦細胞。

  基于一些簡單的原因,科學家用硅作為半導體的基礎材料。硅的外層有4個電子,假設某個固體由100個硅原子組成,那么它的滿軌道就擠滿了400個電子。這時,用10個硼原子取代其中10個硅原子,而硼這類三價元素外層只有3個電子,所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就相當于在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子,為電子的移動提供了條件。這叫P型半導體。

  同理,如果用10個磷原子取代10個硅原子,磷這類五價元素外層有5個電子,因此滿軌道上反而又多出了10個電子。相當于擠滿人的公交車外面又掛了10個人,這些人非常容易脫離公交車,這叫N型半導體。

  現在把PN這兩種半導體面對面放一起會咋樣?不用想也知道,N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了,一直到電場平衡為止,這就是大名鼎鼎的“PN結”。(動圖來自《科學網》張云的博文)

  這時候再加個正向的電壓,N型半導體那些額外的電子就會源源不斷跑到P型半導體的空位上,電子的移動就是電流,這時的PN結就是導電的。

  如果加個反向的電壓呢?從P型半導體那里再抽電子到N型半導體,而N型早已掛滿了額外的電子,多出來的電子不斷增強電場,直至抵消外加的電壓,電子就不再繼續移動,此時PN結就是不導電的。

  當然,實際上還是會有微弱的電子移動,但和正向電流相比可忽略不計。

  如果你已經被整暈了,沒關系,用大白話總結一下:PN結具有單向導電性。

  好了,我們現在已經有了單向導電的PN結,然后呢?把PN結兩端接上導線,就是二極管:

        有了二極管,隨手搭個電路:

  三角形代表二極管,箭頭方向表示電流可通過的方向,AB是輸入端,F是輸出端。如果A不加電壓,電流就會順著A那條線流出,F端就沒了電壓;如果AB同時加電壓,電流就會被堵在二極管的另一頭,F端也就有了電壓。假設把有電壓看作1,沒電壓看作0,那么只有從AB端同時輸入1,F端才會輸出1,這就是“與門電路”,

  同理,把電路改成這樣,那么只要AB有一個輸入1,F端就會輸出1,這叫“或門電路”:

  現在有了這些基本的邏輯門電路,離芯片就不遠了。你可以設計出一種電路,它的功能是,把一串1和0,變成另一串1和0。

  簡單舉個例子,給第二個和第四個輸入端加電壓,相當于輸出0101,經過特定的電路,輸出端可以變成1010,即第一個和第三個輸出端有電壓。

        我們來玩個稍微復雜一點的局:

  左邊有8個輸入端,右邊有7個輸出端,每個輸出端對應一個發光管。從左邊輸入一串信號:00000101,經過中間一堆的電路,使得右邊輸出另一串信號:1011011。1代表有電壓,0代表無電壓,有電壓就可以點亮對應的發光管,即7個發光管點亮了5個,于是,就得到了一個數字“5”,如上圖所示。

  終于,我們已經搞定了數字是如何顯示的!如果你想進行1+1的加法運算,其電路的復雜程度就已經超過了99%的人的智商了,即便本僧親自出手,設計電路的運算能力也抵不過一副算盤。

  直到有一天,有人用18000只電子管,6000個開關,7000只電阻,10000只電容,50萬條線組成了一個超級復雜的電路,誕生了人類第一臺計算機,重達30噸,運算能力5000次/秒,還不及現在手持計算器的十分之一。不知道當時的工程師為了安裝這堆電路,腦子抽筋了多少回。

  接下來的思路就簡單了,如何把這30噸東西,集成到指甲那么大的地方上呢?這就是芯片。

  芯片制造與中國技術

  為了把30噸的運算電路縮小,工程師們把多余的東西全扔了,直接在硅片上制作PN結和電路。下面從硅片出發,說說芯片的制作過程和中國所處的水平。

  第一:硅

  把這玩意兒氯化了再蒸餾,可以得到純度很高的硅,切成片就是我們想要的硅片。硅的評判指標就是純度,你想想,如果硅里有一堆雜質,那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

