作者| 刘炜

编辑| 王亚男

首先，芯片（IC）的严格名称应该是大规模集成电路，这是一种把各种半导体逻辑线路与器件高度集成在一小片硅片上，以完成复杂计算与逻辑功能的技术。芯片的发明与普及化，可以说是过去一百年来最重要的科技进步。有了它，才有了电脑的普及，才有了internet，才有了各种社交聊天工具，才有了AI、自动驾驶，才有了现代文明社会里的各种便利的物质生活。记得我曾经有过一件T恤，上面印着公司的一句广告词：We make the equipments to make the chips to make the PCs to change the world. 口气着实不小，不过想想也对。

聊到芯片的历史，就得先说说硅谷。硅谷的起源大家应该都非常熟悉了，先是惠普两位斯坦福大学的毕业生，Bill Hewlett and David Packard，三十年代末在当年学校管工程的教务长Frederick Terman的感召下（他鼓励斯坦福大学的教授学生在本地创业发展新科技，后来斯坦福校方把自己的一些地产和房产拿出来专门租给高科技起步公司，这才有了硅谷的今天）在Palo Alto的一个车库里成立公司Hewlett-Packard Company （简称HP），从研制生产电子测量仪器开始，后来逐步发展成为一家世界著名的高科技公司。硅谷的真正发展，却是五十年代之后的时期，首先是William Shockley 1956年从东部搬回湾区成立了Shockley Semiconductor Laboratory ，对，就是这位老兄和John Bardeen and Walter Brattain 在Bell Labs做了一系列工作，发明了三极管，三人也因此在1956年拿了诺贝尔物理学奖。Bardeen后来因为与Shockley不和而离开Bell labs到了UIUC当教授，1972年又因为超导理论而拿了第二个诺贝尔物理学奖，他是唯一一个两次获物理奖的人。这位Shockley脾气暴躁易怒又独断专行，手下的人都很难与之相处，开了公司一年之后就有了一次大叛逃，八位工程师出走到本地的另一家半导体公司Fairchild Semiconductor。这家仙童公司鼎鼎有名，因为有几十位名人就出自这里，成就了硅谷的崛起。这八个人里头，就包括了Gordon Moore和Robert Noyce，也就是过几年（1968年）那两位跳出来自己开公司的，公司的名字就叫做Intel（short for Integrated Electronics）。有趣的是，1969年，同样的有八个人在Jerry Sanders的领导下，也从Fairchild 跳了出来成立公司，于是有了AMD。就是这位Fairchild的Robert Noyce, 和TI的Jack Kilby, 被公认为芯片的发明人。先是1958年，Kilby实现了在Ge（锗）上的integrated circuit， 而Noyce则是在1959年在Si（硅）上实现了集成系统。2000年，Kilby因此获得了诺贝尔奖，我有幸在01年在上海开会时见过这位老先生一面。

相比之下Noyce的发明更有工业化生产的实际意义，因为他不仅把三极管建在硅表面上，而且还在上面集成了金属导线，当然最重要的是，硅比锗材料更合适于芯片的生产与使用。一是硅原料容易取得（去沙滩挖沙子就是了），容易提纯（比如99.9999%纯度），而且因为硅有一个天然的优势：它的氧化物，特别的“结实”—- 绝缘性能特好，而且与硅之间的界面杂质极少（杂质一多，容易造成漏电）。当然硅还有其他很好的特性，比如相对容易加工，容易被塞进别的三五族的原子来人为增加电子或是空穴的密度等等。

现在来讲讲一点芯片的基础知识。在芯片上的三极管，主要形式是以MOSFET（metal–oxide–semiconductor field-effect transistor）的形式存在的。下图就是一个简单的单元：

MOSFET, showing gate (G), body (B), source (S) and drain (D) terminals.The gate is separated from the body by an insulating layer (pink).

