科技史话
最近，据称是全球第四中国第二的通讯设备公司，因为被指违反商业协议而被美国禁售元器件而一剑封喉的事在网上成为热议的话题，使芯片--这种专业领域的词汇被广泛传播，进入大众视野。但看到网上的一些评论，包括主媒的报道，大都距实际情况较远，甚至有误导之嫌。作为近30年工作经验的工程师，与芯片打了几十年交道，有义务以自己的经历出来讲讲自己的见解。
1. 什么是芯片？
芯片，来自于英语词chip，原意是薄片、碎片的意思，在电子领域特指一种元器件，专用的名称应为集成电路IC（Integrated Circuit），二者的含义基本是等价的。因为制作完成的IC会从基片（wafer）上被切割出来，看起来就是一个个小片，很闪亮，然后供封装或绑定（binding）使用。这种未经封装保护的片状IC，在英语词汇中被称为die或者chip，一般翻译成汉语为晶片或芯片，后来逐渐演变为对集成电路的另一种叫法，或者因为更短一些吧。
还有一种类似的称呼是硅片，因为大多数集成电路是在硅这种材料上制作出来的，但硅片更多情况下是指未经加工制作的，是由纯净的硅组成，这时当然没有任何功能。硅是地球上非常多的一种元素，可以说到处都是，当然是以化合物的形式存在的，二氧化硅或硅酸盐，据称含量达到地壳的25%。纯硅几乎是不导电的，但如果其中混入少量某些物质就会变成导体，具有很多特殊性质，比如能感受到光的照射、能通过外加电压控制导电等等。一般把硅称为半导体，目前使用量最大的集成电路就是在硅片上制作出来的，因为美国加州的一片地区有大量的使用硅的半导体工厂，所以才被称为“硅谷（Silicon Valley）”。硅谷的基础是硅，而不是其他什么，美国大部分集成电路制造公司都在硅谷附近地区，也有一部分在得克萨斯州，很集中的，其他地方就很少了。
其实，最早的半导体元件是使用锗（Ge）的，后来发现硅更稳定，而且便于制作集成电路，所以硅成为制作集成电路的主要材料。但硅制作的元器件的使用频率受限，后来随着无线电的发展而需要更高的频率，就发展了基于GaAs和GaN的元件及集成电路，用于高频领域。还有一类是光电器件，比如常见的发光二极管（LED），也是使用GaAs和GaN来制作，有的还加了P或In等，为了能发出蓝光，又发展出SiC等材料。也有一家公司开发出可用于高频的元件，是使用Si和Ge，公司名就是SiGe，一度很流行，后来被收购了。为了用于不同的领域。为了一些特殊要求，还在不断探索研究新的材料，但大多还不成熟，主要在实验室中研究，商品化的还不多。
总体来说，目前做芯片最常见的材料就是硅，高频方面，如手机的射频前端一般是GaAs和GaN，也有一部分使用硅。
2. 芯片里面是什么?
芯片就是集成电路。所谓集成电路，通俗讲，就是把很多元件制作在一片基片上，现在中学都有了关于电路和二极管、三极管的介绍了，电路就是使用这些元件组成的。集成电路就是在硅片上制作二极管、三极管、电阻、电容等元件，并使用引线连起来，形成具有一定功能的比较完整的电路，并留出一些引脚触点，这就是晶片。因为一些元件并不易于在硅片上制作，如较大的电容和电感等，需要留出触点来外接元件，也需要有加入电源的触点及信号进入和输出的点。
但这样的晶片很容易因为接触外界灰尘、水汽等损坏，触点很小也不容易与其他元件或导线连接，所以一般都需要加上封装（Package），用一种特殊材料（一般使用环氧树脂或陶瓷等）把晶片密封包裹起来，只是把需要的触点通过金丝等金属丝连接到导电材料制成的一些引脚上，这些引脚可以方便地通过焊接而固定到电路板上。我们在很多家用电器或手机中，看到的黑色的方形或长方形的一块，上面标有公司标识和表示型号的字符，这看到的其实是芯片的封装，晶片是包裹在里面的，只有剥开封装才能看到晶片真容，但剥开后往往已经被损坏了。芯片封装也是芯片制造中的一环，有一些专业的厂是专门做封装的，像国内的长电，大量封装的是二极管、三极管和常用集成电路。