  太陽能級高純硅要求99.9999%,這玩意兒全世界超過一半是中國產的,早被玩成了白菜價。芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數了,11個9),幾乎全賴進口,直到2018年江蘇的鑫華公司才實現量產,目前年產0.5萬噸,而中國一年進口15萬噸。

  難得的是,鑫華的高純硅出口到了半導體強國韓國,品質應該還不錯。不過,30%的制造設備還得進口……

  高純硅的傳統霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資),中國任重而道遠。

  第二:晶圓

  硅提純時需要旋轉,成品就長這樣:

  所以切片后的硅片也是圓的,因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經有點耳熟了?

  切好之后,就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的,干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想,以目前人類的技術,怎樣才能完成這種操作?

  用原子操縱術?想多了,朋友!等你練成御劍飛行的時候,人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。

  首先在晶圓上涂一層感光材料,這材料見光就融化,那光從哪里來?光刻機,可以用非常精準的光線,在感光材料上刻出圖案,讓底下的晶圓裸露出來。然后,用等離子體這類東西沖刷,裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽,這套設備就叫刻蝕機。在溝槽里摻入磷元素,就得到了一堆N型半導體。

  完成之后,清洗干凈,重新涂上感光材料,用光刻機刻圖,用刻蝕機刻溝槽,再撒上硼,就有了P型半導體。

  實際過程更加繁瑣,大致原理就是這么回事。有點像3D打印,把導線和其他器件一點點一層層裝進去。

  這塊晶圓上的小方塊就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路,這些電路并不比那臺30噸計算機的電路高明,最底層都是簡單的門電路。只是采用了更多的器件,組成了更龐大的電路,運算性能自然就提高了。

  據說這就是一個與非門電路:

  提個問題:為啥不把芯片做的更大一點呢?這樣不就可以安裝更多電路了嗎?性能不就趕上外國了嘛?

  這個問題很有意思,答案出奇簡單:錢!一塊300mm直徑的晶圓,16nm工藝可以做出100塊芯片,10nm工藝可以做出210塊芯片,于是價格就便宜了一半,在市場上就能死死摁住競爭對手,賺了錢又可以做更多研發,差距就這么拉開了。

  說個題外話,中國軍用芯片基本實現了自給自足,因為咱不計較錢嘛!可以把芯片做的大大的。另外,越大的硅片遇到雜質的概率越大,所以芯片越大良品率越低。總的來說,大芯片的成本遠遠高于小芯片,不過對軍方來說,這都不叫事兒。

        可別把“龍芯”和“漢芯”混為一談

  第三:設計與制造

  用數以億計的器件組成如此龐大的電路,想想就頭皮發麻,所以芯片的設計異常重要,重要到了和材料技術相提并論的地步。

  一個路口紅綠燈設置不合理,就可能導致大片堵車。電子在芯片上跑來跑去,稍微有個PN結出問題,電子同樣會堵車。這種精巧的線路設計,只有一種辦法可以檢驗,那就是:用!大量大量的用!現在知道芯片成本的重要性了吧,因為你不會多花錢去買一臺性能相同的電腦,而芯片企業沒了市場份額,很容易陷入惡性循環。

  正因為如此,芯片設計不光要燒錢,也需要時間沉淀,屬于“燒錢燒時間”的核心技術。既然是核心技術,自然就會發展出獨立的公司,所以芯片公司有三類:設計制造都做、只做設計、只做制造。

  半導體是臺灣少有的仍領先大陸的技術了,基于兩岸實質上的分治狀態,所以中國大陸和臺灣暫且分開表述。

  早期的設計制造都是一塊兒做的,最有名的:美國英特爾、韓國三星、日本東芝、意大利法國的意法半導體;中國大陸的:華潤微電子、士蘭微;中國臺灣的:旺宏電子等。

  外國、臺灣、大陸三方,最落后的就是大陸,產品多集中在家電遙控器之類的低端領域,手機、電腦這些高端芯片幾乎空白!

