半導(dǎo)體知識(shí)及芯片發(fā)展史（深度）
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2023-12-08
來(lái)源：工程師
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1、重溫半導(dǎo)體飛速發(fā)展的半個(gè)世紀(jì)
什么是半導(dǎo)體？
半導(dǎo)體主要由四個(gè)組成部分組成：集成電路、光電器件、分立器件、傳感器，由于集成電路又占了器件 80% 以上的份額，因此通常將半導(dǎo)體和集成電路等價(jià)。
集成電路按照產(chǎn)品種類又主要分為四大類：微處理器，存儲(chǔ)器，邏輯器件，模擬器件。通常我們統(tǒng)稱他們?yōu)樾酒?/span>
提起芯片，很多人可能見(jiàn)過(guò)，就是一塊黑色類似于小盒子的東西，它是由晶體管組成的。
什么是晶體管呢？
嚴(yán)格意義上講，晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件，包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅等。晶體管有時(shí)多指晶體三極管。
所以我們可以知道：由半導(dǎo)體材料制造出了晶體管，由晶體管組成了芯片。
2、晶體管的誕生
晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到 1929 年，當(dāng)時(shí)工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，制造晶體管的材料達(dá)不到足夠的純度，而使其無(wú)法制造出來(lái)。
1947 年 12 月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。
1956 年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。肖克利也被譽(yù)為晶體管之父。
芯片有如此強(qiáng)大的功能，為什么晶體管可以勝任呢？
我們知道對(duì)于數(shù)字電路來(lái)講，邏輯是其精髓所在，所有的功能歸根結(jié)底，都可以說(shuō)是邏輯功能。而邏輯的基本構(gòu)成元素是邏輯 0 和邏輯 1。
而晶體管恰好具備這種功能--通過(guò)電信號(hào)來(lái)控制自身開(kāi)合，以開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合來(lái)代表 0 和 1。
3、歷史中的八卦
當(dāng)然，一味的講原理或者講歷史就沒(méi)意思了，我們來(lái)挖掘半導(dǎo)體發(fā)展過(guò)程中的八卦。
前面有提到過(guò)，被譽(yù)為「晶體管之父」的肖克利，出生于倫敦，三歲時(shí)隨父母漂洋過(guò)海來(lái)到加州。受父母對(duì)他科學(xué)思想的灌輸，考入 MIT，隨后獲得固體物理學(xué)博士，留校任教。
后來(lái)，被位于新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室副主任凱利來(lái)麻省「挖墻角」，將肖克利挖走了。當(dāng)晶體管發(fā)明成功后，肖克利并不滿足，他依然進(jìn)行著不斷地嘗試，希望發(fā)明性能更好的晶體管，并將其商品化。
與此同時(shí)，高純硅的工業(yè)提煉技術(shù)已成熟，用硅晶片生產(chǎn)的晶體管收音機(jī)也問(wèn)世。在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的肖克利坐不住了，他看到了未來(lái)的商機(jī)，而現(xiàn)在只能看著貝爾實(shí)驗(yàn)室拿他的發(fā)明賺錢，并且晶體管的性能不穩(wěn)定有損個(gè)人聲譽(yù)。
最后，矛盾爆發(fā)了！當(dāng)然最終還是因?yàn)槔妗?/span>
4、硅谷誕生
1955 年，肖克利回到了自己的家鄉(xiāng)圣克拉拉（Santa Clara）谷，并得到了貝克曼的支持，創(chuàng)辦了自己的公司。
圣克拉拉位于舊金山灣區(qū)南部，地理位置優(yōu)越環(huán)境優(yōu)美，氣候清新宜人，交通便利。從此，這一片狹長(zhǎng)的山谷舉世聞名。