晶片还有一种连接固定和保护方式，称为绑定（binding），把晶片触点通过金丝直接连接到线路板上，然后使用环氧树脂覆盖。这种方式成本低，主要用于一些低端的对成本敏感的产品中，比如电子玩具等，打开电路板，可以看到电路板上有黑色的一块圆豆形状的物体，里面就是绑定的芯片。台湾一些半导体厂的芯片常常使用绑定方式。
也有的应用场合，要求体积小，或者对知识产权的保护要求，自己又不能设计制造芯片（或者因为成本高昂），使用芯片厂现成的未封装的几块晶片及其他元件合成一个电路，然后总体上加以封装，组成一个模块，体积比使用几片已封装的芯片要小。也有时是因为工艺限制，只能分别制造成几个单独的晶片，然后在陶瓷或其他基片上合成一个模块。其实，集成电路制造方式还有其他几种，如厚膜集成电路，但比例不是很高，往往用在一些特殊场合。
3. 芯片是怎么制造的？
芯片制造，大体分为硅提纯、切割、晶片制造、封装等阶段，一般都是由不同的工厂来完成的。地球上硅含量很高，其中大部分是以二氧化硅形式存在的，石英的主要成分就是二氧化硅。要从石英中提取到硅，需要采用化学还原的方法，因为其中含有杂质，所以往往要经过多次提纯，才能得到很纯净的单晶硅棒。后期制造芯片时，一片晶片（wafer）上往往可以同时容纳多个集成电路单元，而且是同时制造出来的，晶片尺寸越大能容纳的集成电路单元越多，而边缘浪费的也越少，批量制造的成本就会相应降低，所以单晶硅棒希望直径更大，现在已经发展到8英寸和12英寸，当然也需要有相应的制造设备才能加工。据报道，中国已经有几家制造单晶硅棒的厂家，估计也向境外厂商供货。
单晶硅棒需要经过切割，成为硅片（wafer），也称为硅基板、硅衬底，以后的集成电路就是在这片基板上制作出来的。硅片经过研磨、抛光、清洗，然后就是最核心的部分--晶片制造了。晶片制造过程很复杂，一般可以分为氧化、淀积、光刻、掺杂等多道工序。制造前首先要有图纸，现在都是使用EDA（电子设计自动化Electronics Design Automation）软件设计的芯片图，图纸生成很多层，分层进行加工制造。简单地说，就是先敷上一层感光层，然后使用光线经过图纸照射到感光层上，感光层上就呈现出与图纸上对应的图形，然后使用化学方法蚀刻掉不需要的部分，这个过程与洗照片的过程类似，称为光刻，是芯片制造的关键工序。一片芯片制造过程需要经过多次光刻，这与图纸的层数有关。一片基片上无论有多少个集成电路单元，也无论有多少个三极管，都是经过一道道工序一次完成的，一次能同时制作多个集成电路单元，就可以均分每次制作的成本。
数字集成电路中，最核心的单元是三极管/MOS管，集成度高的有10亿个以上，虽然在同一片基片上，但相互之间是隔离的。为了在那么小的面积上制作出那么多三极管，每个三极管占据的面积要非常小，也需要很细的刻蚀导线连接，这都要通过光刻来实现。因为光是有衍射的，为了不至于因为衍射而影响制造精度，集成度高的芯片需要使用的光的波长就要很短。现在手机芯片已经发展到10nm的精度了，相应的光刻机使用EUV，也就是极紫外线（Extreme Ultraviolet Lithography）。不过，目前使用那么高精度的芯片主要是Intel的CPU和高通等公司的手机芯片，特别是手机芯片，因为手持设备体积小，又要功能强大，需要在体积有限的地方制作更多三极管，每个三极管只能更小。大多数芯片并不需要那种精度，甚至很多芯片还是使用几十微米精度制造的，并不是制造精度越高越好，适合的才是最好的。晶片制造完成后，需要按单元切成小片，每片测试合格后，然后经过封装测试，就变成芯片成品了。
