破解中國「芯」痛：中國計算機領域「緊箍咒」

現代社會，幾乎每個人都離不開手機和電腦，我們也親眼見證了這些電子設備的快速發展：20年前，手機上網還只能看文字圖片，品牌電腦售價不下萬元；如今，千元手機也能實現即時視頻通訊，當初的萬元電腦早已被無數配置更好價錢更低的電腦擠下神壇。

為什麼高科技產品更新速度這麼快？原因就在於它們的「大腦」——晶片。製造商始終致力於提高晶片的「智商」，「大腦」越聰明，設備性能也就越高。但中國的晶片製造商尚未擺脫晶片的「魔咒」。

晶片如何造

全世界第一臺計算機是1946年美國製造的ENIAC(埃尼阿克),它重達30噸，總共由18000隻電子管（一種早期的電路元件，後由電晶體替代）、7000隻電阻、10000隻電容和數不清的電線組成。這樣的龐然大物，自然是不可能走進百姓家的，那麼工程師們如何把30噸的設備縮小成如今我們所用的小巧的手機和電腦的呢？最大的功臣便是晶片。所謂晶片，就是內含集成電路的矽片，工程師們把所有的電晶體、電阻和電容全部安裝在指甲蓋大小的矽片上，就成了我們的晶片。

想像一下就知道，晶片的製造有多不容易，指甲蓋大小的晶片，上面往往有數千米的導線和幾千萬甚至上億根電晶體，這是怎麼做到的呢？首先，需要製作矽片。我們知道，沙子的主要成分是二氧化矽，因此可以用沙子來製造矽片。沙子經過融化、冶煉、去除雜質等操作後，將被製成一根根純度達到99.9%的單晶矽晶柱。之後，用切割機將晶柱切成薄片，再經過數次的打磨和拋光才能得到我們需要的矽片，直徑通常為200～300毫米的圓形矽晶圓。

之後，工程師將在這片矽晶圓上進行一系列的施工和建築，將集成電路「建起來」。晶片電路的「建築材料」叫做光刻膠，它是一種見光就融化的材料，有了這層膠，工程師就可以用光線來「割出」電路。在矽晶圓表面塗抹上一層光刻膠，再覆蓋上設計好的電路圖紙，這時候光刻機就登場了。光刻機能發出紫外線，未被圖紙遮擋的光刻膠在紫外線的作用下被融化，剩下的光刻膠與圖紙上的電路相同。當用化學藥劑洗掉被融化的光刻膠後，電路雛形就出現了。

接下來，我們要給電路通電。計算機的計算法則是二進位，即用0和1的加減過程來運行所有程序。在電路中，關閉代表輸出0，通電代表輸出1，因此要實現計算過程，電路必須能快速切換通電狀態。工程師們發現，硼離子或磷離子正有這樣的特性，在不同電流經過時，它們的導電狀態能快速轉變，通過高能加速器將硼或磷「注入」到晶圓中，我們就得到了一層導電狀態可控的半導體層。

最後，再通過電鍍將銅填充到電路中，形成導電觸點，將電路聯通起來，晶片的電路部分就製造完畢。當然，質量檢測是必不可少的，用精細的切割器將一個個晶片從晶圓上切割下來，按設計要求對晶片的性能進行測試，檢測合格的才可以封裝出售。

讓晶片更聰明

既然晶片是個像「大腦」一樣的計算中心，那提高晶片「智商」的方法也與大腦相似，工程師們常用兩個方法讓晶片更「聰明」，一是增加「腦細胞」，即增加晶片的電晶體，二是讓「神經系統」更複雜。方法有了，如何實現呢？

首先是增加晶片的電晶體。在晶片表面積不變的前提下，想增加電晶體的數量，只能將電晶體做得更小，而晶片上的電晶體是直接用「光刀」割出來的，因此工程師們必須造出更精密的「光刀」，這並不容易。

目前，優化「光刀」的方法主要有兩個，一是減小光源的波長，二是增加光圈孔徑，孔徑越大則越容易對焦。在光源方面，我們主要經歷了紫外光、深紫外光和極紫外光三個階段，波長也從365納米縮短到了現今的13.5納米。用波長最短的極紫外「光刀」，我們能刻出的電晶體直徑已降到了10納米以下，5000根這樣的電晶體加起來才約為一根頭髮絲的寬度。

