許多人可能會認(rèn)為，我是一個專門說好消息的人，因?yàn)槲医?jīng)常講中國的成果。他們對此感到很高興。同時，也有另外一些人對我很生氣，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為我是一個報(bào)喜不報(bào)憂的人。

其實(shí)這兩邊都是錯的。我對自己的定位是，我是一個實(shí)事求是的人。我絕不是報(bào)喜不報(bào)憂，實(shí)際上我經(jīng)常報(bào)憂。

今天，我就來向大家報(bào)一個大大的憂。就是人人都知道的，我國被卡脖子最嚴(yán)重的領(lǐng)域：芯片。我發(fā)現(xiàn)，非常多的人低估了這個挑戰(zhàn)的難度，經(jīng)常可以見到許多錯誤理解。

例如，有人認(rèn)為中國在兩年內(nèi)就可以造出高端芯片。

實(shí)際上，這是個大大過頭的估計(jì)。目前我們沒法給出個時間表。如果我們能在十年內(nèi)造出現(xiàn)在最高水平的芯片，就是很大的成功了。

又如，經(jīng)常有人說“小小的芯片”，難道我們連小小的芯片都搞不定嗎？

對此的回答很簡單：新冠病毒也只是個“小小的病毒”，你覺得它容易搞定嗎？

又如，經(jīng)常有人說，芯片再難，有兩彈一星難嗎？

實(shí)際上，這兩者的難度不是同一類的。芯片的難度在于精密制造，而一個國家能不能造出核武器，在很大程度上取決于核材料的生產(chǎn)?？匆粋€國家有多少離心機(jī)就能判斷出他們離造出原子彈有多遠(yuǎn)，所以你會看到各個大國三天兩頭跟伊朗的離心機(jī)扯皮。

離心機(jī)與原子彈

還經(jīng)常有人說，統(tǒng)一臺灣，拿下臺積電，就能解決芯片問題。

統(tǒng)一臺灣，拿下臺積電，就能解決芯片問題？

在這些人的想法中，統(tǒng)一臺灣這種國家大事居然成了解決一個技術(shù)問題的手段。這本身就是輕重不分，十分搞笑。就算我們已經(jīng)統(tǒng)一了臺灣，還是有一個顯而易見的問題：如果ASML不給臺積電提供最先進(jìn)的光刻機(jī)，你不還是被卡住嗎？

還有一種常見的說法是，中國的芯片本來跟世界差距不大，甚至是先進(jìn)的。都是因?yàn)楦母镩_放后實(shí)行買辦思維，造不如買，買不如租，導(dǎo)致差距越拉越大。這些人喜歡翻出一些我國在六七十年代研究光刻機(jī)的圖片，然后痛斥一番改革開放。

中國芯片以前很先進(jìn)？

實(shí)際上，當(dāng)時我們的芯片水平絕不是領(lǐng)先，甚至也不是差距不大，而是差距非常大。

我看過一篇文章，紀(jì)念我國半導(dǎo)體科技的奠基人之一王守武院士（http://www.cas.cn/zt/rwzt/qmjzt2015/wsw/jnwz/201503/t20150326_4327424.shtml）。其中有這樣一個故事。

1977年，國際上開始工業(yè)生產(chǎn)16 K的芯片，64 K的芯片也已經(jīng)做出樣品。同時中國只有少數(shù)單位仿照國外產(chǎn)品，做出了接近1 K的芯片。但成品率極低，不能投入生產(chǎn)，只能作為樣品。1 K對64 K，這就是當(dāng)時的差距。

然后，中國科學(xué)院提出，要在一年內(nèi)拿下4 K芯片。但經(jīng)過一年的研究，成品率仍然很低。

1978年10月，中科院請王守武全面負(fù)責(zé)這一任務(wù)。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奮戰(zhàn)一年，到1979年9月，終于把4 K芯片的成品率提高到了……20%以上。

這是什么概念？量產(chǎn)的芯片成品率至少要達(dá)到90%以上，否則難以收回成本。可是當(dāng)時王守武的這20%就已經(jīng)是重大進(jìn)步了，獲得了中國科學(xué)院科技成果一等獎。

所以，你看這差距有多大？有些人喜歡拿自己少量生產(chǎn)的跟人家工業(yè)生產(chǎn)的比，找出某個不錯的單項(xiàng)指標(biāo)，然后說自己并不落后，這不是自欺欺人嗎？