前面已经提到，芯片制造的基础是图纸，目前芯片图纸都是计算机软件产生的，设计芯片也是在计算机上完成的。设计芯片时，最初是用一个个三极管等元件来组成基础功能电路模块，再将功能模块组合生成更复杂的电路结构，最终制作成完整芯片。有些功能模块经过了验证，在以后的设计中就可以重复使用，特别是在芯片功能升级时，往往只需要修改其中的一部分模块，而并不需要一切从头开始，10亿个三极管如果是从三极管开始设计就非常耗时也非常容易出问题的。现在一些公司有可供重复使用的芯片核或功能模块出售，虽然一般还需要加上其他一部分模块电路才能形成完整的芯片，但比自己从零开始设计往往更容易实现一些。目前芯片的EDA设计软件已有几家，比较出名的是Candence，它从最简单的分立元件仿真及PCB绘制软件开始发展，现在已经涵盖电子设计的整个流程，模拟、混合信号及射频芯片设计和布局布线就是其中的一部分。因为有了设计软件，现在芯片设计都是在计算机上制作，还能通过一些验证软件在计算机上发现设计中的部分问题，以便及时进行修改。有了这些软件，芯片设计的效率大大提高，也能减少流片次数，因而成本明显降低。据说国内公司也有芯片级设计软件，不知性能怎样。
虽然设计芯片基本是在计算机上绘图，但不是只会使用这个软件就能设计，就是再有“工匠精神”也不行，而是要有深厚的微电子及半导体物理基础，当然也要有对相关电路功能的了解，国内有这种专业的学校并不多，不知道有多少人学习了这种知识，而有机会训练过从软件设计到制造过程的人恐怕就更少。因为国内芯片业不够发达，一些学校相关专业的基础和设备也受限制，更缺乏有足够实践经验的指导者，纸上谈兵的教学恐怕难以教好学生。
当然，最终的设计验证还是需要在制造出芯片后进行，这称为流片，经过芯片制造流水线造出芯片的意思。因为芯片制造设备很昂贵，专业性要求很高，需要很大投资，除了早期的半导体公司拥有自己的芯片制造厂，后来的很多公司已经不再建厂，只是做芯片设计，配合销售推广及相关服务。正是看到这种市场需要，也有一些拥有芯片厂的公司放弃或剥离了自己的芯片设计业务，专注芯片加工制造，被称为芯片代工厂，最出名的就是台积电了，全称是台湾积体电路制造有限公司，积体电路就是集成电路，这是台湾的叫法。像三星、Intel公司，虽然有自己的芯片，也有芯片代工业务，当然想要让这样的大公司给代工，门槛非常高，小的设计公司是无法进入法眼的。市场有需要，就会有提供者，大大小小的芯片代工厂其实有很多的，但精细的可能做不到，但常见的精度是没有问题的，不过流片一次也是花费不菲，所以建立芯片设计公司的门槛也不低，何况还需要购买专业的设计软件和聘用专业的设计工程师。有的芯片代工厂为了降低流片成本以吸引更多客户，提供为几家公司的芯片设计图合成一个图的服务，这样几个芯片可以在一片硅片上经一次流片完成，可以分担费用，这种方法只适用于芯片功能验证阶段，使用软件设计的芯片难免会有问题，往往需要几次流片才能成功。
4. 芯片设计都很难吗？
芯片分很多种，自1958年出现以来一直在不断发展中，但不是什么都很难做。早期，大量制造使用的是两类芯片，一类称模拟芯片，另一类是数字芯片。模拟芯片一般用于信号放大及电源等方面，比如收音机和音箱中的声音放大、充电器中的电源等。模拟放大，一般需要一定的电流，芯片中制作很多这样的电路后总电流会很大，因此限制了里面三极管的数量。实际上那么多年来，模拟集成电路发展并不快，上世纪七八十年代的一些型号到现在还在批量生产，变化比较大的方面主要是引入一些数字电路进行控制及用于更高电压、更高频率的场合。
芯片中发展快的主要在数字芯片领域。数字芯片中的一类是存储器，最初是用于代替当时笨重而昂贵的磁芯，开始不过几十几百K容量，现在已经发展到几十G、几百G，计算机、手机、U盘、存储卡中都大量使用，存储量增加到原来的数百万倍。虽然Intel是靠制造存储器芯片起家，后来被日本公司抢去了市场，目前制造存储器的厂家主要是日本东芝、韩国三星、Hynix、美国Spansion、SanDisk、Micron、Kingston等。当然存储器其实分为几大类，但比较专业了，就不细说了。存储器是一种用量和产量都很大的产品，单靠这一类芯片就可以成就一家优秀的公司，但相关核心技术掌握在少数几家公司手中。不过这种芯片是一种外围器件，功能单一，只要相关控制信号符合标准，就可以替代使用，比较容易进入这个市场，但要有高性价比才有优势。
