此时此刻或许你的手机刚好刷到这篇文章,或许是华为、或许是苹果、也或者是小米、OV等,但是你知道吗?这些手机的芯片基本都是由台积电或者三星制造出来的。
很多不禁问,为什么顶级手机芯片都是由台积电、三星制造的呢?没有第三家吗?
这个还真没有!一起来看看为什么吧!
制造芯片真的很难,没有足够的实力是绝不可能造出先进的芯片的
芯片是一种极其复杂的工艺,制造芯片就是在挑战物理极限,把晶体管无限的缩小,在固定空间内放入更多的晶体管。
看似薄薄的芯片其实绝对不是你想想的那样简单,芯片中的晶体管也是叠加了无数层,就像一幢幢高楼例如:存储芯片普遍达到了64层,高端的已经达到了128层,工艺越来越复杂,电路搭错的几率就会越高,因此就要求极高的精密度和极高的制作工艺。
芯片制造的过程:
清洗硅片;目的是确保硅片清洁无污染、无针孔、缺陷,且利于光刻胶粘附,采用电镀和去离子液来清洗;预烘和底胶涂覆;目的是为了增强光刻胶和晶圆表面的黏附性;光刻胶涂覆与烘干;对准;一项非常重要的操作,对精度要求极高,例如: 5am线宽尺寸 要求对准精度在1am 左右;曝光;使用特殊的光线对掩模与待加工基片的光刻胶层进行选择性的照射,光刻胶中的感光剂会发生光化学反应,从而使感光区域和非感光区的化学成分发生化学反应变化。显影;曝光结束后加入显影液,正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区,会溶解于显影液中,光刻胶层中的图形就可以显现出来了;刻蚀或离子注入;刻蚀过程中出现失误,将造成难以恢复的硅片报废,因此必须进行严格的工艺流程控制,半导体器件的每一层都会经历多个刻蚀步骤;光刻胶的去除;一种采用等离子、特殊溶剂、等方法去除光刻胶的过程。
制作芯片对精密度要求是非常高的,就像在一颗大米粒上雕刻一张清明上河图,而且这颗大米还是一直在移动,而且要求机械动作误差为皮秒(百万分之一秒)。
而且芯片的制造并不是一遍就可以完成的,大都是几百次、甚至是几千次的反复制作,才能够完成。这种挑战物理极限的工艺难度是可想而知的。
这种技术需要庞大的资金支持,而且要持续地投入,来确保领先对手。因此没有足够实力的公司很快就会被淘汰。
除了庞大的资金支持,技术也是非常必要的。
台积电和三星的制造技术是如何来的呢?
台积电的成功很大程度上得益于创始人张忠谋。
张忠谋1931年出生于浙江宁波,毕业于斯坦福大学电机系,台湾积体电路制造公司创始人,被外界称为“芯片大王”。先后出任德州仪器公司副总裁、台湾工业技术研究院院长,后创建全球第一家专业代工公司——台湾积体电路制造公司。6月5日,正式退休。
1931年,张忠谋出生在浙江宁波,虽然那时候处于最艰苦的岁月,但是他从来没有放弃学业。经过艰苦的努力,18岁的张忠谋考上了美国的著名学府–哈佛大学,成为了当时哈佛大学唯一的中国人。
一年后,张忠谋做出了惊人的决定—转学到麻省理工学院专攻机械工程。并于1952年获得了麻省理工学院机械工程硕士学位。
毕业后,张忠谋进入了德州仪器工作,时间张忠谋在半导体行业中打拼得有声有色,更在德州仪器公司做到了集团副总裁及半导体集团总经理的职位。不仅如此不服输的张忠谋还获得了斯坦福大学电机系博士学位。
随后,张忠谋离开德州仪器,开始回国创业,于是全球第一家专业代工公司–台湾积体电路制造公司诞生了。
可以说,台积电在创立之初就有很强的技术支持和管理经验。
当然万事开头难,台积电一开始也并不被看好,尤其是面对三星、英特尔、摩特罗拉这些巨头。
1988年张忠谋通过私人交情得到了英特尔的订单的同时也获得第一项专利进而成立北美子公司,这才让台积电从绝望中重新振作起来。紧接着1990年首次获得国际级半导体企业的质量认可,订单从这时起得到了稳步上升。
当时,台湾正在快速地发展,天时地利人和,台积电获得了巨大的成功。
,台积电的毛利率超越了其他同行;2001年28nm技术突破,成为了第一家突破28nm技术的企业;随后10nm、7nm、5nm技术都是世界领先。
这些技术的领先,大部分源于台积电拥有专业团队,尤其是创始人张忠谋,从美国学习了先进的知识,技术和管理经验。
三星的芯片技术又是如何来的呢?