它的基本工作原理是这样的：电荷从硅本底（B）的上层流过，上面隔着一层绝缘层（图中的白紫色，通常是二氧化硅），绝缘层上面则有一个叫门（gate）的部份，这一般是金属或是多晶硅，在这部份上加上或不加上电压就可以决定底下硅上层这股电流通过或不通过，也就是“1” 和“0” 两种状态，这就组成了一个最基本的逻辑单元。譬如，当gate上加了+5伏特的电压时，硅本底里的电子就会被吸引而往上聚集，这样一来如果在图中S（source)和D(drain)两端加上电压，电流就会在此之间（channel）产生，这样的状态就是“1”。相反的，如果当gate上加了-5伏特的电压时，channel 那里的电子就会被排斥而流向硅本底，这样S和D之间就不会有电流通过，因为它缺少导电介质-电子，这样的状态就是“0”。为了提高电荷的浓度和流动速度，这一层的硅以及接触的两点（Source and Drain）还需要植入一些可以增加导电介质（电子或是空穴）的杂质，如B， P， As等等。

这里用来控制0，1状态的加在gate上面的电压随着器件尺寸的一直缩小，也一直在降低中，比如，到了7纳米，就只需要0.6伏来开启关闭。

有了三极管，下一步就是在众多的三极管上架构金属线，然后通过各种各样的联接方式来实现带有各种功能的逻辑系统。下图就是这些所谓的interconnect导线架构图：

当然导线与导线之间是有一层层绝缘层的，只是这里为了图示方便用酸除掉了。下图显示的是一个14纳米以下的device里的interconnect（金属连线），一共有17层。

一开始用的是铝做导线材料，后来开始采用铜导线，相对于铝来说，铜的电阻值小了40%，相当于提高了15%的微处理器的速度，同时可以减小能量在传输过程中的损耗，另外一方面，铜也比铝导线更耐久更容易加工成更小的尺寸。到了10纳米节点，Cobalt开始被用来取代铜导线，目的同样是为了进一步减小电阻提高导电性。当然，不同的材料做导线时，其加工工艺与设备流程自然会不同，遇到的各种挑战也是截然不同的。

Transistor 和interconnect 就组成了Logic 芯片的最基本的单元。memory芯片除了少数三极管之外，更多的是一个个可以显示0、1状态的memory unit, 而不同的memory technology 有不同的设计，但功能都是一样的，这里就不再细说。

芯片技术最令人可怕的地方是它的可缩小性， 以前是每十八个月，后来是每二十四个月，也就是每两年，生产出来的单位硅面积上的三极管数目就会加倍，这就是所谓的摩尔定律，也就是那位成立Intel的老兄Gordon Moore 哪天睡不着觉的时候想出来的东东，发表成了论文，而且，整个IC 行业竟然严格遵守了三四十年! 所以，有什么样的老板，就会有什么样的结果，这二三十年强迫症般的遵守，不知逼疯了多少工程师。于是，就有了一路缩小的技术节点：180纳米，130纳米，90纳米，65纳米，45纳米，32纳米，22纳米，14纳米，10纳米，7纳米，5纳米………这里所谓的纳米数字，在22纳米以上是指前面所说的那个gate的长度（严格说起来，是effective gate length)，而且你们会发现，每一次缩小，比率都是前一个node（节点）的0.7倍，这是因为这样一来，每次进步一个node，每个die（也就是硅片上的每个芯片单元）面积大概都是前一节点的0.7×0.7～一半的大小。但是到了22纳米以下时，这个数字就只是一个代号，不同的公司有时候会有不同的标法，比如说，Intel的10纳米技术其实就等同于台积电的7纳米技术。一般说来，越小的node，它的feature size就会越小，速度就会越快，功耗也就会越小。说到这里，就联想起台积电发布的5纳米芯片，据称性能比7纳米提高了40%，心里这么一算：1/（1+40%）～0.7，又是一个0.7！:))。

这样物理性质上的缩小（scaling）到了一定程度，就难以为继了，不仅是制造工艺上，而且是基础原理上也难以成立，因为当各种功能结构（feature size）越来越小的时候，不同物质层之间的cross talk（相互影响）就越来越厉害，漏电现象也越来越严重。为了进一步缩小feature size，提高速度与性能，工程师们就开始从两个方面上入手，一个是材料，比如说，把原来那层gate oxide 从二氧化硅改为high k物质HfO2, 把gate本身的材料从多晶硅改为金属Al+TiAl/TiN/TaN 等， 这样一来，可以缩小feature size，进一步降低能耗，降低加在gate上面的电压而且不用担心漏电问题，另一方面就是在设计上入手，把原本二维的设计，转变为在三维空间的扩展，这在logicIC上就出现了著名的FinFet与gate all around （GAA）架构。