数字芯片中发展快的还有一类是CPU类，代表产品是Intel的CPU，这是计算机最核心的器件，计算机中的其他部分都是围绕着它或为它提供支持的。当初Intel是偶然进入这个领域的，没想到后来却变成主业，从最简单的4位发展起来，现在到了64位的8核的酷睿Core i7，发展速度惊人。Intel芯片发展这么快，与充分的市场竞争有关，早期是与Motorola、Zilog等芯片核竞争，后来借着IBM的力挺与微软组成Wintel联盟，一扫群雄。但一直有仿造者Cyrix、AMD，稍不留神就会被赶上，所以只能努力前奔。几十年过去，直到现在AMD还在分一杯羹。AMD曾经是Intel的早期合作者，有专利互受协议，经专利诉讼获许生产与Intel架构相同的CPU。其他竞争者想进入这个领域门槛已很高，不仅是技术及专利门槛，更是商业门槛。经过30多年的发展，Wintel联盟下的应用软件已经不计其数，世界上会使用的人数以亿计，换一套系统很难获取足够的市场份额来支持生存，像苹果这样的企业都只占不足10%。
数字芯片中还有一类芯片技术含量比较高，也就是FPGA。FPGA是一种可编程的芯片，可以使用硬件描述语言（HDL）写好其逻辑代码，经厂商提供的软件编译后下载到芯片。因为可以通过代码方便改变其内部的运算关系，而且信号处理速度非常快，在数字图像显示、通信系统中广泛使用，也是一些科研机构用于研究一些算法的常用芯片。这类芯片是专用的封闭的，设计使用都要使用其提供的专用软件。其实FPGA也分等级的，高等的已经集成一些常用算法的IP核，甚至CPU，对设计制造技术要求很高了，但一些初等的FPGA就没有那么高的难度，曾经在一个展会上看到了国内有企业进入这个领域，但不知技术到了什么程度了。
有一类芯片近些年发展很快，就是图像传感器，照相机及手机摄像头使用的。早期图像传感器使用CCD技术，属于一种模拟芯片，因此限制了其集成度，提高像素很难，造价高昂。这种CCD传感器几年前还在大量使用，几年前的监控摄像头都是使用这种技术的芯片，图像分辨率比较低。后来发展了CMOS技术的图像传感器，大大提高了集成度，所以手机上也可以动则几千万像素。这种高像素的CMOS图像传感器技术也是掌握在少数几家公司手中，日本公司为主，最高端的图像传感器大都是不外售的，只能在专业照相机及摄像头模块中看到。图像传感器属于模拟与数字电路都有的混合集成电路，数字电路部分占比比较大。
上述几类数字芯片是最具技术含量的产品，而且市场份额已被一些国际上的大芯片公司瓜分，是进入门槛比较高的领域，哪家都不可能把自己的市场份额乖乖地奉送，在其中混口饭吃或者可以，要后来居上就不太容易了，需要好的市场切入点和一定的技术储备。还有其他一些类别的数字芯片，很多就没有那么高的技术含量了，有些是上世纪八十年代型号的提升版，有些更多是改用小体积的封装，以适应体积更小设备的需求，
还有一类芯片技术含量也较高，就是射频芯片。射频芯片成为一大类，与近几十年来手机、WIFI等无线通讯的快速发展密切相关。世界上能制造900MHz及以上的射频芯片的公司只有很少几家，可谓屈指可数。这种芯片的难度不在集成度上，更多在材料和制造工艺上。国外这类元件主要是Avago、Skyworks、Infineon、RFMD、Renesas（包括原NEC产品线）等公司，国内基本都是军工企业及研究所在造，相关资料是看不到的，在展会上并没有看到过相关民品。
5. 芯片业曾有那些黑马？