  后來隨著芯片越來越復雜,設計與制造就分開了,有些公司只設計,成了純粹的芯片設計公司。如,美國的高通、博通、AMD,中國臺灣的聯發科,大陸的華為海思、展訊等。

  挨個點評幾句。

  大名鼎鼎的高通就不多說了,世界上一半手機裝的是高通芯片;博通是蘋果手機的芯片供應商,手機芯片排第二毫無懸念;AMD和英特爾基本把電腦芯片包場了。這些全是美國公司,世界霸主真不是吹的。

  臺灣聯發科走的中低端路線,手機芯片的市場份額排第三,很多國產手機都用,比如小米、OPPO、魅族。不過最近被高通干的有點慘,銷量連連下跌。

  華為海思是最爭氣的,大家肯定看過很多故事了,不展開。除了通信芯片,海思也做手機用的麒麟芯片,市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。個人切身體會,海思芯片的進步真的相當不錯(這一波廣告,不收華為一分錢)。

  展訊是清華大學的校辦企業,比較早的大陸芯片企業,畢竟不能被人剃光頭吧,硬著頭皮上,走的是低端路線。前段時間傳出了不少危機,后來又說是變革的開始,過的很不容易,和世界巨頭相差甚多。

  大陸還有一批芯片設計企業,晨星半導體、聯詠科技、瑞昱半導體等,都是臺灣老大哥的子公司,產品應用于電視、便攜式電子產品等領域,還挺滋潤。

  在大陸的芯片設計公司,臺灣頂住了大半邊天!

  還有一類只制造、不設計的晶圓代工廠,這必須得先說臺灣的臺積電。正是臺積電的出現,才把芯片的設計和制造分開了。2017年臺積電包下了全世界晶圓代工業務的56%,規模和技術均列全球第一,市值甚至超過了英特爾,成為全球第一半導體企業。

  晶圓代工廠又是臺灣老大哥的天下,除了臺積電這個巨無霸,臺灣還有聯華電子、力晶半導體等等,連美國韓國都得靠邊站。

  大陸最大的代工廠是中芯國際,還有上海華力微電子也還不錯,但技術和規模都遠不及臺灣。不過受制于臺灣詭譎的社會現狀,臺積電開始布局大陸,落戶南京。這幾年臺資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠,這架勢和當年合資汽車有的一拼。

  大陸的中芯國際具備28nm工藝,14nm的生產線也在路上,可惜還沒盈利。大家還是愿意把這活交給臺積電,臺積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業務。

  美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力,最近幾個月臺積電剛剛上線了7nm工藝,穩穩壓過三星,首批客戶就是華為的麒麟980芯片。這倆哥們兒早就是老搭檔了,華為設計芯片,臺積電加工芯片。

  說真的,如果大陸能整合臺灣的半導體產業,并利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級,土工追趕美帝的步伐至少輕松一半。現在嘛,大陸任重而道遠吶!

  第四:核心設備

  芯片良品率取決于晶圓廠整體水平,但加工精度完全取決于核心設備,就是前面提到的“光刻機”。

  光刻機,荷蘭阿斯麥公司(ASML)橫掃天下!不好意思,產量還不高,你們慢慢等著吧!無論是臺積電、三星,還是英特爾,誰先買到阿斯麥的光刻機,誰就能率先具備7nm工藝。沒辦法,就是這么強大!

  日本的尼康和佳能也做光刻機,但技術遠不如阿斯麥,這幾年被阿斯麥打得找不到北,只能在低端市場搶份額。

  阿斯麥是唯一的高端光刻機生產商,每臺售價至少1億美金,2017年只生產了12臺,2018年預計能產24臺,這些都已經被臺積電三星英特爾搶完了,2019年預測有40臺,其中一臺是給咱們的中芯國際。

  既然這么重要,咱不能多出點錢嗎?第一:英特爾有阿斯麥15%的股份,臺積電有5%,三星有3%,有些時候吧,錢不是萬能的。第二,美帝整了個《瓦森納協定》,敏感技術不能賣,中國、朝鮮、伊朗、利比亞均是被限制國家。

  有意思的是,2009年上海微電子的90納米光刻機研制成功(核心部件進口),2010年美帝允許90nm以上設備銷售給中國,后來中國開始攻關65nm光刻機,2015年美帝允許65nm以上設備銷售給中國,再后來美帝開始管不住小弟了,中芯國際才有機會去撿漏一臺高端機。

  不過咱也不用氣餒,咱隨便一家房地產公司,銷售額輕松秒殺阿斯麥,哦耶!