下图就是简单的图示：

左边这个是一般的二维的MOSFET，右边则是三维的FinFet结构。最简单的理解，就是左图中，只有一面gate在控制黄色的gate oxide下面的硅层里的电荷，而右图中，三面gate围绕着这黄色层，也就是说，同样的gate voltage可以控制的硅层里的电荷的能力大大提高了，所谓的drive current就增加了，这样所需要的控制电压就可以降低，各种漏电现象可以减少。这就是一场开始发生在十几年前的革命。FinFet的主要发明者，是UC Berkeley 的Chenming Hu教授，台积电在2001-2004年聘他为公司的CTO，后来完美地把这一技术应用到16纳米上，直到今天的5纳米。胡教授也因为此一技术创新，获得了National medal of technology and innovation 和今年的IEEE Medal of Honor. 这些奖项，基本上是以后获诺贝尔奖的前奏。

到了3nm, 所谓的gate all around （GAA）架构应该就会被使用了。GAA用的是用gate四面环绕的方式来最大限度提高gate voltage透过黄色的gate oxide来控制硅层里的电荷的能力，如下图。

好了，现在再回来说说Intel，TSMC和三星的发展历程。上面说的其实是过去二十年发生在IC技术的两次革命：high k metal gate 和 FinFet / GAA technology. 这两次革命，其实都是Intel公司先领导业界展开的，它在45纳米节点上开始使用highk Metal gate（2007年），而在22纳米上开始生产FinFet CPU（2011年）。从成立一开始，Intel就一直以技术立命，它的CEO，一直也是从内部的工程师成长出来的（直到最近的一位因前任的桃色新闻而打破传统临危受命外）。其中除了Robert Noyce和Gordon Moore 这两位杰出人物外，最为有名的就是它的第三号雇员后来的CEO Andy Grove 。正是这位铁腕领导者，发出了Only the Paranoid Survive的名句，领导着Intel一路披荆斩棘所向披靡。

Andy Grove, Robert Noyce and Gordon Moore (1978)

早期Intel的产品，包括世界上第一片金属氧化物芯片1101，第一片DRAM （1kilobit） 1103 （1970年）, 第一片single-chip microprocessor 4004 (1971年），这4004用到了我们日常见到的马路信号灯的控制上，到了1974年，Intel控制了超过80%的DRAM市场，只是好景不长，食物多的地方鱼儿就多了，日本半导体公司的大举兴起，把它的DRAM份额很快蚕食了，到了1984年，只剩下区区的1.3%。这期间，Andy Grove带领公司极速转向，放弃DRAM而专心一致于微处理器的市场上，于是有了8-bite的CPU芯片8080 （1974年），16-bite的8086 （1978年），到了1981年，有名的8088被IBM选中随着第一代PC传遍世界。接下来的故事大家应该都很清楚了，伴随着80286，80386，80486（Pentium，1993年，第一个parallel processing chip）……一家家IBM clones夜以继日地生产着各式各样的大盒子，供应着贪婪的饱含新鲜感的市场，而大盒子里的内核，都是一个样：Wintel,window + intel，直到今日。记得当年高一时，286 PC（AT 和 XT）刚出来，我们中学有海外校友捐赠了两三台，每天放学之后，我几乎都泡机房里玩BASIC编程，当然也偷偷玩了几个经典游戏，比如吃豆子，警察抓小偷之类的。可以说Intel的崛起，就是PC的发展史。现在所说的x86架构，就是延续Intel这一系列产品的架构。同一时期，另一家公司苹果电脑，用的则是摩托罗拉的CPU。