虽然芯片从发明到现在已经超过了半个世纪，但似乎仍然有勃勃生机。一些市场看起来已被大佬瓜分，但仍不断有进入者，也频频有脱颖而出的，目前风头正劲的是ARM。
ARM曾经是一家并不出名的计算机公司，1980年代就建立了，1985年设计出自己的CPU，还一度出产了整机，但似乎并没有获得商业上的成功。1990年代，在获得Apple等公司的投资后，ARM公司经重组改变了商业策略，不再自己制造CPU，而是出售芯片的技术授权，以低成本、低功耗的优势，逐渐开拓出市场，世界著名的芯片公司大都有使用ARM授权核的芯片出售，成为电池供电的嵌入系统的首选芯片核。
随着手机的智能化，用户对芯片性能的要求更高，不仅能打电话发短信，还能显示照片，播放视频，ARM顺应了这些需要，推出了Cortex-A系列，满足这些高端手持终端的需要。与此同时，对智能家电的要求也上升，需要可以上网，可以有人机交互界面，能支持触摸屏等，以前这个领域的8位控制MCU已经不能满足需要，ARM的Cortex-M的系列正是针对这个市场。使用这两种ARM授权核的芯片（当然还有其他几种核，但不够普遍），著名的有高通的手机芯片、ST的STM32系列芯片，国内都很容易见到相关成品。ARM授权核芯片已经占据手机、平板市场的绝对优势，而且并不满足于此，正在进入Intel的传统领域，要做台式计算机，看来要有一场短兵相接，不知结果怎样。
ARM公司的CPU芯片使用一种称为RISC的指令集，这是上世纪70年代提出的一种理论，后来很多公司推出这种类型结构的CPU核，包括高端的MIPS、SPARC、PowerPC和低端的AVR、PIC等，很快流行起来。在高端，使用的是Unix/Linux操作系统，但Linux系统，在应用软件方面远远不能与Wintel联盟下的软件数量相比，而图形用户界面易操作方面也差很远，一直无法撼动Intel的地位，主要应用在服务器和机顶盒等领域。因为互联网的快速发展，服务器市场也很大，一度发展也不错。后来出现了Android，因为其开源，以及性能优越的图形界面，与ARM核配合很好，在手持终端才打败了Wintel。芯片的竞争已经不限于芯片性能本身，有满足用户需要的软件以及找到适合的应用领域也是重要方面。而其他几种芯片核这些年似乎发展都不够好，占有率有越来越低的趋势。
民用芯片只是一种商品，商品就是要满足市场需要，不能只从技术上考虑，更不能上升到经济技术之外的领域。要进入这个庞大的市场，需要的是市场切入点。比如台湾企业威盛VIA，从为计算机提供配件开始进入这个领域，逐渐发展，成为计算机主机板芯片组的主要设计公司之一；NVIDIA则是从计算机外围芯片开始，逐渐发展成显示芯片的主要提供者之一。
当然，芯片领域也有一些暴发户，像高通和联发科，都是借助ARM核针对手机市场在几年中迅速发展起来的，射频芯片中Skyworks、Nordic也增长很快，还有昙花一现的SiGe。在刚出现U盘及MP3时，也曾出现很多相关的芯片公司，几年中迅速成长，不过后来随着市场的变化，大多不见了踪影。
6. 芯片领域怎样才能有所作为？
因为一直在小公司工作，所以经常接触的芯片公司都是不太大的公司，恐怕业内的人都未必知道。曾经在一家港资企业，产品有电子玩具，大量使用的是简单便宜的台湾的绑定芯片，功能不过是发出简单的动物叫声。后来那家公司开始出产电话拨号芯片，开始拿来的样品非常不稳定，无法正常使用，但逐渐就质量稳定了，几年后就变成主要的电话芯片公司，还开发了具有电话拨号功能及拨号检测功能的单片机，这些年又扩展生产线，也有了32位的ARM核的MCU，还有了射频芯片。