向日本东芝“学习”新技术:
东芝
1983年 ,三星建立了第一个芯片工厂,成功开发出韩国第一个64K DRAM 芯片。而那时的日本半导体刚刚经历了飞速发展,做到了世界第一。三星电子开始频繁接触日本东芝公司。
1986年三星成功邀请到东芝半导体事业部部长川西刚。之后,三星被获准参观了东芝的芯片工厂,设备配置等,三星却趁机挖走了管辖生产线的生产部长,建设了一个和大分工厂相同构造的工厂。
很快,三星就开发了256位芯片、486位芯片,并正式进入全球芯片市场的竞争中。
90年代日本金融危机爆发,日本经济受到严重的冲击,半导体产业也遭到巨大的打击,业绩下滑,产品销售不畅,职工薪酬问题等等纷纷冒出来。
于是三星再次看到机会,开始趁机挖走日本的半导体人才,还搞出了《人才活用计划》,通过高薪、配套的服务,获得了大量的技术、设备、甚至是情报。
此后三星开始在芯片领域急速发展,成为了半导体领域最大的一匹黑马。
梁孟松带领三星电子进入14nm时代
,台积电人事变动,技术大拿梁孟松受到降职打压,骄傲的梁孟松愤而辞职,离开了台积电。
三星看到了机会后,开出了年薪3000万人民币的天价,邀请梁孟松入职,三星会长李健熙亲自接见梁孟松,更是把他赞为“芯片界的比尔盖茨”,梁孟松被“感动的一塌糊涂”,决意在三星重新闯出一片天地。
梁孟松加入三星后,对三星半导体进行了大刀阔斧的改革,并与台积电展开了激烈的竞争。梁孟松力排众议,主张放弃已经跟不上节奏的20nm制程,直接由28nm制程升级到14nm。
,三星完成了了14nm工艺,而此时的台积电还是16nm技术,三星一举超越了台积电成为了世界第一。之后三星不断蚕食台积电的市场份额,并且成功地获得了苹果和高通的大单。
之后台积电将三星告上法庭,理由是梁孟松将技术泄露给三星,之后梁孟松离开三星,辗转去了中芯国际。
而三星在失去了技术大咖加持后,迭代逐渐放缓,尽管制作工艺也达到了5nm,但是市场份额被台积电抢走大半。
三星的关键技术得益于日本东芝和台积电离职的梁孟松,加上自身的努力,同样成为了芯片代工领域的顶级企业。
除了技术外,还需要一种必备的设备——光刻机
芯片制造的核心设备是光刻机,最先进的EUV光刻机不是你有钱就能买到的
芯片制造离不开一款精密设备—光刻机
ASML生产的 光刻机
EUV光刻机制造难度极高,基本代表人类科学技术、工业制造的最高成果。其中难度最大的是镜头和光源。
光刻机的镜头采用蔡司技术,蔡司是德国历史悠久的光学仪器厂商,其产品向来是“高贵”的代名词。同样的一个镜片,不同工人打磨,光洁度相差十倍。镜片材质均匀,更需要几十年甚至上百年的技术沉淀。
光刻机的光源使用波长极短的极紫外光,该技术是使用激光产生等离子源产生13nm的紫外波长。这种光源工作在真空环境下,产生紫外波长,然后由光学聚焦形成光束,光束经由用于扫描图形的反射掩膜版反射,由于极紫外光的固有特性,产生极紫外光的方式十分低效。能源转换效率只有 0.02% 左右。
而光刻机要做的事情,要比在一粒米上雕刻清明上河图还要难,机械动作误差为皮秒(百万分之一秒),而且要在恒温、恒湿、真空中操作,这些基本都是挑战人类极限的工作。
世界上最先进的光刻机是由荷兰ASML生产的EUV光刻机,而且是100%的垄断,也就是说没有这种光刻机,是无法制造出顶级芯片的。价格约为1.6亿欧元每台,折合人民币约12.5亿元,关键是有钱还不一定能够买到。
荷兰ASML的光刻机不卖给中国,那么这些光刻机都卖给了谁呢?
一半卖给了台积电,另一半则是卖给了三星和英特尔。
ASML公司一共生产了26台EUV光刻机,其中一半是台积电买走了,而英特尔三星则承包了另一半。
台积电为什么要买一半的光刻机呢?