这一时期的芯片公司，著名的除了Intel，还有Motorola，IBM，TI，National semiconductor， Micron等，对，IBM自己也研发生产芯片，它的Fishkill site的研发中心，在业界享有盛名，一度与Intel的研发能力并驾齐驱。而日本，更是有一大批大公司在这一行里沉浮，有NEC，SONY，Toshiba，Hitachi， Mitsubishi， Sanyo ….。日本公司在1988年半导体产出占当年世界的一半以上，大部分是DRAM。这之后，随着韩国的三星和SK Hynix的大举进入DRAM市场，加上日本九十年代初经济泡沫的破碎，日本公司在半导体市场上就一路败退，直到今日。相对于富有创新精神的美国业界来说，日本人在IC方面的能力是非常值得称道的，认真严格忍隐耐劳的民族特性非常适合于这个行业，他们在制造与质控方面的能力无人能比。99年左右我曾经到Toshiba出差，望着他那俯视着东京湾的四十层高的现代化大厦，真的可以想象到在八十年代高光时期的辉煌。进入新世纪后，日本半导体公司合并的合并，关闭的关闭，DRAM方面NEC和Hitachi先是合并成为Elpida Memory, 后来兼并了Mitsubishi DRAM, 但是到了2013年再也熬不过去就被Micron 兼并了，memory方面唯一剩下的就是曾在1987年发明了NAND Flash memory的Toshiba, 它一路磕磕碰碰，跟硅谷的SanDisk合作，成功地发布了一批NAND Flash产品，比如过去十几年常常在市场上买到的SanDisk的thumbdrive / SD 卡，后来SanDisk 2016年被Western Digital买了，但是合作依旧进行中，到了2018年陷入困境的母公司终于把memory部门spinoff 成为一家叫Kioxia的独立的公司，买方包括了Apple，SKHynix, Seagate等等。logic方面，几乎所有的旧日枭雄都一沉没起，默默无闻。剩下的，只有Sony的CIS技术在camera成像方面独树一帜，占据了40%左右的市场份额。想起来好笑，大概十年前我们有一个tool在为CIS技术生产芯片，当时搞marketing 的人来跟我讨论这个市场值不值得去做，他计算了一下，凭着当年的手机镜头需求量，好像全世界只需要不到十台的设备去做那道工序，曾想到，十年之后，看到那手机上的前镜头后镜头，四眼后镜iPhone，再看看新车动不动这镜头那镜头，住家里里外外这里ring camera那里ring camera，真是人算不如天算，这市场。日本的芯片公司虽然整体走向没落，但是他的半导体链上的实力却非常强大，体现在各种新材料各种重要部件和物质方面的技术都掌握在日本公司手中，前一阵子不是出了大新闻说因为政治上的原因日本禁止出口半导体制造过程中必须使用的“光刻胶”和“高纯度氟化氢”等半导体材料到韩国，结果各家大厂股票大跌，正是这个原因。美商生产出来的芯片制造设备里，很多重要部件也是日本提供的。查了一下，现在日本的半导体产业年产值只有350亿美元左右，只相当于美国的一家Intel的一半。

上面聊完日本芯片的起落，接下来就聊聊韩国的芯片业。韩国的半导体产出，占据世界的17%。一提起韩国的半导体产业，大家就会想到memory，是，没错，2020年预计韩国的memory产值就会占世界市场的55%。这里头，就两家公司：Samsung 和SKHynix，其中三星一家就占世界DRAM市场的30%。寡头经济在韩国是被发挥到极致，这样高度垄断的公司在美国是分分秒秒要被拆散的呀。特别好笑的是，走在汉城街头，你无时无刻不会看不到Samsung这个logo，Samsung Electronics，Samsung Biologics，Samsung Heavy Industries，Samsung Life Insurance, Samsung Security Co., ….. 好像你一出生下来，Samsung就替你准备好了各种服务，就连小区里成排的apartment building，墙上也是Samsung的logo，因为，是它建的。回到主题，三星1974年通过兼并一家快破产的叫Korea Semiconductor的公司，进入半导体产业，当时正建设着韩国第一条芯片生产线。但是，直到1983年它正式宣布进入DRAM市场，才开始展露头角。一开始，它从Micron引入DRAM技术，从Sharp（夏普）引入SRAM和ROM技术，算是大市场里的小弟。殊不知十几年之后一发不可收拾，成为世界DRAM产业的一哥。韩国人强大的民族自尊心和自豪感，在IC这个产业上体现得淋漓尽致，韩国工程师，自我研发的能力特别强，而且轻易不言失败，非常刚烈。DRAM这种产品，市场价格上下起伏非常的大，所以规模不够大的公司在downturn时常常会面临资金链断裂的危险而大举消减投资，而三星最让人佩服的一点就是，在别人勒紧裤腰带过紧日子的时候，却一反常态而大肆投资到最新最先进的制程和设备，这样一来，等到upturn到的时候，它就比对手公司先进了一程，凭着这样的魄力和勇气，三星因此站到了存储芯片领域的顶端。三星的logic方面相对比较弱，但近十几年来为了争夺芯片代工市场的份额，增加了很多投资，在制程上已经完全与Intel、TSMC站在第一梯队里，其中Apple的A4到A7芯片都是Samsung生产的，直到TSMC开发出20纳米技术开始抢走A8的生产为止（2014年）。即使这样，三星还是凭借着DRAM市场上的巨大体量超越Intel雄踞2021年世界最大的半导体公司。