  重要性僅次于光刻機的刻蝕機,中國的狀況要好很多,16nm刻蝕機已經量產運行,7-10nm刻蝕機也在路上了,所以美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。

  在晶圓上注入硼磷等元素要用到“離子注入機”,2017年8月終于有了第一臺國產商用機,水平先不提了。離子注入機70%的市場份額是美國應用材料公司的。涂感光材料得用“涂膠顯影機”,日本東京電子公司拿走了90%的市場份額。即便是光刻膠這些輔助材料,也幾乎被日本信越、美國陶氏等壟斷。

  2015年至2020年,國內半導體產業計劃投資650億美元,其中設備投資500億美元,再其中480億美元用于購買進口設備。

  算下來,這幾年中國年均投入130億,而英特爾一家公司的研發投入就超過130億美元。

  論半導體設備,中國,任無比重、道無比遠啊!

  第五:封測

  芯片做好后,得從晶圓上切下來,接上導線,裝上外殼,順便還得測試,這就叫封測。

  封測又又又是臺灣老大哥的天下,排名世界第一的日月光,后面還跟著一堆實力不俗的小弟:矽品、力成、南茂、欣邦、京元電子。

  大陸的三大封測巨頭,長電科技、華天科技、通富微電,混的都還不錯,畢竟只是芯片產業的末端,技術含量不高。

  中國芯

  說起中國芯片,不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學微電子學院院長陳進教授從美國買回芯片,磨掉原有標記,作為自主研發成果,騙取無數資金和榮譽,消耗大量社會資源,影響之惡劣可謂空前!以致于很長一段時間,科研圈談芯色變,嚴重干擾了芯片行業的正常發展。

  硅原料、芯片設計、晶圓加工、封測,以及相關的半導體設備,絕大部分領域中國還是處于“任重而道遠”的狀態,那這種懵逼狀態還得持續多久呢?根據“燒錢燒時間”理論,掐指算算,大約是2030年吧!國務院印發的《集成電路產業發展綱要》明確提出,2030年集成電路產業鏈主要環節達到國際先進水平,一批企業進入國際第一梯隊,產業實現跨越式發展。

  當前,中國芯片的總體水平差不多處在剛剛實現零突破的階段,雖然市場份額微乎其微,但每個領域都參了一腳,前景還是可期待的。

  極限

  文末,習慣性抱怨一下人類科技的幼稚。芯片,作為大伙削尖腦袋能達到的最高科技水準,其基礎的能帶理論竟然只是個近似理論,電子的行為仍然沒法精確計算。再往大了說,別看現在的技術紛繁復雜,其實就是玩玩電子而已,至于其他幾百種粒子,還完全不知道怎么玩!

  芯片加工精度已經到了7nm,雖然三星吹牛說要燒到3nm,可那又如何?你還能繼續燒嗎?1nm差不多就是幾個原子而已,量子效應非常顯著,近似理論就不好使了,電子的行為更加難以預測,半導體行業就得在這兒歇菜。

  燒錢也好,燒時間也罷,燒到盡頭就是理論物理。基礎科學除了燒錢燒時間,還得燒人,燒的異常慘烈,100個高智商,99個都是墊腳石!工程師可以半道出家,但物理學家必須科班出身,基礎科學在中國被忽視了五千多年,如今每年填報熱度還不如耍戲的。

  不能光折騰電子了,為了把中微子也用起來,咱趕緊忽悠,哎,不對,是呼吁更多孩子學基礎科學吧!

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