当然是为了卡住其他公司,防止竞争对手超越自己,因为ASML每年光刻机的产量极其有限。台积电,三星英特尔等公司都是他的主要客户以及股东,按照协议,这些股东是有购买设备的优先权的。那么,没货了,其他想购买光刻机的公司就不能这么及时有效地将光刻机买走了。这也是一种竞争手段,尽管不太光彩。
EUV光刻机是多个国家合力的结果,仅凭荷兰是无法制造出来的,美国、德国、日本等都提供了技术支持,这也就是为什么美国可以让ASML拒绝向中国提供EUV光刻机的原因。
看到这里,网友不禁问:中国有没有制造芯片和光刻机的企业呢?
答案是有!
中芯国际就是中国制造芯片的企业,上海微电子就是国产光刻机制造企业。但是与国际上先进的技术还有些差距。
中国的中芯国际+上海微电子与台积电+ASML差距有多大呢?为什么制造不出顶级芯片呢?中芯国际
2000年4月3日,张汝京筹集了14亿美元资金在开曼群岛注册了中芯国际(SMIC),并把公司地址定在上海。同年8月1日,中芯国际在上海浦东新区张江高科技园区打下第一根桩,12月21日,中芯国际在上海正式成立,中国自己的芯片制造企业诞生了。
2001年9月25日,中芯国际第一片0.25微米产品上线生产。
中芯国际开始与国际巨头合作,先是和日本东芝签署技术授权和代工协议,接着又与摩托罗拉签署长期战略合作协议,同年设立了天津分公司。,中芯国际就在美国、香港上市,成为了世界领先的半导体制造企业。
快速发展的中芯国际,招来了同行的嫉妒与竞争,其中就有一个对手叫—台积电。
,台积电起诉中芯国际侵害其专利技术。台积电指称:中芯国际通过延揽台积电员工——数量超过100人,要求部分人员为其提供台积电商业秘密,要求对中芯国际判处禁令,并支付10亿美元赔偿。
台积电通过起诉中芯国际侵害专利技术,最终导致中芯国际内部人事动荡,公司创始人张汝京被迫离职,公司出现了5年的连续亏损。
此后几年中芯国际调整了公司战略,不再专注于工艺制程的提高,而是注重公司内部的管理,其实是由于管理层动荡,被迫放慢了发展脚步。
2月13日,中芯国际与国家集成电路基金合作,获得了30亿元的融资。这笔资金除了公司日常经营,还债之外,还有一个重要任务,就是“攻克14nm技术”。
曾在台积电任职的梁孟松也加入中芯国际,梁孟松曾在台积电担任主管技术的处长,号称“技术狂人”,自此中芯国际在工艺上突飞猛进,并于末,实现了14纳米工艺技术。
其实中芯国际和台积电的技术很有渊源,创始人张汝京同样有过美国留学的经历,也曾在德州仪器公司任职,也在台湾创建了芯片代工公司。后来创建的中芯国际很多管理层和技术人员都是台湾人,后来的CEO梁孟松也曾是台积电公司的技术大咖,号称“技术狂人”。
毫不夸张地说,在中国这片热土上,凭借中芯国际的技术经验,如果有EUV光刻机的加持,超越台积电也只是时间问题。
但关键是没有EUV光刻机啊!
目前最高端的国产光刻机是上海微电子公司制造的,工艺制程为90nm,在国内市场份额超过80%,并且也销往国外。
上海微电子制造的光刻机和荷兰ASML的EUV光刻机相比,却处于低端序列,根本无法制造手机芯片,这也是华为麒麟芯片被“卡脖子”的一大原因。
目前光刻机可以分为三个档次:
荷兰ASML垄断了高端光刻机市场,代表作:EUV光刻机;日本尼康和佳能占据了中端光刻机市场,止步于28nm;上海微电子只能占据低端光刻机市场,90nm光刻机。
目前偶国的光刻机水平处于市场最底端,和日本都有差距,和荷兰ASML差距则更大。
最先进的EUV光刻机,在台积电的生产技术下,已经成功量产5nm芯片,苹果A14、麒麟9000已然应用于手机上,3nm工艺制程也在试验阶段,上海微电子的90nm工艺与ASML的5nm工艺相差5代。
芯片制造技术落后几年,光刻机相差5代,这就是偶国芯片制造领域的处境,也是为什么华为的麒麟芯片无法代工的根本原因。
问答总结
目前高通、麒麟、苹果的最新芯片都是台积电或者三星来生产的,没有第三家。从技术上来看,台积电第一,三星电子第二,排在第三位的是英特尔。
英特尔目前的工艺水平在10nm左右,而且仅为自己的电脑芯片提供制造服务。
而偶国的中芯国际目前工艺水平在14nm左右,真的没有能力为高通、华为、苹果代工芯片。由于制造技术和制造设备的原因,这种格局还会持续数年。
偶是科技铭程,以上是偶的回答,希望可以帮到您,如有不妥之处,敬请批评指正!