肖克利在創(chuàng)辦了自己的公司后，依靠自身的威望，很快招到了一批學(xué)識(shí)淵博，技術(shù)過(guò)硬的人才。此時(shí)，我們仿佛看到一家半導(dǎo)體商業(yè)巨頭正要崛起，屹立于世界之巔，但是，總有意外發(fā)生。
硅谷八叛將。
肖克利雖然是一個(gè)聰明絕頂?shù)奶觳牛珔s不是一個(gè)好的管理者。在公司發(fā)展方向上，幾乎由他一人掌控，專橫獨(dú)裁，而且他不知道自身的缺陷，也不接受同事的合理化建議，最終導(dǎo)致公司在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都沒(méi)有產(chǎn)品做出來(lái)。
在同事關(guān)系上，他忽略了最重要的兩點(diǎn) -- 尊重與信任，肖克利通過(guò)各種辦法，牢牢的將技術(shù)專利掌握在自己的手中，這種自私自利的管理方式，終將會(huì)讓公司走向沒(méi)落。
1957 年 9 月 18 日，以諾伊斯為首的八位年輕人憤然提出離職，肖克利得知后勃然大怒，罵其曰「八叛逆」（Traitorous Eight）。
硅谷八叛將分別為：諾依斯（N. Noyce）、摩爾（R.Moore）、布蘭克（J.Blank）、克萊爾（E.Kliner）、赫爾尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、羅伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）
5、傳奇的仙童
很快，這八個(gè)人就拿到了一筆風(fēng)險(xiǎn)投資，投資人是具有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的謝爾曼·菲爾柴爾德，成立了仙童半導(dǎo)體（Fairchild），公司是以投資人命名。
公司由謝爾曼·菲爾柴爾德控股，管理人為諾伊斯。在新型的管理模式下，仙童半導(dǎo)體快速發(fā)展，不到半年的時(shí)間里就已經(jīng)開(kāi)始盈利。
與此同時(shí)，仙童的兩項(xiàng)發(fā)名專利，更使其立于世界的半導(dǎo)體之：一，是平面工藝，是一種制造半導(dǎo)體電路的工藝方法，發(fā)明人為約翰·霍爾尼（Jean Hoerni）。
另一個(gè)發(fā)明專利便是集成電路。
顧名思義，集成電路就是用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上。
1958 - 1959 年，來(lái)自仙童的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）發(fā)明了硅集成電路。事實(shí)上，在早些時(shí)候，來(lái)自德州儀器的杰克·基爾比（Jack Kilby）發(fā)明了鍺集成電路。由于兩人在同一年獨(dú)立且不知情的情況下分別發(fā)明了集成電路，所以兩人共享集成電路發(fā)明者的榮譽(yù)。
現(xiàn)在，在我們眼里看來(lái)，把多個(gè)電路集成到一起而減少面積是個(gè)自然而然的事情，然后這個(gè)簡(jiǎn)單的想法，卻改變了我們的世界。很多偉大的發(fā)明，往往源自一個(gè)很簡(jiǎn)單的想法。也許，即使沒(méi)有這兩位，依然有人會(huì)想到這個(gè)點(diǎn)子，但是歷史只會(huì)記住最先吃螃蟹的人。
此時(shí)的仙童半導(dǎo)體公司風(fēng)光無(wú)限，而半導(dǎo)體行業(yè)在那時(shí)宛若一個(gè)巨大的金礦，任憑仙童肆意挖掘。而仙童的股權(quán)大部分都在投資人謝爾曼·菲爾柴爾德的手里，與此同時(shí)，仙童半導(dǎo)體公司的利潤(rùn)被不斷轉(zhuǎn)移到東海岸，去支持 Fairchild 攝影器材公司，此時(shí)仙童的員工開(kāi)始坐不住了，開(kāi)始了新一輪的離職創(chuàng)業(yè)潮。
6、花開(kāi)遍地
1968 年，諾依斯（N. Noyce）和摩爾（R.Moore）從仙童離職后創(chuàng)辦了我們所熟知的英特爾（Intel），這里的摩爾就是我們所熟知的摩爾定律的提出者。摩爾定律：集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目，每隔 18 個(gè)月就翻一倍。