下面聊聊台湾的半导体产业。台湾的芯片制造起步于上世纪七十年代初，随着经济腾飞，以李国鼎孙运璿为首的官员主导下，开始引进当时的先进技术与制造工艺，其中最著名的就是RCA （美国无线电公司）合作案，生产半导体芯片，全套引进技术，包括电路设计、光罩制造、晶圆制造、包装与测试技术，以及进生产管理。这次合作培养了一批半导体产业的人才。1980年，在政府支持下，工研院一批人出来成立了联华电子（UMC），曹兴诚做CEO，开始自己研发IC技术。1986年完工了台湾第一座六寸晶圆厂。聊到这里，就得说明一下IC公司的不同，那个时代，所有的芯片公司都是所谓的IDM型（integrated device manufacturer），也就是说，一家公司，从设计，到生产，到封装，到销售从头到尾都做。这样的流程在小规模生产的时候是没有问题的，但是当制程技术发展到一定程度，device复杂程度越来越高级，建立一座芯片制造厂（Fab）的成本越来越高，动不动就十几亿几十亿美元，高到只有大公司才能投资得起（一座最新最先进的Fab现在需要100亿美元以上），这样一来，很多很有创新能力的IC公司就无法很快把产品推向市场。这个时候，从美国回台担任工研院院长的张忠谋提出了foundry这个concept，和工研院，飞利浦公司一起在1987年创建了台积电（TSMC），专注于做芯片代工，它的模式就是让上游芯片设计公司（fabless）专注于芯片设计，而由台积电来替他们生产检测封装，成品归fabless公司销售。一开始的时候，不少芯片行业的人并不看好，觉得台湾水平不行，无法在如此先进的技术制造业上立足，特别是芯片业里制程工艺的领先和良率的高企就等于一个企业存活的命脉，而fabless公司让台积电代工就等于把自己的前途押宝在台积电上，可想而知台积电的起步阶段是如何的艰难。但就是在这样的压力下，台积电一路上扬，取得一个又一个重要客户的信任，先是Nvidia，Qualcomm，再是Apple，华为，最后连AMD也舍弃自己的制造公司GlobalFoundry成为台积电的客户。从过去二十几年的接触和观察，我觉得台积电最大的成功在于它的文化和管理。公司有一阵子几乎囊括了台湾当时大部分的理工科人才，然后彻底贯彻由上而下的坚强的意志力，有点像军队里的组织结构一样进行管理，工程师也是非常辛苦，常常看到他们加班到每天工作十小时以上。厂里自己办食堂，最大程度上缩减了外出的时间。公司同时对外广招人才，光是IntelRD team里就有很多华人骨干应召归台，包括前面提到的Prof. Chenming Hu 也是从大学到工业界发展。还有一点就是台积电特别懂得如何push设备厂商提供各种技术资源和帮助他们进行各种先进制程步骤的研发。在业界，还没看到有任何一家公司能够这样efficiently地压榨出技术进步。大家可能有所不知，其实工业界里，组织生产不是最难的步骤，生产出各种制造设备和研发出制程工艺的才是产业链里最具高科技份量的步骤（比如说纺织业，有多少锭的生产能力其实远远比不上设计生产纺织设备和提供工艺流程的能力）这在芯片行业特别的明显，因为现代芯片制造牵涉到的技术与工艺已经不是传统工业里遇到的那些，而且牵涉到各种基础学科理论与实践的最高级。台积电很会以其建厂而引发的制造设备潜在购买力来引诱和逼迫各家设备厂商提供最新最先进技术与工艺，包括厂商花巨资研发出来的know-how’s. 这点我觉得就是它能一路脱颖而出的重要原因之一。2000年时，台积电在台南园区上马第一座300mm工厂，作为一位工程师，我也有幸千里迢迢加入了那历时大半年的大会战，常常半夜都要oncall起来到工厂去干活，各个公司几百上千位工程师都在召之即来挥之即去的氛围下提供各种技术支援，甚是壮观。那时候园区的后勤还没有跟上，到处都是台糖的荒地，每次下班也没有太多选择，常到一家叫鼎中味的简陋的餐厅吃饭，吃到后来老板娘都很热情，还每个人要送一个小玩具钟, 结果我是收也不好不收也不好………

