半导体知识及芯片发展史（深度）

1、重温半导体飞速发展的半个世纪

什么是半导体？

半导体是导电性介于导体和绝缘体中间的一类物质。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到 20 世纪30 年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体主要由四个组成部分组成：集成电路、光电器件、分立器件、传感器，由于集成电路又占了器件 80% 以上的份额，因此通常将半导体和集成电路等价。

集成电路按照产品种类又主要分为四大类：微处理器，存储器，逻辑器件，模拟器件。通常我们统称他们为芯片。

提起芯片，很多人可能见过，就是一块黑色类似于小盒子的东西，它是由晶体管组成的。

什么是晶体管呢？

严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。

所以我们可以知道：由半导体材料制造出了晶体管，由晶体管组成了芯片。

2、晶体管的诞生

晶体管的发明，最早可以追溯到 1929 年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是，限于当时的技术水平，制造晶体管的材料达不到足够的纯度，而使其无法制造出来。

1947 年 12 月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。

1956 年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。肖克利也被誉为晶体管之父。

芯片有如此强大的功能，为什么晶体管可以胜任呢？

我们知道对于数字电路来讲，逻辑是其精髓所在，所有的功能归根结底，都可以说是逻辑功能。而逻辑的基本构成元素是逻辑 0 和逻辑 1。

而晶体管恰好具备这种功能--通过电信号来控制自身开合，以开关的断开和闭合来代表 0 和 1。

3、历史中的八卦

当然，一味的讲原理或者讲历史就没意思了，我们来挖掘半导体发展过程中的八卦。

前面有提到过，被誉为「晶体管之父」的肖克利，出生于伦敦，三岁时随父母漂洋过海来到加州。受父母对他科学思想的灌输，考入 MIT，随后获得固体物理学博士，留校任教。

后来，被位于新泽西州的贝尔实验室副主任凯利来麻省「挖墙角」，将肖克利挖走了。当晶体管发明成功后，肖克利并不满足，他依然进行着不断地尝试，希望发明性能更好的晶体管，并将其商品化。

与此同时，高纯硅的工业提炼技术已成熟，用硅晶片生产的晶体管收音机也问世。在贝尔实验室工作的肖克利坐不住了，他看到了未来的商机，而现在只能看着贝尔实验室拿他的发明赚钱，并且晶体管的性能不稳定有损个人声誉。

最后，矛盾爆发了！当然最终还是因为利益。

4、硅谷诞生

1955 年，肖克利回到了自己的家乡圣克拉拉（Santa Clara）谷，并得到了贝克曼的支持，创办了自己的公司。

圣克拉拉位于旧金山湾区南部，地理位置优越环境优美，气候清新宜人，交通便利。从此，这一片狭长的山谷举世闻名。

肖克利在创办了自己的公司后，依靠自身的威望，很快招到了一批学识渊博，技术过硬的人才。此时，我们仿佛看到一家半导体商业巨头正要崛起，屹立于世界之巅，但是，总有意外发生。

硅谷八叛将。

肖克利虽然是一个聪明绝顶的天才，但却不是一个好的管理者。在公司发展方向上，几乎由他一人掌控，专横独裁，而且他不知道自身的缺陷，也不接受同事的合理化建议，最终导致公司在很长一段时间里都没有产品做出来。

在同事关系上，他忽略了最重要的两点 -- 尊重与信任，肖克利通过各种办法，牢牢的将技术专利掌握在自己的手中，这种自私自利的管理方式，终将会让公司走向没落。

1957 年 9 月 18 日，以诺伊斯为首的八位年轻人愤然提出离职，肖克利得知后勃然大怒，骂其曰「八叛逆」（Traitorous Eight）。

硅谷八叛将分别为：诺依斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）

5、传奇的仙童

很快，这八个人就拿到了一笔风险投资，投资人是具有远见卓识的谢尔曼·菲尔柴尔德，成立了仙童半导体（Fairchild），公司是以投资人命名。

公司由谢尔曼·菲尔柴尔德控股，管理人为诺伊斯。在新型的管理模式下，仙童半导体快速发展，不到半年的时间里就已经开始盈利。

与此同时，仙童的两项发名专利，更使其立于世界的半导体之：一，是平面工艺，是一种制造半导体电路的工艺方法，发明人为约翰·霍尔尼（Jean Hoerni）。

另一个发明专利便是集成电路。

顾名思义，集成电路就是用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上。

1958 - 1959 年，来自仙童的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）发明了硅集成电路。事实上，在早些时候，来自德州仪器的杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了锗集成电路。由于两人在同一年独立且不知情的情况下分别发明了集成电路，所以两人共享集成电路发明者的荣誉。