1969 年，杰里·桑德斯（J. Sanders）當(dāng)時(shí)在仙童擔(dān)任銷售部的主任，帶著 7 位仙童員工創(chuàng)辦 AMD。
還有許多我們所熟知的公司，比如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（現(xiàn)已被 TI 收購(gòu)），Altera（現(xiàn)已被英特爾收購(gòu)）等的創(chuàng)始人都出自仙童半導(dǎo)體公司。
正如江湖流傳的蘋(píng)果公司喬布斯形象比喻的那樣：「仙童半導(dǎo)體公司就像個(gè)成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風(fēng)四處飄揚(yáng)了?！?/span>
隨后，英特爾， TI，三星等巨頭開(kāi)始在世界的舞臺(tái)大放異彩！
在處理器（CPU）領(lǐng)域，英特爾的發(fā)展史代表了處理器的發(fā)展史。
1971 年，英特爾推出了它的第一款處理器：4004，這是一款 4 位的處理器，僅包含 2300 個(gè)晶體管，現(xiàn)在來(lái)看，這款處理器簡(jiǎn)直就是個(gè)小弱，但它的誕生意義重大，實(shí)現(xiàn)了從 0 到 1 的突破。
1978 年，英特爾推出了一款 16 位的處理器：i8086。1979 年，英特爾又推出了 8088，8088 是第一個(gè)成功應(yīng)用于個(gè)人電腦的CPU。1982 到 1989 年，期間又陸續(xù)推出了 80286、80386、80486 微處理器。1993 年奔騰處理器橫空出世，2005 年酷睿走進(jìn)大眾的視野，酷睿 i3、i5、i7成為 PC 的主流。
英特爾，AMD 主要做 PC，服務(wù)器的芯片。對(duì)于現(xiàn)在炙手可熱的智能手機(jī)，處理器的競(jìng)爭(zhēng)則更為激烈。蘋(píng)果、三星、高通一直占領(lǐng)著高端機(jī)的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)近幾年半導(dǎo)體業(yè)強(qiáng)勢(shì)崛起，海思，展訊可謂國(guó)內(nèi)的代表。
縱觀過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，半導(dǎo)體的迅猛發(fā)展為我們的科技爆炸提供了基礎(chǔ)。當(dāng) 10 nm 的芯片已經(jīng)商用，7nm、5nm 制程已經(jīng)接近極限的情況下，摩爾定律似乎已經(jīng)開(kāi)始走向終點(diǎn)，半導(dǎo)體下一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在哪里，我們還不能確定，但目前量子技術(shù)的發(fā)展似乎給我們指明了方向。
隨著量子通信，量子糾纏等新鮮詞語(yǔ)開(kāi)始出現(xiàn)在我們的視野中，量子芯片也橫空出世，與傳統(tǒng)芯片用 0 和 1 進(jìn)行運(yùn)算處理不同，量子芯片具備多個(gè)量子位，而不是再只有 0 和 1 兩種邏輯狀態(tài)，這樣使得芯片的運(yùn)算能力成指數(shù)增長(zhǎng)，從而突破摩爾定律的限制。
回顧半導(dǎo)體發(fā)展的輝煌歷史，也在一定程度上代表了人類的文明史。如果說(shuō)機(jī)械的發(fā)展解放了人類的勞動(dòng)力，那么半導(dǎo)體的發(fā)展則解放了人類的計(jì)算力。而且半導(dǎo)體的發(fā)展勢(shì)頭絕不會(huì)就此停歇，必將隨著科技的發(fā)展大放異彩，對(duì)我們每個(gè)人來(lái)講，未來(lái)的半導(dǎo)體，未來(lái)的世界，值得我們期待。
7、中國(guó)的芯片制造究竟處在什么水平？
總結(jié)幾個(gè)關(guān)鍵詞：發(fā)展很快，落后兩代，技術(shù)受限，產(chǎn)品低端。
總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)的芯片制造技術(shù)在快速發(fā)展，同時(shí)存在工藝落后、產(chǎn)能不足、人才緊缺等問(wèn)題。
