去年3块5，今年16块5。一年不到，翻了5倍，什么东西涨得这么快？答案是芯片！缺芯，一直是我国科技产业挥之不去的痛！大家好！我是首席君。科学技术发展到今天，芯片已经成为对我们日常生活影响最大的东西，和衣食住行，并列之一。芯片是什么？为什么卡住芯片就能掐住们的脖子？摆脱缺芯的困局，距离我们还有多远？带着这些问题首席君为大家做了本期视频。
一、芯片是什么？
芯片是半导体与集成电路的CP组合；是人类文明跨入微电子时代的标志；是电子产品小型化四海一家的解决方案；也是人类进入数字世界的钥匙！
第二次工业革命时期，人类迈入了电气时代。在当时人们对于导电材料的认知还停留在非黑即白的二元世界，要么导电要么绝缘没有第三种选择。基于这种认知，人们对于电的控制仅限于机械开关，操作基本靠手。
1946年，美军为B29轰炸机计算弹道的秘密武器ENIAC问世，每秒运算5000次，世界上有了通用计算机。他个头大，体重超标，吃得多，只会写0和1。由于散热问题，干不了多久的活儿就得休息。但是一算降十会，所有的缺点都不能抹杀他划时代的意义。战后人们开始致力军用技术的小型化和民用化。
今天计算机所有复杂的功能还原到最底层都能用0和1解决。而电信号对于0和1的表示，简单粗暴，就是通电和断电。游戏里面走迷宫看起来是个复杂智能的事，但还原下去，就是在每个岔口做选择题。要么左，要么右。左对应0，右对应1，再还原到电信号就是开和关。迷宫的走法对应着软件的算法，靠着一堆开关连接起来就能完成运算。越复杂的计算就意味着越多的0和1，而越多的0和1就意味着越多的晶体管。但是在选择更多晶体管的道路上，人们遇到了问题……
ENIAC由1.8万个电子管构成，占地170平米，体重30吨，耗电量150千瓦。尽管后来电子管改成了晶体管，体积缩小了不少，但依然是庞然大物。在半导体材料问世以前，人们为了实现计算机的功能，需要做两件事：
第一、把很多晶体管连入电路；
第二、在电路中置入大量开关控制电流的断续；
如果把计算机比作城市的话，电流就是城市中的车流，早期指挥交通全靠机械开关。但是机械开关，你懂得！需要反应时间，会有延时，还会有一定概率的失误。就算奔腾的电流天性不羁爱自由，一言不合就开车，但开关的速度跟不上，还是飚不起来。
计算的功能机越强大，需要的器件就越多，器件越多，体积就越大，体积越大，能耗就越高，能耗越高，散热就越大，散热越大，工作时间就越短，工作时间越短，计算机的性能就越受限，不折不扣的死循环。所以要想小型化、民用化、高性能化，就必须在更小的面积上，集成更多的器件。
于是就有人想，能不能弄个自动的？基于这种想法，人们开始了探索。20世纪初，量子力学的发展让人类发现了。它可以随着电压变化，在导体和绝缘体之间左右横跳，人们解放了双手，开始用电这种高级物理形式来控制电这种高级能量形式，计算机小型化迈出了重要的一步。
罗伯特·诺伊斯，麻省理工学院物理学博士。毕业后在费尔科工作了3年，日常任务就是把器件一个个地焊到一起。日复一日，他烦了，于是想出了一个很赞的替代方案：用激光当画笔，直接在半导体材料上画出所需要的电路，集成电路就此诞生。有了集成电路之后，器件越做越小，半导体加集成电路，就是芯片。现代计算机中，几亿、几十亿的器件集成，就是芯片的功劳。芯片的本质就是无限缩小的半导体集成电路，就是用无数简单的晶体管开关构成的复杂系统。今天在一块一厘米见方的芯片里，可以集成100多亿个晶体管。而随着芯片的诞生，人类也进入了数字化的崭新世界。
二、为什么卡住芯片就能掐住我们的脖子？
回答这个问题之前，我们先来把世界一分为二地看。一半是我们生活的物质世界，一半是芯片链接的数字世界。中国之声中曾经有这么一段广告：大数据时代，你的指尖每敲击一下键盘，就自动上传为互联网海量数据的一部分；我们每播出一条新闻 ，就成为这个时代数据的一部分。用信息刻录时代，为社会留痕，也续存梦想。
这条广告告诉了我们，物质世界当中所有的信息，如重量、声音、影像、消费、健康、情绪，都可以完整地映射到数字世界当中并留下痕迹。比如，城市的交通数据可以被快速传播、计算、预估并长久存储。公路管理部门可以拿这些数据去做监控，做统计。商务部门能得知这个地区商贸、物流规模。电商平台可以规划配送物流信息。我们在网上下单、订货、然后出库、物流，送货上门的过程，都在由数字世界的信息在控制着。