在分析完這些錯誤理解后，我們來講正確的理解。

最基本的問題是，芯片是什么？

我來給大家出道題。下面這些哪些屬于芯片，哪些不屬于芯片：電腦處理器，手機(jī)處理器，機(jī)械硬盤，固態(tài)硬盤，電腦內(nèi)存，手機(jī)存儲卡，U盤，液晶顯示器？

請大家思考一下。如果你能答對，你的知識水平就超過了90%的人。

答案是：這些幾乎都屬于芯片，只有兩個不是。一個是液晶顯示器，另一個是電腦硬盤中的一類，機(jī)械硬盤。機(jī)械硬盤是用磁來存儲的，不是半導(dǎo)體。而電腦硬盤中的另一類，固態(tài)硬盤，卻屬于芯片。固態(tài)硬盤、電腦內(nèi)存、手機(jī)存儲卡和U盤都是用半導(dǎo)體來存儲的，它們都屬于芯片。

其實(shí)，液晶顯示器跟芯片也是近親，因?yàn)樗怯冒雽?dǎo)體元件控制的，而且它的制造過程與芯片也十分相似。因此，液晶顯示這個行業(yè)又被稱為半導(dǎo)體顯示。

芯片的力量何在？它實(shí)際上是來自半導(dǎo)體。知道這個，你的知識水平就超過了99%的人。

為什么半導(dǎo)體這么神通廣大？

原因在于，只有半導(dǎo)體有變化。跟半導(dǎo)體相對的，導(dǎo)體永遠(yuǎn)是導(dǎo)電的，絕緣體永遠(yuǎn)是不導(dǎo)電的，它們都沒有變化。

只有半導(dǎo)體，可以在導(dǎo)電和不導(dǎo)電之間轉(zhuǎn)換。我們可以控制這種轉(zhuǎn)換，辦法有很多。用導(dǎo)電和不導(dǎo)電表示0和1，就可以計(jì)算，可以存儲，產(chǎn)生無窮的變化。

那么，半導(dǎo)體是怎樣在導(dǎo)電與不導(dǎo)電之間轉(zhuǎn)換的？

這里的基本元件是三極管。我見過的對三極管原理最好的描述，來自這本書《圖解芯片技術(shù)》，作者是清華大學(xué)材料學(xué)院田民波教授。

三極管好比一個帶水閘的水路。左邊有個水源，右邊有個水泵在抽水。但中間有個水閘，在水閘關(guān)閉時，是沒有水流的。

然后我們逐漸把水閘升起。一開始，水閘的底部仍然在水槽里，所以還是沒有水流。當(dāng)水閘底部升到水槽之上，就開始有水流了。水閘升得越高，水流就變得越大。

把水流換成電流，這就完全是對三極管的描述。左邊的水源、右邊的水泵和中間的水閘，就對應(yīng)三極管的三個極，源極、漏極和柵極。水閘的高度，就對應(yīng)柵極上的電壓。

【注釋：源極、漏極和柵極實(shí)際上是場效應(yīng)管的三個極，三極管的三個極叫做發(fā)射極、集電極和基極。不過《圖解芯片技術(shù)》的原文就是如此，我理解這是因?yàn)閳鲂?yīng)管和三極管在邏輯上的作用相同，都是通過某種方式控制導(dǎo)電與不導(dǎo)電之間的轉(zhuǎn)換，所以田民波教授采用了一種簡化的解釋，以方便初學(xué)者?！?/span>

人們經(jīng)常會問，芯片的28納米、14納米、7納米等等究竟是什么意思？其實(shí)這就是柵極的厚度，專業(yè)的名稱叫“柵長”。如果你能記住這些多少納米是柵長，那么你的知識水平就超過了99.9%的人。

【注釋：請注意上圖中右邊紅色方框內(nèi)的“柵長”?！?/span>

納米成為常用單位，這是非常神奇的一件事。一納米是10的-9次方米，大約只有10個原子的長度，一根頭發(fā)絲直徑的幾萬分之一?，F(xiàn)在一粒芝麻的面積上（小于一平方毫米）能排列上億個三極管，這是多么驚人的奇跡！

由此就引出了芯片的一個特征：它是目前人類精密制造的最高水平。這就是為什么我們不能制定一個太樂觀的時間表，因?yàn)榫苤圃煺侵袊澜缦冗M(jìn)水平相差最遠(yuǎn)的方向。有一句話很形象：中國制造在西方的商場里，德日制造在中國的工廠里，美國制造在中國的實(shí)驗(yàn)室里。

