集成电路产业：点石成金之路

5G芯片、光刻机这些名词我们耳熟能详，但如果细问是什么，却说不出个所以然，只知道5G芯片速度很快，光刻机主要用于芯片和集成电路的制造。

芯片是什么，造芯片为什么会这么难？中国芯片为何会有卡脖子的难题？我们又该如何破解这一难题？

芯片是什么

芯片是集成电路的通俗称呼，往往会与半导体放在一起讨论。如果用盖房子来比喻，那么半导体材料就是混凝土，集成电路版图是施工图，芯片则是最后的房子。

半导体是制造电子元器件的基础材料，常见的硅、锗、砷化镓都是半导体材料。 经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件以及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，成为集成电路，所以它是在半导体衬底上各种电子器件的集合。

片上系统芯片SOC（System-On-Chip），是集成电路更为先进的术语。即把整个系统集成到一个芯片上面，一个小芯片就是一个系统。它从刚开始的硅材料，到芯片，最后变成产品。SOC芯片上面往往集成有微处理器（MCU），微处理器还需要软件才能够运行。所以，软件不仅仅是我们日常使用的个人电脑里面运行的程序，也包括芯片内处理器芯片里面底层驱动硬件电路的程序，称为“韧体”(Firmware)。

芯片制造是一个产业链

芯片里面不仅有硬件，还有软件。嵌入式软件（Firmware即韧体）就像关节的韧带，成为软件和硬件的纽带。芯片涉及的不仅是芯片产业，它也是一条完整的产业链，由硅片材料、芯片设计、晶圆加工、测试封装、应用等多个环节组成。

硅片材料：集成电路最根本的就是硅材料，硅材料在地球上属于最为丰富的材料之一。把石头炼成99.999%纯度的硅棒，经过切割和研磨抛光，变成高纯度硅片。

芯片设计：即设计出电路，并转换成为几何图形，就像是摄影，摄取照片或绘制图形，形成照片文件。

晶圆加工：即通过照相底板，把照片印在相纸上。芯片加工非常复杂，需要光刻、刻蚀、蒸发淀积、离子注入等几十道工序，历时50-100天。

测试封装：封装即把整个集成电路的信号连出来，把纳米级的电信号，通过细微的金属连线，方便焊接到电路板上面。

芯片就像一个微观城市，城市里的“房子”包括“门窗”都是纳米尺寸的，连接各家房子的“小巷”“马路”都用纳米单位来衡量。集成电路的设计和制造需要物理、化学、机械等各个学科的知识，将他们融合在一起。集成电路就是一个极为精致的“城市缩影”，每个集成电路都可以称为是人类智慧的结晶。

在芯片的设计和加工过程，包含了很多数学问题。比如，一个集成电路有数亿晶体管的芯片，晶体管之间的连接，用手工一根根连线肯定不行，需要计算机自动去连，这便涉及到数学问题，需要电脑来算。因此这也解释了为什么集成电路这么难，就连设计工具都需要数学家来研究分析，涉及图形学、图论等基础知识。

集成电路是一个庞大的产业群体，各种各样的集成电路，可谓五花八门，手机基带芯片、电视机芯片、GPS芯片、电脑处理器（CPU）芯片、液晶显示器芯片、电子手表芯片，······各个专业既分工又合作，是一个群体战。今天的芯片产业需要我们十万、百万个科技工作者组成完整的产业，覆盖方方面面的应用领域，才能解决我们的问题。

芯片为何如此重要

一颗硅片，做成集成电路以后，按重量计算的话，超过等重量的黄金。因此，芯片产业是一座可以点石成金的“大金矿”，人们通过自己的智慧与不断努力能使得一块小小的硅片萌生出大大的经济效益。

比如英特尔处理器2018年便营收700亿美元，高通手机芯片2018年营收163亿美元；微软从一万亿美元到两万亿美元耗时2年零6个月，英伟达只用了8个月的时间。而整个杭州市的GDP，一年大致在一万亿人民币左右。

芯片是工业的粮食，是信息产业的心脏，信息安全关乎整个产业。各大科技产品的核心部件都需要芯片，大到导弹雷达，小到手机手表都离不开它，芯片还能充当信息仓库的“看门人”。

集成电路是国家战略产业，也是中国海关第一大进口物资，国家对集成电路非常重视，不断提出各项优惠政策来保证它的发展。因此我们需要“中国芯”来保证产业安全，维护自身的信息安全，不能被卡了脖子，不能把日常生活和国防工业领域高度依赖的芯片掌握在外国手里。

目前，芯片能够在一个单位的面积上做几亿个、几十亿个晶体管，未来可能实现几百亿个、几千亿个。晶体管越来越多、越来越密，就意味着芯片的功能越来越强、价格越来越低、速度越来越快、越来越智能化。

发展新质生产力就要高质量生产，科技型企业家不是做一个企业，而是要引领出一个产业。浙江有丰厚的资本土壤，地理位置优越，高校林集，我们要以杭州“天堂硅谷”发展集成电路，将集成电路的硬件与人工智能的软件匹配起来，将杭州“天堂硅谷”真正落到实地。

科普专家：骆建军，浙江省特级专家，杭州华澜微电子股份有限公司创始人、董事长，深耕微电子集成电路领域，在光纤通信、计算机总线、数据存储、数据安全等方面都取得了不菲的科技成果。

本文内容根据浙江省科普联合会新质学堂首期《“芯”路历程》整理