台湾的芯片公司很多都是从最简单最低端的芯片作起，盯的是市场，而不是总盯着技术上高精尖的，反而最终造就了一些高精尖。几十年以来，不断有台湾公司提供几角钱的OTP（一次编程）式微控制器芯片，因为市场上有需要。当年，港资企业做整体功能和外观设计，台湾提供芯片，在珠三角组装加工，三地联动，产品主打美国市场，这是珠三角活跃经济的一部分，也为台湾的芯片业带来了生机，很多公司都是那时成长起来的。当时珠三角很多加工厂都是使用台湾出产的芯片，市场则是全球。后来经济危机，港资加工厂逐渐衰落，但港资厂曾雇佣的内地工程师仍在，仍然在延续使用台湾产的芯片，当然主要是一些中小企业。
当时著名的一些家电厂，因为引进的是日本生产线，主要使用的是日本的设计，当然也主要是使用日本芯片。而日本的家电产品，一度风行世界，你打开内部，电路板上基本都是日本公司的芯片，当然更多的是自家芯片公司的芯片。与美国的专业芯片公司不同，日本流行的是整机与芯片是一家公司，自家的整机使用自家的芯片，自家的芯片公司为自家整机提供支持，促使芯片业快速发展。后来韩国也引入这种模式，发展出三星、金星、现代等三个大公司。不过这种模式也有局限，芯片往往只能自销，至少有整机产品竞争关系的公司是不会购买的，芯片产品线也就局限在整机相应的一些领域。后来电子技术风向大变，全面数字化，互联网及通信设备快速增长，日本的大而全的公司就没有跟上这个节奏，迅速衰落。日本多家公司的芯片公司难以为继，只得合并重组，现在主要还剩两家比较有规模的，产品线也大规模缩减了。韩国的公司也受到很大冲击，只有三星还是大而全，金星变成LG专注显示屏，现代的芯片公司则分离开变成独立的芯片公司。不过韩国还有很多芯片小公司，萨德事件前的很多展会都能见到韩国小公司的身影，往往有一二十家，其中WIZNET的互联网芯片曾很流行，国内大量使用。
反观中国的电器行业，经过几十年发展，整机产量已居世界前列，电路板上的芯片很多，但却很少有使用中国芯片的。记得很多年前，我所在公司采购了某标杆名企生产的大量空调，用于无人值守站设备的降温。但普通空调，上电后是关机的，要用遥控器开机，而我们的无人值守站要求上电后要能自动开机制冷，这家公司却改不了，后来提出一个方案，在交流电上接一条线到遥控器上，上电后触发遥控器发出启动信号。我们也只能接受，但也明白了他们所能掌握的技术在哪方面。当然，那已是很多年以前的事了，希望现在不会再有这种问题。
后来也有一段时间提出要发展集成电路，各地也先后成立了很多公司，也有MP3、U盘控制器、电能表等应用场合的芯片售卖。还到过某地的一家公司，但只是在工业区租用了几间办公场所，雇佣了市场的服务人员，焊接一些样板以供展示，而核心业务部分并不在国内，而是在美国，或者就是留学生或华侨开办的。
其实，作为工程师，我们也是希望能用国产芯片的。在一家遥控器公司，要设计一款产品，就找到上海一家芯片公司，他们有产品，但不提供任何服务，而我们对其芯片的指令完全不了解，不知怎样开发和使用。后来找到一家日本大厂的办事处，他们提供了一个合作方，可以帮助我们开发控制软件，只需要在每片上附加一个费用即可，当然这是我们所需要的，也就放弃了国产芯片。前几年，我们的一款产品最初设计是使用ST公司的芯片，后来因为此型号芯片太热门而价格上扬，希望找到一种价格较低的类似芯片，就找到使用相同ARM核的某国产芯片办事处，但对方却对我们不理睬，最终也未能如愿，只能忍受热门芯片提供商的高价格。
这些年，经常听到的是自主知识产权，还用过某公司出产的号称自主知识产权的通信系统的一个模块，全英文说明书，没有汉语的。因为在这个行业那么多年，极少能看到汉语芯片资料，早已习惯于看英文，读资料并不是问题，只是疑惑，为何都自主知识产权了，还都是英文的。新闻中，经常听到工信部关于集成电路行业的亮丽报表，但在华强北却反映不出来，很是迷惑。现在通讯设备行业的另一家公司遇到了巨大的麻烦，又在公开发布的材料中说已有了多少多少芯片自产，甚至包括最有技术含量的芯片，既然这样，我们真没必要为那么能创新的企业有任何担忧了，毕竟专利申请在世界上是领先的。看来还是洗洗睡吧......