有一段时间，小黑在逛知乎的时候，下面这个问题不断出现在小黑的首页推荐上：
截止今天，这个问题已经涌入了将近3000条回答，而各路答主们也纷纷就这个问题展开了一系列脑洞大开的联想。
固然这个问题有抖机灵的成分，但这也代表了国人对芯片的国产化有着多么高的关注度。
从中兴到华为，缺“芯”问题始终是悬在国内相关产业头顶的一把利刃。
那么，国产“芯”什么时候才能“站起来”呢？我们与世界先进水平之间有多少差距呢？了解这些问题，我们才能正视自己的位置，找到一条正确的道路。
从“沙子”到硅片，我们的脖子越卡越紧
在网上经常可以看到网友们开玩笑，说“给我一车沙子，我也可以手搓出芯片”。
这个玩笑看似离谱，但也并不完全没有依据。作为我们每天都会接触到的产品之一，现在的芯片基本都是由单晶硅做为基层，也就是人们常说的“硅基芯片”。
而普通河沙的主要成分，刚好就是二氧化硅（SiO?）。
这个笑话也同样说明了一件事：芯片的原料硅，是一种一点都不值钱的元素，它在地壳中的含量高达26．3％，我们随手抓起的一把泥土中都有不在少数的硅元素存在。
当然，硅基芯片的硅并不是从普通的河沙中来，而是硅含量更高的硅石。
▲ 就是这些看似普通的石头
硅石中的主要成分依然是二氧化硅。
而要将这些不值钱的石头变成芯片，它们要经历的第一件事，就是反复的熔炼，将其变成一根“又黑又粗”的硅棒。
熔炼的步骤真要完全写下来，就会变得“又臭又长”。并且这些步骤技术含量并不高，所得到的产品不论是工业硅还是多晶硅，都完全不存在“被卡脖子”的状况，产量甚至还能吊打其他国家的总和。
所以这些步骤小黑就不多说了。
当一块硅石变成多晶硅之后，接下来的步骤对我们目前的相关产业就不那么友好了。
要想“搓”出一颗芯片，我们就需要将多晶硅转变成单晶硅。相比前者，单晶硅拥有更稳定的电学性质，甚至可以称得上是最纯净的物质之一。
目前常用的生产方法是柴可拉斯基法。这种方法又称直拉法或者提拉法。正如名称所示，这种方法就是将一条单晶硅“种子”浸入多晶硅溶液中，边旋转边向上拉，由于温度逐渐下降，被拉出的多晶硅溶液逐渐凝固成固态的单晶硅棒。
▲ 单晶硅棒和硅片
之后，单晶硅棒还需要经过滚磨、开槽、切片、倒角、精研、背面处理、化学机械抛光、清洗等多达十余道步骤，才能制作出一片合格的硅片。
▲ 单晶硅棒的切片
单论单晶硅棒和硅片的生产，我国依然可以吊打世界其他国家的总和。但单晶硅材料又根据制造流程的精度不同，被分为光伏级和半导体级——而我国的优势也仅限于精度要求更低的光伏级单晶硅。
而设备和精度要求更高的半导体级单晶硅领域，市场被日本、德国、中国台湾和韩国牢牢把持，其中日本的信越化工和盛高集团两家更是占据了50％以上的市场。至于我国的份额，甚至不到全球的5％，并且良品率也不高。
到这里，在芯片制造产业链中我们第一个被卡脖子的流程就出现了。
对了，用来生产半导体级单晶硅的设备，我国依然需要进口——因此会被卡脖子的不只是半导体级单晶硅的制造，连它的“爸爸”精密机械也同样容易被卡脖子。
从硅片到芯片，国内外差距逐渐增大
你以为切片之后的单晶硅棒就是传说中的晶圆，可以拿来造芯片了？
并不是。到硅片这个程度，也不过是刚刚进入了芯片制造的门槛。从硅片蜕化成晶圆的过程中，我们还需要对它进行一个重要的步骤：光刻。
▲ 没错，就是光
顾名思义，光刻的意思就是用光来雕刻。但和我们印象中的雕刻不同的是，光刻本身就是一个包含多个步骤的复杂工序，用的也不是普通的光。
▲ 光刻中的硅片
简单地说，光刻是利用光刻胶正胶和负胶的不同光学特性，通过曝光和显影在硅片上刻出光掩膜上预先设计好图形的操作。
当然，说起来容易，实际步骤可是相当复杂。更重要的是，一块硅片需要经过反复光刻，一颗复杂的芯片光是导线层就可能达到20层以上。
而这一步，就需要光刻胶、光掩膜和光刻机共同作用。