现在，在我们眼里看来，把多个电路集成到一起而减少面积是个自然而然的事情，然后这个简单的想法，却改变了我们的世界。很多伟大的发明，往往源自一个很简单的想法。也许，即使没有这两位，依然有人会想到这个点子，但是历史只会记住最先吃螃蟹的人。

此时的仙童半导体公司风光无限，而半导体行业在那时宛若一个巨大的金矿，任凭仙童肆意挖掘。而仙童的股权大部分都在投资人谢尔曼·菲尔柴尔德的手里，与此同时，仙童半导体公司的利润被不断转移到东海岸，去支持 Fairchild 摄影器材公司，此时仙童的员工开始坐不住了，开始了新一轮的离职创业潮。

6、花开遍地

1968 年，诺依斯（N. Noyce）和摩尔（R.Moore）从仙童离职后创办了我们所熟知的英特尔（Intel），这里的摩尔就是我们所熟知的摩尔定律的提出者。摩尔定律：集成电路芯片上所集成的晶体管数目，每隔 18 个月就翻一倍。

1969 年，杰里·桑德斯（J. Sanders）当时在仙童担任销售部的主任，带着 7 位仙童员工创办 AMD。

还有许多我们所熟知的公司，比如美国国家半导体（现已被 TI 收购），Altera（现已被英特尔收购）等的创始人都出自仙童半导体公司。

正如江湖流传的苹果公司乔布斯形象比喻的那样：「仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。」

随后，英特尔， TI，三星等巨头开始在世界的舞台大放异彩！

在处理器（CPU）领域，英特尔的发展史代表了处理器的发展史。

1971 年，英特尔推出了它的第一款处理器：4004，这是一款 4 位的处理器，仅包含 2300 个晶体管，现在来看，这款处理器简直就是个小弱，但它的诞生意义重大，实现了从 0 到 1 的突破。

1978 年，英特尔推出了一款 16 位的处理器：i8086。

1979 年，英特尔又推出了 8088，8088 是第一个成功应用于个人电脑的CPU。

1982 到 1989 年，期间又陆续推出了 80286、80386、80486 微处理器。

1993 年奔腾处理器横空出世，2005 年酷睿走进大众的视野，酷睿 i3、i5、i7成为 PC 的主流。

英特尔，AMD 主要做 PC，服务器的芯片。对于现在炙手可热的智能手机，处理器的竞争则更为激烈。苹果、三星、高通一直占领着高端机的市场，国内近几年半导体业强势崛起，海思，展讯可谓国内的代表。

纵观过去的半个世纪，半导体的迅猛发展为我们的科技爆炸提供了基础。当 10 nm 的芯片已经商用，7nm、5nm 制程已经接近极限的情况下，摩尔定律似乎已经开始走向终点，半导体下一个转折点在哪里，我们还不能确定，但目前量子技术的发展似乎给我们指明了方向。

随着量子通信，量子纠缠等新鲜词语开始出现在我们的视野中，量子芯片也横空出世，与传统芯片用 0 和 1 进行运算处理不同，量子芯片具备多个量子位，而不是再只有 0 和 1 两种逻辑状态，这样使得芯片的运算能力成指数增长，从而突破摩尔定律的限制。

回顾半导体发展的辉煌历史，也在一定程度上代表了人类的文明史。如果说机械的发展解放了人类的劳动力，那么半导体的发展则解放了人类的计算力。而且半导体的发展势头绝不会就此停歇，必将随着科技的发展大放异彩，对我们每个人来讲，未来的半导体，未来的世界，值得我们期待。

7、中国的芯片制造究竟处在什么水平？

总结几个关键词：发展很快，落后两代，技术受限，产品低端。

总的来说，中国的芯片制造技术在快速发展，同时存在工艺落后、产能不足、人才紧缺等问题。

中国集成电路行业共分芯片封装、设计、制造三部分，总体呈现高速增长状态。2004 年至 2017 年，年均增长率接近 20%。2010 至 2017 年间，年均复合增长率达 20.82%，同期全球仅为 3% - 5%。

但是另一方面，中国集成电路制造工艺落后国际同行两代，预计现在中国可完成 14 nm 级产品制造，同期国外可完成 7 nm 级产品制造。

高端芯片产能严重不足，50% 的芯片依赖进口，同时中国的产能和需求之间结构失配，实际能够生产的产品，与市场需求不匹配，长期的代工模式导致设计能力和制造能力失配、核心技术缺失。