芯片制造難在哪里呢？其實(shí)每一步都很難，沒有容易的。芯片制造分為五個階段。

第一，把沙子，也就是二氧化硅，轉(zhuǎn)化成多晶硅。

第二，把多晶硅提煉成單晶硅，再把單晶硅切成一個個圓盤，也就是晶圓。

第三，在晶圓上制造各種器件。

第四，把芯片封裝起來。

第五，做最后的測試。

例如第一個階段，多晶硅的純度要達(dá)到11個9，即99.999999999%。我們平時說的純金，只不過是4個9，99.99%而已。

第二個階段，晶圓要做得非常平，連它自身的重量導(dǎo)致的彎曲，都是要控制的。如何控制這些晶體缺陷，是各個廠商從長期的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中總結(jié)出來的，是他們高度重視的技術(shù)秘密。

前兩個階段都很難，第三個階段又是難中之難。光刻就是其中的核心技術(shù)。

光刻是什么？其實(shí)就好比傳統(tǒng)的膠片照相技術(shù)，包括曝光、顯影、定影等等。具體的操作是這樣的。

首先，在晶圓表面涂一層光刻膠。

然后，在晶圓上面放一層掩膜，要刻的圖案就畫在掩膜上。

然后，用光通過掩膜去照射下面的晶圓。這里的關(guān)鍵在于，光刻膠遇到光會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這樣，圖案就轉(zhuǎn)移到了光刻膠上。

然后，把光刻膠去掉。但發(fā)生過化學(xué)反應(yīng)的地方，就留下了。

最后，對沒有光刻膠的地方進(jìn)行刻蝕。這樣，圖案終于轉(zhuǎn)移到了晶圓上。真正在晶圓上刻出東西來，是在這一步。

大家可能聽說過，有個東西叫做刻蝕機(jī)，而且中國的中微半導(dǎo)體在刻蝕機(jī)方面是世界領(lǐng)先的。這當(dāng)然很好，不過在很多其他步驟上我們就是落后的，就有非常多的缺陷。比如說，一般人都知道我們沒有高端的光刻機(jī)，其實(shí)剛才提到的那個光刻膠，我們也還沒有高質(zhì)量的。

近年來，每當(dāng)報(bào)道一個中國在芯片方面的技術(shù)進(jìn)展，立刻就有很多人歡呼可以取代光刻了，可以擺脫卡脖子了。其實(shí)這完全是誤解。

光刻真正的厲害之處，在于它保持這么高精度的同時，還能有很高的生產(chǎn)效率。如果單說分辨率能達(dá)到納米級的技術(shù)，那么這樣的技術(shù)其實(shí)有很多。我發(fā)的論文里就有不少是關(guān)于這些技術(shù)的，例如我們實(shí)驗(yàn)室2001年在Nature上的文章，那里用到的技術(shù)叫做掃描隧道顯微鏡。

但這些技術(shù)都是一個原子一個原子去操作。它們跟光刻的對比，就好像抄書跟印刷術(shù)的對比，實(shí)在是太慢了。所以這些技術(shù)都是用于基礎(chǔ)研究的，而不是工業(yè)生產(chǎn)。

現(xiàn)在制造一個芯片，需要經(jīng)過300至500道工序，涉及精密機(jī)床、精密化工、精密光學(xué)等幾乎所有領(lǐng)域的尖端技術(shù)。如果說芯片是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的皇冠，那么它就是在其他好幾頂皇冠的基礎(chǔ)上累加起來的，是皇冠上的皇冠。

中國芯片業(yè)的落后，看似是一個點(diǎn)，其實(shí)反映的是一大片。所以唯一的正道，就是把所有這些門類的基礎(chǔ)都補(bǔ)上，都達(dá)到世界頂端。

我們經(jīng)常說危機(jī)既是危，也是機(jī)。每當(dāng)美國打壓我們，都有人歡呼危要轉(zhuǎn)化成機(jī)了。但這絕不是必然的。危轉(zhuǎn)化成機(jī)，關(guān)鍵是我們自己要努力，要做出改革，包括科研體制、教育體制、市場機(jī)制、思想文化等很多層面的改革。

如果我們只是在嘴上說說，指望事情自動變好，老想著走捷徑，或者淡化困難，或者委過于人，那么危就是危，不會轉(zhuǎn)化成機(jī)。我們該做的事情做夠了嗎？我看遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

這就是我希望傳遞給大家的最重要的信息。我們要走正道，付出巨大的努力，做出巨大的改革。這不但是為了我們自己，也是為了全人類。