而反过来理解，所有的信息经过芯片在数字世界的处理，都可以影响人类原本在物质世界的行为。芯片是物质世界和数字世界的接口，是人类由物质世界进入数字世界的钥匙。今天的芯片所能处理的远不只信息，更包括“力热声光电”等所有的物理变量。
电水壶里的温度芯片，把热转变成电信号，进入数字世界；轮胎的胎压传感器芯片，把压力转变成电信号，进入数字世界。马斯克探索的脑机接口，把神经信号转变成电信号，让人的思想进入数字世界。随着人类认知的发展，芯片的接口功能越来越强，数据越发重要。而芯片是数字世界的基石，是物质世界与数字世界的唯一接口，芯片技术的水平决定了信息技术的水平。谁控制了芯片，谁就控制了和数字世界的一切连接。从更深层的意义来说，数字世界的发现，是不亚于地理大发现、两次工业革命、互联网技术普及这样的壮举。它将会为人类将会带来全新的技术革命，带来大量的新需求，创造无数新就业，人类将会再次迎来经济腾飞。而反过来，掌握了货币，能主宰贸易结算；掌握了石油，能主宰货物流通；而掌握芯片，就能主宰数字世界，而卡住芯片不只可以卡住竞争对手的脖子，还能卡住对手的未来。
三、摆脱缺芯的困局，距离我们还有多远？
要回答这个问题，我们就要了解芯片的产业链。首先给出结论：国内IC市场规模大，自给能力不足；中低端产品发展迅速，细分领域实现突破，核心受制于人。中国每年芯片进口规模在3000亿美元以上，超过原油，是我国第一大进口品类。虽然拥有庞大的市场，但由于产业链条长，每个环节均有不小的技术难度，所以和美国相比，我国芯片自给能力弱。截至2020年底，自给率仅5.8%。根据IC Insights的数据显示，2020年全球的半导体市场销售规模4,390亿美元，其中中国市场1430亿美元。抛出中国台湾，2020年中国生产了价值227亿美元的集成电路，进一步剔除台积电、SK海力士、三星、英特尔和联电等在华外资企业，本土企业生产销售了83亿美元的芯片，仅占1430亿的5.8%。
在整个产业链的多数环节，我们与国际先进技术之间存在巨大差距，是自给率不足的重要原因。经过多年发展，我们在一些细分领域实现了突破，达到先进水准，如海思的手机处理器等。按照产业链环节划分，具体可以分为设备、材料、IC设计、晶圆代工、封装测试五个领域，每个领域都有一定的门槛，按照国产化率由低到高的顺序，分别为大家介绍。
首先是晶圆代工，受制于光刻机等关键生产设备的落后，这个领域是国产化中绝对的重灾区。国内大部分芯片公司只做设计，没有自己的工厂，因此要找代工。台积电是该领域的绝对霸主，一家独占全球50%的份额，台积电先进制程的开发进度几乎决定了行业的发展速度。如今华为海思可以设计出世界领先水准的芯片，但是受制于制造工艺和设备，没有台积电和三星代工，就只能停留在图纸上。
目前台积电投产了5nm，而今年三星为了与台积电竞争，展示了3nm制程，扬言要明年量产。大陆工厂与台积电的差距在2代以上，最先进的中芯国际还是14nm制程；根据中芯国际一季度披露的财报显示，其收入的主要来源是55nm和150nm低端芯片，各占营收的三分之一，而14nm先进制程的芯片仅贡献了6.9%。对比台积电，一季度5nm营收占比14%，7nm占比35%，两种先进制程占比合计高达49%。
说完代工我们再来看材料领域。芯片是集成电路与半导体的CP组合，而用在芯片里的半导体就是硅片。当下先进芯片的制程已到了纳米级别，这对硅片的纯度和平整度有极高要求。
制造硅片有三个步骤：纯化、拉晶、切割。主要难度在拉晶，拉晶是将纯化得到的多晶硅融化，用单晶硅种接触液面，旋转拉升，得到单晶硅柱。晶柱越粗，切出的硅片直径越大，芯片制造时的效率就越高。
主流的硅片有8寸和12寸两种，国内做得比较好的是新昇半导体和中环股份，这个领域未来国产替代的空间很大。但是除硅片外，芯片制造过程中还需要电子气体、靶材、工艺化学品、光刻胶、光刻胶除胶剂、CMP、掩模板等材料。我国厂商在溅射靶材、研磨液上有所突破，但大多数材料仍依赖进口。目前，硅片、CMP、电子特种气体、湿电子化学品，我们国产自给率超过25%，光掩膜版超过20%。但是光刻胶和靶材自给率不足10%，严重依赖进口。