投资混乱、研发投入和人才不足等问题，导致中国集成电路产业目前总体还处于「核心技术受制于人、产品处于中低端」的状态，并且在很长的一段时间内无法根本改变。

再具体一点的，数字电路部分的芯片设计我们还可以赶上来，但是在模拟电路部分，我们的晶振、AD 采集卡等产品的精度还不够高，积累得还不够，核心技术还没有把握到手里。

8、国内缺少关键节点的关键技术

有三大主要关键技术或者说流程上有三大节点，「EDA、芯片设计、芯片制造」，最后才是封装测试。

 

这三个关键节点，缺一不可并且每一个环节都是被卡脖子的对象，我们先看一下三个领域里的公司分布。

 

EDA（Electronics Design Automation），是集成电路产业的基础，处于芯片产业链上游的子行业。它就相当于设计房子时所用到的 CAD 软件，有了 EDA 才能对芯片进行设计，举个例子，如果你想写字 EDA 就如同一支笔。

 

全球著名的 EDA 厂商有：

• 美国的新思科技（Synopsys）；
• 美国的楷登电子科技（Cadence）；
• 2016 年，被德国西门子收购的明导国际（Mentor Graphics）。

这三家公司是业内主流，并瓜分了 70% 以上的市场份额。

9、芯片设计

1. 华为海思

毫无疑问海思已经是芯片巨头。犹记得曾经在海思办公室呆了一段时间，印象深刻。

在2020年Q1的全球半导体 TOP10 榜单出现了两个「新面孔」，分别是华为海思（HiSilicon）和英伟达（Nvidia）。但是海思 90％ 以上销售额都来自母公司华为的内部采购，应用到了自家的产品上。

而麒麟 9000 系列处理器和高通骁龙 865 比起来也不遑多让。当然，台积电无法为海思代工对其打击巨大。

2. 紫光展锐

紫光展锐是有展讯和锐迪科合并而来，隶属于紫光集团。

紫光展锐是我国集成电路设计产业的龙头企业，最近公司进军 5G 和 AI 领域，拥有超过超过 3700 个专利，每年出货芯片量超 15 亿颗。目前看起来展锐紧跟时代方向，但成为巨头还有很长的一段路要走。

3. 中兴微电子

中兴微电子在全球设有多个研发机构，研发人员超过 2000 人。经过十多年的发展，中兴微电子掌握了国际一流的 IC 设计与验证技术，拥有先进的 EDA 设计平台、COT 设计服务、开发流程和规范。

目前中兴微电子已申请的芯片专利超过 4000 件，其中 PCT 国际专利超过 1800 件，5G 芯片专利超过 200 件。 

4. 联发科MTK

联发科总部位于台湾，在上海北京苏州等多地有分公司，主要产品包含手机CPU，无线通信以及多媒体等芯片。因为其CPU主打中低端市场，基本用在2000元以下的手机上。

5. 寒武纪

寒武纪是国内AI芯片第一股，颇受资本青睐，已经完成了5轮融资，海思和展锐也是其客户。

7. 平头哥

平头哥是阿里巴巴收购中天微后成立的半导体公司，2019年7月25日，发布了第一个成果，基于RISC-V的处理器 IP 核玄铁 910，其可用于设计制造高性能端上芯片，应用于 5G、人工智能以及自动驾驶等领域。

其余行业内比较优秀的公司还有，华大半导体，豪威科技，比特大陆，澜起科技，长江存储，大唐微电子，海康威视等，都发展的不错。

10、芯片制造

1. 台积电

台积电就不多说了，妥妥的巨头。

2. SMIC

SMIC 第一代 14 nm FinFET 技术取得了突破性进展，并于 2019 年第四季度进入量产，代表了中国大陆自主研发集成电路的最先进水平。当然和第一梯队的台积电，三星和 Intel 有一定的差距，但是 14nm 也足够优秀了。

3. 三星

三星同样是世界级的芯片制造商，和台积电二者几乎垄断了高端芯片制造市场。

所以从以上分析来看，芯片的几大环节，EDA - 芯片设计 - 芯片制造，到封测与国际水平对比，差距最小的是封测，其次是设计。

差距最大的是芯片制造和 EDA，目前三星、台积电商用芯片 7nm 已经投入使用， 5 nm 正在路上。而 EDA 也基本被 Synopsys，Cadence，Mentor 三家垄断。

对于华为而言，只是拥有了设计能力，这也是被卡脖子的原因，简单理解就是，华为目前拥有世界顶级的芯片设计能力，但没法生产，就像建筑师拥有一套非常厉害的设计图纸，但没办法盖房子一样。

 

了解这些，可以帮助我们进一步了解，华为在自动驾驶系统推出后，为什么还会有巨大风险的原因。

国内芯片发展自主之路，任重而道远。

参考文章：《半导体「芯片」的发展史》

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