芯片制造要求有多高？精度达到头发丝的万分之一，这还不是最难的

“芯片”，我们经常会听到这个词，听上去感觉就是十分的高端，是高科技的象征；我们也经常会听到国产芯片技术被“卡脖子”，那么芯片究竟是什么，它的制造到底有多难？

芯片：电子工业的粮食

芯片是半导体元件产品的统称，实际上它就是一块高度集成的电路板，又叫IC，集成电路实体需要以芯片的形式而存在，依托芯片来发挥它的作用。

别看芯片小小的，只有一块指甲盖那么大，但是芯片是电子设备中最重要的部分，现代社会的智能化、信息化设备都离不开尖端芯片技术，没有芯片，就造不出现代的智能手机、电脑、电视和各种电子产品。我们经常会遇到自己的手机、电脑卡壳死机的时候，特别是用了好几年之后，其实这就是因为它们的CPU太低级，已经被时代淘汰了，而CPU其实也就是一块芯片。

正是因为芯片至关重要的地位，所以芯片也被称为电子工业的粮食，相信大家都还记得，几年前由于中美之间的贸易战，美国停止对华为出口芯片，而使得华为面临“无芯可用”的困境，一颗芯片的分量是十分沉甸甸的，对行业安全以及整个国家安全都有十分重大的意义。

造芯之难，难倒英雄汉

这么厉害的芯片，制造的难度也是令人望而生畏，下面我们就来谈谈制造芯片究竟有多难。

首先，想要制造芯片就需要生产设备，芯片的生产设备叫作光刻机，可以说，没有光刻机就没有芯片。光刻机是全球最精密的仪器，其技术难度是全球公认的，一台光刻机至少要有10万个零部件，要知道，一台汽车的零部件也才只有5000个。

光刻机的基本原理，就是用极细的激光在芯片底板上开凿出电路线，如果我们将芯片放在高倍显微镜下进行观察，就会发现上面布满了线条，就像一幅大城市的航拍图，这些密密麻麻线条就是光刻机的杰作，电子会沿着这些线条，按照人们在键盘输入的命令运行，不同的命令会得出不同的结果。

正是因为这千万条线路纹丝不能乱，所以芯片对光刻机的开凿精度要求极高，以“光”为刀进行雕刻，一根头发丝的厚度差不多是6万纳米，那么目前芯片的7纳米精度，相当于是把一根头发丝劈成几万份。

有一个形象的比喻就是说：制造7纳米这种高精芯片的工艺难度，相当于是在一根头发几万分之一的地基上，盖几十层楼。制造难度可见一斑。

制造光刻机，最卡脖子的技术有两项：一是稳定的激光源，它使用的是波长极短的极紫外光，对光学系统要求极高。二是光刻机的镜头，镜片需要高纯度的透光材料和高质量的打磨技艺。

除此之外，光刻机在工作时，5万多个零件还要整齐划一地协同工作，对这一协同性能，也有科学家做过比喻：好比两架飞机在天上飞，从起飞到降落，始终齐头并进。这时候一架飞机上伸出一把刻刀，在另一架飞机上的米粒上刻字。

目前，掌握全球领先光科技术的是荷兰ASML公司，独占光刻机占据全球市场份额的80%，精度在7纳米以下的光刻机目前只有ASML公司能够生产。

我国光刻机做得最好的是上海微电子装备公司，所产光刻机精度可以达到90纳米，经过资源整合和技术研发，我国目前已经具备了量产14纳米精度光刻机的技术，2020年，中科院宣布掌握了2纳米芯片技术，不过从突破到量产还需要一定的时间，所以目前我国的光刻机制造水平和当今世界的先进水平还存在着相当的差距。

其次，芯片的制造工艺难度也十分巨大。有了光刻机是远远不够的，因为它是最基本的，造出来光刻机只相当于是拿到了制造芯片的入场券，想要生产出一颗高质量的芯片，还需要掌握各种原子级的制造工艺。

芯片制造包括了硅片制造；晶圆制造；离子注入；晶圆切片、封装、检测等等十分复杂的步骤，其中涉及了大量的高端技术和专利，这都需要我们通过时间去一一验证并投入量产，这是一条艰难崎岖的路途。

正是因为芯片的制造工艺难度十分之大，这也就导致了其试错成本很高、排错难度很大。

互联网做一个app，可以几天内就更新一个新的版本，即使中间出了问题，也能够在很短的时间内进行修复，试错和修改的成本几乎可以忽略不计。但是芯片的制造各个步骤都需要很长的时间，从电路设计到开始投片再到工厂加工生产，大半年的时间是必不可少的。

除了时间长以外，每个步骤的成本也很高，其中高科技工艺能达到数千万元，只要一个步骤出了错误，那么都得从头再来，投入的大量时间和金钱就可能会完全打水漂。

与试错成本高同时存在的就是排错难度大。一颗小小的芯片里面有上亿个晶体管，而在电路板上能测量到的信号线只有少得可怜的几百根甚至只有几十根，想要找出到底是哪个晶体管出现了错误，其难度大家可以自己感受一下。

再次，芯片制造人才不足。以我们国家为例，根据国家相关部门发布的数据，截止2019年年底，我国集成电路从业人员总数为51万左右，虽然相比较之前有明显的增长，但是数量还是偏不足。

不过数量还不是最重要的，最重要的是质量，从现有的人才结构来看，国内仍十分缺乏有经验的行业专业人才，尤其是掌握核心技术的关键技术人才。在高校里，老师们大多数教的都是学生如何使用计算机，而不是教学生怎么造计算机，我国的人才储备和培养的薄弱，也是我国芯片产业与国际顶尖水平存在不小差距的一个重要原因。

最后，芯片的市场也是一个难题。芯片虽然意义重大，但是它毕竟不是像原子弹、航空母舰那样的国之重器，它说到底还是一个民用的商品，它是需要走向市场的，只有进入市场，芯片才有它的价值。

也就是说，只有你的芯片既便宜质量又高时，才会有市场用户来买单，所以很多国内企业都更愿意去买国外生产的芯片，而不相信国内的芯片质量。

写在最后

不管怎么说，虽然我国在芯片制造领域还有很长且艰难的路要走，但是同世界先进水平的差距已经在慢慢缩小，从中我们也看到了国人的潜力和韧性。

现在全球芯片行业格局正在面临一次大洗牌，我国芯片也将在机遇中奋斗前行，因为号角已经吹响，除了胜利，我们无路可走。

参考文献：

小青.芯片制造为什么难？[J]中外文摘,2021(03).

肖丛.光刻机：芯片制造的刻刀.[J]时事·高中,2019(02).

作者：乔木