如何自制一枚芯片，成为下一个中芯国际？

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文｜X科技实验室

5月13日晚，中芯国际公布2021年第一季度财报。数据显示，中芯国际一季度营收11.036亿美元，净利润为1.589亿美元，相比去年显著增加。

超出市场预期的业绩，源于旺盛的芯片需求。

你可能已经被“华为、台积电、光刻机、芯片”这些关键词轰炸过，也多少听过些台积电的传奇故事。本篇文章，我们不讲故事，谈谈如何亲手制造出一枚芯片。

所谓芯片，就是将可以实现运算或存储等功能的电路，集成在一块很小的硅片上。

它诞生的过程，分为设计、制造、封装这三步。

我们熟悉的高通、华为海思和联发科，其实都只是做芯片设计的公司。

首先要进行电路图设计，我们明确好芯片的规格和功能后，先给出一张布满“与门”、“非门”、“或门”等集成电路逻辑符号的逻辑设计图，大概长这样。

再根据逻辑图设计电路元器件的布局，给出“电路图”，大概长这样。

如果完全看不懂这两张图，不用怕，我们精心挑选了高等教育出版社出版的《数字电子技术基础》和《模拟电子技术基础》两本书，适合高中及以上学历的朋友从零学起。

除了理论知识，芯片设计还需要软件支持。就像作图、画图纸需要PS、CAD等软件一样，逻辑图和电路布局图也并非是在纸上徒手作画，而是需要使用EDA软件。

如果要设计22nm以下制程工艺的芯片，就必须从三家总部在美国的公司购买正版软件。

在EDA软件上，最终会得到类似这样的电路图，然后将其制成一张光罩。

光罩的原理和作用类似于传统照相机的底片，光线打过光罩后，我们就可以得到一层电路图形。

由于一枚芯片是由几十层电路层层堆叠而成三维结构，所以就需要用几十层光罩一一对应。比如一张7nm制程的处理器芯片，往往会需要80张以上的光罩。

拿到光罩后，我们开始自制芯片的第二步，制造。台积电的生意，就集中在这一步。

简化描述一下芯片的制造过程。

首先在硅片上覆盖一层薄膜，涂上光刻胶；然后用强光透过写有电路图的光罩，打在光刻胶上；强光会破坏光刻胶的结构，但光罩上被遮挡的部分，光刻胶不会被破坏，光罩也就copy到了光刻胶上。

最后再冲蚀、溶解掉没有被光刻胶覆盖的薄膜以及剩下的光刻胶，晶圆上就只留下与电路图图形一模一样的薄膜了。

利用设计好的多层光罩，不断重复上述过程，最后，最初的硅片就可以变成这样一张布满几十个芯片的IC晶圆。

在了解芯片制造复杂流程的同时，还有一个严峻的问题，就是如何获得所需的高品质原材料和制造设备。

比如，制造环节最重要的光刻机去哪儿买？

目前高端光刻机市场几乎被荷兰ASML公司垄断，他们2019年生产的26台EUV光刻机，约有一半被台积电买走，每台约1.2亿美元。

另外根据ASML的“客户联合投资专案”，他的客户往往都是投资自己的股东，比如台积电就在2012年以8.38亿欧元获得了ASML 5%的股权。

但各位青年实业家不用因此灰心，我们发现，在某鱼App上，有人出售二手闲置ASML光刻机，包邮价格为1亿人民币。

等待光刻机的同时，其它难以在国内采购的原材料和设备，只能亲自出国走一趟了。

清晨的第一缕阳光刚刚撒到首都机场，我们已经动身，精神饱满地赶往日本和美国。此行的目的，是去采购制造芯片必须的几样原材料和设备。

这里是日本，我们要寻找的，是国产良品率不够的硅片，以及技术还不够成熟的光刻胶等原材料。这些，是日本人50年积累的工业精华，也是人类科技宝贵而又神秘的馈赠。

而在美国，我们的目的地是加州的“应用材料公司”（Applied Materials, Inc），这家低调而又神秘的美国公司，能生产除光刻机外几乎所有的芯片制造设备。我们希望能在这里找到国产率为0的化学机械抛光设备，以及国产率极低的沉积设备。

辛劳的汗水，果敢的决心，和早出晚归的等待，我们终于买到了制造芯片的所有原材料。是时候启动我们从闲鱼上买来的光刻机，用机器散发的热量，来温暖一下自己久旷的心灵。

在制得的IC晶圆上有几十张芯片，但看上去，和拆开手机后我们看到的芯片还不太一样，因为还差最后一步：封装。

如果你拆过手机或电脑，可能会对主板上这样的小黑盒有印象，所谓封装，就是将IC晶圆上剪下来的芯片装进这个小黑盒的过程。

位于产业链末端的封装，相对来说门槛和附加值较低，劳动密集度比较高。国内有多家企业在深耕这一领域，占据了相当一部分市场份额。

至此，就讲完了自制芯片的全部流程。但在各位亲自动手发家致富之前，还要泼点冷水。

目力所及，我们见过自制芯片最成功的的，是一位UP主自制了一枚1cm工艺的芯片。作为对比，华为P40系列使用的麒麟990 5G，基于的则是7nm工艺。

可以说，最近30年的科技产业史，就是一部科技产业链分工合作不断精细化的历史。眼下，一个个人或是一家公司，想要包揽芯片全产业链，几乎是件不可能完成的任务。

风云际会，浪潮汹涌，当中国科技产业慷慨应战。我们不能也不应该，将所有希望全部寄托在某一家公司身上，不管它叫华为，还是叫中芯国际。

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