中國(guó)集成電路行業(yè)共分芯片封裝、設(shè)計(jì)、制造三部分，總體呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)狀態(tài)。2004 年至 2017 年，年均增長(zhǎng)率接近 20%。2010 至 2017 年間，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 20.82%，同期全球僅為 3% - 5%。
但是另一方面，中國(guó)集成電路制造工藝落后國(guó)際同行兩代，預(yù)計(jì)現(xiàn)在中國(guó)可完成 14 nm 級(jí)產(chǎn)品制造，同期國(guó)外可完成 7 nm 級(jí)產(chǎn)品制造。
高端芯片產(chǎn)能嚴(yán)重不足，50% 的芯片依賴進(jìn)口，同時(shí)中國(guó)的產(chǎn)能和需求之間結(jié)構(gòu)失配，實(shí)際能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品，與市場(chǎng)需求不匹配，長(zhǎng)期的代工模式導(dǎo)致設(shè)計(jì)能力和制造能力失配、核心技術(shù)缺失。
投資混亂、研發(fā)投入和人才不足等問(wèn)題，導(dǎo)致中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)目前總體還處于「核心技術(shù)受制于人、產(chǎn)品處于中低端」的狀態(tài)，并且在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法根本改變。
再具體一點(diǎn)的，數(shù)字電路部分的芯片設(shè)計(jì)我們還可以趕上來(lái)，但是在模擬電路部分，我們的晶振、AD 采集卡等產(chǎn)品的精度還不夠高，積累得還不夠，核心技術(shù)還沒(méi)有把握到手里。
8、國(guó)內(nèi)缺少關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)
有三大主要關(guān)鍵技術(shù)或者說(shuō)流程上有三大節(jié)點(diǎn)，「EDA、芯片設(shè)計(jì)、芯片制造」，最后才是封裝測(cè)試。 這三個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，缺一不可并且每一個(gè)環(huán)節(jié)都是被卡脖子的對(duì)象，我們先看一下三個(gè)領(lǐng)域里的公司分布。 EDA（Electronics Design Automation），是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，處于芯片產(chǎn)業(yè)鏈上游的子行業(yè)。它就相當(dāng)于設(shè)計(jì)房子時(shí)所用到的 CAD 軟件，有了 EDA 才能對(duì)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，舉個(gè)例子，如果你想寫(xiě)字 EDA 就如同一支筆。 全球著名的 EDA 廠商有：
- 美國(guó)的新思科技（Synopsys）；
- 美國(guó)的楷登電子科技（Cadence）；
- 2016 年，被德國(guó)西門子收購(gòu)的明導(dǎo)國(guó)際（Mentor Graphics）。
這三家公司是業(yè)內(nèi)主流，并瓜分了 70% 以上的市場(chǎng)份額。
9、芯片設(shè)計(jì)
1. 華為海思
毫無(wú)疑問(wèn)海思已經(jīng)是芯片巨頭。猶記得曾經(jīng)在海思辦公室呆了一段時(shí)間，印象深刻。
在2020年Q1的全球半導(dǎo)體 TOP10 榜單出現(xiàn)了兩個(gè)「新面孔」，分別是華為海思（HiSilicon）和英偉達(dá)（Nvidia）。但是海思 90％ 以上銷售額都來(lái)自母公司華為的內(nèi)部采購(gòu)，應(yīng)用到了自家的產(chǎn)品上。
而麒麟 9000 系列處理器和高通驍龍 865 比起來(lái)也不遑多讓。當(dāng)然，臺(tái)積電無(wú)法為海思代工對(duì)其打擊巨大。
2. 紫光展銳
紫光展銳是有展訊和銳迪科合并而來(lái)，隸屬于紫光集團(tuán)。