光刻机的复杂性，大家应该都有所耳闻，小黑之前也多次写过它在芯片制造领域的重要性。而光刻胶和光掩膜同样有很高的技术门槛。
以光刻胶为例，2020年我国半导体光刻胶需求量有71％是由国外企业满足的，其中KrF光刻胶自给率不足5％，Arf光刻胶和更先进的EUV光刻胶则基本依靠进口。
▲ ASML光刻机内部的紫外光源
在芯片制造的流程中，光刻可以说是基础。正是基础环节的差距，成了卡住我国芯片制造业脖子的第二只大手——而且相比半导体级单晶硅，这是一只更有力、更致命的大手。
完成光刻后，就要进入刻蚀和沉积两个环节了。这两个环节小黑在之前的文章中也有介绍，按下不表。
之后再将元件互连，一块晶圆就此诞生。之后经过检测，接下来要做的就是将其切割、封装。
切割（即划片）这一步骤虽然简单，但同样暗藏玄机。因为相关资料较少，小黑在这里也不多做介绍。
▲ 晶圆划片技术的演进
切割完成之后，这些小小的“芯片本体”还不能直接投入使用，而是要经过另一个重要步骤：封装。
我们可以把芯片的封装看成是微观世界中的“电路活”。在这一步，我们首先需要将芯片附着到基底上，并准确无误地键合两者的接触点。
之后，再安装散热部分和外壳模块，最后经过封装测试，一块芯片就这样诞生了。
▲ 打开CPU的金属盖板并揭开塑封材料，就可以看到本体
在封装测试领域，我国的江苏长电、通富微电、天水华天确实能在市场上占据一席之地，但在整体份额、先进技术方面，我们依然处于追赶者的位置。
特别是在3D封装技术上，我国与世界先进水平还有着很大的差距，只有迎头赶上，才能避免“卡脖子”的第三只手逐渐生成。
芯片制造，想要追赶差距并不容易
事实上，在中兴、华为先后遭遇禁令之前，国内对芯片制造领域的关注度始终不高，人们更关注的是整机、移动互联网等市场更大的领域。
但虽然芯片制造领域的市场规模与之并不是一个量级的，但却牢牢把控着电子产品、整车等行业的命脉。
在这件事情上，不仅华为有话要说，连宝马、理想这样的车企都有话要说。
▲ 网传理想ONE交付方案沟通截图
好在随着人们的关注，我国对芯片制造领域的投入越来越多，一度出现了“有钱无处投”的情况。
不过小黑觉得，要在芯片制造领域迎头赶上，虽然是一件好事，但一定要保持清醒的头脑。
且不论晶圆厂的投建就需要几十、上百亿美元的成本，一台先进制程的光刻机售价也在上亿美元——并且能不能买到还是问题，单说追赶的过程就是一个遥遥无期且成本无上限的过程。
以10nm制程工艺研发为例，台积电的10nm制程工艺从2013年开始研发到2017年初实现量产，经过了近四年的研发历程，其中的投入更是天文数字。
即便有了财力、人力、物力，更先进制程工艺的研发也绝非易事。
同样拥有雄厚实力的英特尔就是很好的例子。开始研发10nm制程工艺的时间，英特尔与台积电相差不远，但由于研发过程中遭遇的种种困难，直到2019年年底，英特尔的10nm制程量产才姗姗来迟。
或许有的小伙伴要问了：哪怕追赶的脚步慢一点，坚持下去还是能赶上的呀。
这个道理本身没有错，但芯片制造领域往往有一个“赢者通吃”的规律。还是以芯片代工领域为例，在先进制程工艺上优势明显的台积电和三星吃下了七成的营收，而之后的格罗方德和联电均因为研发成本高昂放弃了先进制程的研发。
光刻机领域也遵循同一个规律。在2004年以前，尼康始终是光刻机领域的龙头老大，但在研发过程中遇到瓶颈并被阿斯麦尔趁势超越后，短短数年内就跌落到几乎无人问津的地步。
前车之覆，后车之鉴。正是有了这许多的案例，我们才能从中吸取经验教训，用冷静的头脑看待芯片国产化之路。
这是一条前途不明朗、投入十分巨大的路，但小黑觉得，我们依然有必要在这条路上不断探索。如何避免尼康的旧事重演，如何不惧失败、保持希望，将每一笔钱用在刀刃上，是芯片国产化最需要考虑的事情。
图源：Pixabay、维基百科、英特尔官网、百度搜索