在这33年的发展历程中，觉得台积电在先进制程工艺研发上做得最好，特别是FinFet制程研发，还有一项就是所谓的Immersion Lithography，在Burn J. Lin的领导下台积电是第一家公司（2004年）采用这种光曝技术来延续ArF193nm lithography, 其结果就是一路在最小光曝feature size上的领先。所以近年来，台积电在制程工艺上领先Intel一点都不让人觉得奇怪。

说到光刻技术，就要开始聊聊芯片制造设备了。国人老是有一种误解，觉得芯片制造中好像就只需要光刻机先进就可以了，其实，这是一种很大的误解。一片芯片，从晶圆成型开始，需要几百道工序，才能最后到达封装测试。这其中有很多步骤都是非常重要的，可以说是缺一不可，而不同的工序，需要的又是各种各样高精尖的设备与制程技术。从设备的研发到工艺流程的设置，无一不需要各种专门的知识和基础研究。举个例子，在硅刻蚀这一步上，首先需要在反应器内利用RF（radio frequency）来产生等离子体，把各种分子变成离子、原子，再通过附加的RF来产生额外的电场，加速其中的离子，这样的离子、原子混合体会跟硅产生化学反应，反应产物有些是气态被抽走，有些则是固体的，会像泥巴那样敷上两边的墙上，而通过控制各种参数，如气压，RFpower, 各种分子配比，工程师们就可以来控制刻蚀的形状，深度等等。这样的设备研发需要的是各方面的人才，比如材料，电子工程，化学，物理等等专业的人员，需要的知识也是很广的，非常的demanding。

现在的半导体设备公司，除了大家熟知的荷兰的ASML, 主要的几家就是美国的Applied Materials, Lam Research, KLA, 日本的Tokyo Electron, 其他的还有一些原材料供应商和中小型企业。

最后聊一下现在半导体市场上巨头们的捉队厮杀的一些有趣的现象。一是传统CPU（PC /server）市场上的Intel和AMD,自从AMD在Lisa Su的领导下改变策略，外包台积电利用它的先进制程来生产（抛弃了自己spin-offed的Global Foundry）,Intel的市场份额就一直被蚕食着。当然这只能怪它自己先进制程推进的一而再再而三的失败。二是在全球晶圆代工市场上老大TSMC与老二Samsung之间的竞争，台积电稳稳占据了53%的市场份额，远远甩开了三星（17%），但在制程技术领先上两者差距不大，两者都声称要在2022年量产3纳米技术，加上三星加大logic上的投资力度，未来鹿死谁手还很难讲。Foundry的老三老四之争也是非常激烈，UMC（联电）去年超越了GF（市场份额5%）, 以7%的份额暂居第三。但是这两家都止步于14纳米技术，同样进攻比较成熟的制程与技术，在2020-2021火爆的半导体市场状态下似乎都快乐。可以预期，在全球各大消费产业（如汽车，手机，家电）广泛接受芯片的市场荣景下，步入中年的半导体产业应该是会继续繁荣向上的。

技术方面的细说，可以参考本期另外两篇短文：
I.关于芯片的一点科普 — 科普篇
II.芯片制造的简单科普— 技术篇

注：基于2018，2020年初版，于2021年中补充、审订、更新 （图片均来自网络）。