紫光展銳是我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)，最近公司進(jìn)軍 5G 和 AI 領(lǐng)域，擁有超過(guò)超過(guò) 3700 個(gè)專利，每年出貨芯片量超 15 億顆。目前看起來(lái)展銳緊跟時(shí)代方向，但成為巨頭還有很長(zhǎng)的一段路要走。
3. 中興微電子
中興微電子在全球設(shè)有多個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)，研發(fā)人員超過(guò) 2000 人。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，中興微電子掌握了國(guó)際一流的 IC 設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，擁有先進(jìn)的 EDA 設(shè)計(jì)平臺(tái)、COT 設(shè)計(jì)服務(wù)、開(kāi)發(fā)流程和規(guī)范。
目前中興微電子已申請(qǐng)的芯片專利超過(guò) 4000 件，其中 PCT 國(guó)際專利超過(guò) 1800 件，5G 芯片專利超過(guò) 200 件。
4. 聯(lián)發(fā)科MTK
聯(lián)發(fā)科總部位于臺(tái)灣，在上海北京蘇州等多地有分公司，主要產(chǎn)品包含手機(jī)CPU，無(wú)線通信以及多媒體等芯片。因?yàn)槠銫PU主打中低端市場(chǎng)，基本用在2000元以下的手機(jī)上。
5. 寒武紀(jì)
寒武紀(jì)是國(guó)內(nèi)AI芯片第一股，頗受資本青睞，已經(jīng)完成了5輪融資，海思和展銳也是其客戶。
7. 平頭哥
平頭哥是阿里巴巴收購(gòu)中天微后成立的半導(dǎo)體公司，2019年7月25日，發(fā)布了第一個(gè)成果，基于RISC-V的處理器 IP 核玄鐵 910，其可用于設(shè)計(jì)制造高性能端上芯片，應(yīng)用于 5G、人工智能以及自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。
其余行業(yè)內(nèi)比較優(yōu)秀的公司還有，華大半導(dǎo)體，豪威科技，比特大陸，瀾起科技，長(zhǎng)江存儲(chǔ)，大唐微電子，海康威視等，都發(fā)展的不錯(cuò)。
10、芯片制造
1. 臺(tái)積電
臺(tái)積電就不多說(shuō)了，妥妥的巨頭。
2. SMIC
SMIC 第一代 14 nm FinFET 技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，并于 2019 年第四季度進(jìn)入量產(chǎn)，代表了中國(guó)大陸自主研發(fā)集成電路的最先進(jìn)水平。當(dāng)然和第一梯隊(duì)的臺(tái)積電，三星和 Intel 有一定的差距，但是 14nm 也足夠優(yōu)秀了。
3. 三星
三星同樣是世界級(jí)的芯片制造商，和臺(tái)積電二者幾乎壟斷了高端芯片制造市場(chǎng)。
所以從以上分析來(lái)看，芯片的幾大環(huán)節(jié)，EDA - 芯片設(shè)計(jì) - 芯片制造，到封測(cè)與國(guó)際水平對(duì)比，差距最小的是封測(cè)，其次是設(shè)計(jì)。
差距最大的是芯片制造和 EDA，目前三星、臺(tái)積電商用芯片 7nm 已經(jīng)投入使用， 5 nm 正在路上。而 EDA 也基本被 Synopsys，Cadence，Mentor 三家壟斷。
對(duì)于華為而言，只是擁有了設(shè)計(jì)能力，這也是被卡脖子的原因，簡(jiǎn)單理解就是，華為目前擁有世界頂級(jí)的芯片設(shè)計(jì)能力，但沒(méi)法生產(chǎn)，就像建筑師擁有一套非常厲害的設(shè)計(jì)圖紙，但沒(méi)辦法蓋房子一樣。 了解這些，可以幫助我們進(jìn)一步了解，華為在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)推出后，為什么還會(huì)有巨大風(fēng)險(xiǎn)的原因。
國(guó)內(nèi)芯片發(fā)展自主之路，任重而道遠(yuǎn)：
來(lái)源：《半導(dǎo)體「芯片」的發(fā)展史》
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