第三个领域是IC设计。这个领域门类复杂，一言难尽。有些门类我们、达到世界先进水平，美国都瑟瑟发抖的那种，而有些领域与国际巨头差距明显，且追赶难度巨大。IC设计类似于做图纸，是设计师根据系统、逻辑与性能的要求，制作具体物理版图的过程。有些企业会将制作的图纸交给代工企业制造，有些则拥有自己的制造厂，海思、高通等属于前者，而Intel、三星等属于后者。根据功能的不同，可以分为多个子类：
首先是微处理器：在PC端，国产实力较弱，重在参与；在移动端，华为海思已经可以设计出世界先进水平的处理器。而紫光展锐的中低端处理器已经成功应用于许多手机厂商。不过无论海思、展锐还是高通、苹果，设计芯片时都使用了ARM架构，所以ARM才是这个领域的隐形霸主。
之后是存储器：主要被三星、海力士和美国美光垄断。存储器国产化率非常低，我国最近几年在存储器领域投入巨资，最拿得出手的是紫光集团旗下的长江存储，未来有可能会打破垄断。
微控制器：目前国内高端市场被国外厂商占据，国内仅有中颖电子和兆易创新在中低端实现国产化，主要是锂电池管理芯片，小家电主控芯片等。
数字信号处理器和模拟电路：同样被国外垄断，国内仅在军用领域有一些突破，民用领域差距很大。与国际巨头差距明显，且追赶难度巨大。
第四个领域是设备，所有的生产都离不开设备，IC对设备的依赖更强。设备可分为晶圆制造设备、封装设备和测试设备等。晶圆制造设备又分为刻蚀机、光刻机、薄膜沉设备、CMP设备、检测设备等。其中光刻机的技术难度最高，目前被荷兰厂商ASML垄断。EUV是先进制程IC制造的重要设备，是人类科学史上的奇迹，目前仅有ASML可以制造，短期国内在这个领域实现突破的可能性几乎为0。
另外一个比较重要的设备就是刻蚀机，刻蚀设备的难度远远低于光刻机，中微公司的等离子体刻蚀设备已被广泛应用于从65nm到7nm 的IC加工制造及封装。另一个国产IC设备龙头则是北方华创，可以制造等离子刻蚀、物理气相沉积、 化学气相沉积、氧化/扩散、清洗、退火等半导体工艺装备。在设备领域，除光刻机外均有所突破，未来也是国产替代的重点。
最后一个领域是封装测试。它是集成电路产品的最后一段环节，技术相对容易。封装和测试是两道工序，封装是把电路包起来，外部留出接触的pin脚；测试则是检测芯片的性能满足设计要求。国内封测领域有三大龙头，分别是长电科技、华天科技和通富微电，三家均进入了全球封测行业的前十。这是我们在芯片产业链上唯一不需要仰人鼻息的领域。
总结
在视频的最后，又到了总结的时刻。下笔之初我曾经反复告诫自己，只谈产业，不提美国！但是芯片冗长复杂的产业链，却让我们根本无法回避。系统看谷歌，芯片看高通，设备看阿斯麦，生产看台积电，这些都和美国有着千丝万缕的关系。尽管华为海思有世界上领先的芯片设计能力，但仅靠一个点，依然无法打造出高端的芯片。今天，中国自主生产的光刻机，精度为90纳米，而阿斯麦的光刻机，却已经在台积电量产5纳米制程的芯片。一个光刻机的背后，是整个西方数十年工程技术经验的积累，是理论研究、材料技术、设计、制造水平的完美融合。美国人为了一个零件的参数，几十年间做了无数次调整；德国人为了一枚镜头的性能，出厂之前反复打磨上百万次；而正是由于过去几十年来的积累、和苛求，才有了ASML豪言：公布图纸，别人也造不出一样的光刻机！科研的道路上没有捷径，没有弯道超车，唯有不懈的苦功！前人如此，我们，亦当如此！
建国后，凭着我们的吃苦耐劳，凭着我们的聪明才智，也凭着我们的砥砺奋进。我们解决了温饱，实现了小康。而今天，我们再次站到了历史的十字路口。小小的芯片，是人类进入数字世界的钥匙，是科学技术未来发展的趋势，也是承载国运和民族未来的支点。我们要如40年前日本一样妥协放弃？还是要披荆斩棘，如当年造原子弹一样，拿出一万年也要搞出来的决心？答案留给历史来记录。
三连不吃亏，关注有收获！我是首席君，大家下期见！
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