但是工程師們並不滿足，在增加光圈孔徑的方面也是各出奇招。在傳統的光刻技術中，光線通過放置在空氣中的鏡頭匯聚到矽晶圓上，由於空氣中光線的折射率是不變的，即使我們放置了許多個透鏡，最後能達到的聚光效果也是有限的。2002年，專注於集成電路製造的知名企業臺積電的一位技術人員林本堅提出了一項「沉浸式光刻」的技術，他將水注滿了光刻機最後一個投影物鏡與矽晶圓之間的空隙，這樣光線在經過水的折射後才最終照射到矽晶圓上。而水的折射率比空氣要大，這樣不僅達到了增加光圈孔徑的目的，也能減小光線的波長，可謂是一舉兩得。

在讓「神經系統」更複雜的方法中，則要首推加州大學伯克利分校的物理學家胡正明提出的鰭式場效應電晶體（FinFET）結構。當電晶體越來越小、越連越多時，尺寸不變的平面結構很難再連接更多的電晶體，且由於物理規律，過多的電晶體間還會出現漏電現象，為了解決這個問題，胡正明提出了FinFET結構。

在我們常見到的電路中，控制電流開關的閘門，只能在一側控制電路的接通與斷開，屬於平面的架構。而在FinFET結構中，單個電晶體變成了十字交叉的兩個電晶體，閘門被做成類似魚鰭的叉狀3D結構，可於電路的兩側控制電路的接通與斷開。這樣，原本只有一條主幹道的電流又多了兩條支路，不僅減少了漏電現象，也增加了電晶體數量。此後的一些電晶體連接架構均是在FinFET結構的基礎上發展而來的。

中國的「芯」痛

看起來，晶片製造業形勢一片大好，每當遇到製造瓶頸時，總會有一些大牛提出開拓性的方法，讓晶片性能進一步升級。但也正因如此，中國的晶片製造業被套上了「緊箍咒」。

前文說過，想要製造晶片，光刻機是必不可少的，而且性能越好的晶片需要越高端的光刻機才能造出來，但是中國迄今為止仍沒有一家公司能製造高端光刻機。位於荷蘭的ASML公司，是目前全球唯一一家能夠製造高端光刻機的公司，但是它每年造出的光刻機不僅極其昂貴，數量也非常有限，很多公司常常是預約數年仍一機難求。

此外，ASML公司對中國還有著額外的限制，這與它的發家史是分不開的。上世紀90年代，美國英特爾公司開始致力於研究極紫外光光刻技術，但因為該技術有諸多門檻，比如光源功率要求極高，透鏡系統也要極致精密等，僅憑該公司的一己之力根本無法突破這項技術。在聯合了美國多個知名實驗室後，英特爾公司拉來了長期生產光刻機的ASML公司。而作為加盟的條件，ASML公司在美國建立了一所工廠和一個研發中心，以此滿足美國本土的產能需求，另外，還保證55%的零部件均從美國供應商處採購，這樣雙方建立了緊密的合作關係，也最終造就了ASML公司如今在光刻機領域的一家獨大的局面。當然，由於ASML公司深受美國的掣肘，當中國公司購買光刻機時，它就設立種種制約條件，又遲遲不交付機器，也就不奇怪了。

除了機器，在晶片的製造技術方面，中國也很「芯」痛。比如晶片的「地基」——矽晶圓，無論是材料還是製造技術，中國都遠遠落後於日本，全球近七成的矽晶圓產自日本，而中國90%以上的矽晶圓都依賴於進口。包括沉浸式光刻技術、FinFET結構等晶片製造所用到的各種技術均已被申請專利，我們必須支付高額專利費才被許可使用，甚至有時還會被無理地禁用相關技術。

由於各種條件的限制，我們目前製造的國產晶片，仍然遠遠落後於世界最先進的水平。2020年，最先進的國產晶片是來自中芯國際公司的14納米晶片，這是一款電晶體間隙寬度為14納米的晶片。但是，國際上已經有公司能量產7納米晶片，並且已開始突破5納米晶片的製造技術，預計年內將能量產。通常來說，電晶體間隙越小，所佔的體積就越小，同等大小的晶片也就能擁有越多的電晶體，性能也就越先進。可以說，國產晶片水平與國際先進水平還存在兩三代的差距。

目前為止，國產晶片在市場上還不具備競爭力，也只能用於中低端的電子產品中。但是，我們現在已經具備了從設計到出售晶片的一整條完整的生態鏈條，只要有更多的人才和資金投入到相關領域中，假以時日，國產晶片終將趕上並超越國際晶片。