8、深入解析微芯片行业：从发展历程到全球竞争

深入解析微芯片行业：从发展历程到全球竞争

1. 微芯片发展历程回顾

微芯片的发展历程是一部充满创新与突破的科技史。以下是微芯片发展过程中的一些关键时间节点和事件：
| 时间 | 事件 |
| — | — |
| 1978 年 | 新开发的 64 千字节 DRAM 在不超过 0.5 平方厘米的硅芯片中集成了 14 万个晶体管 |
| 1988 年 | 成功开发出 1 平方厘米、集成 3500 万个晶体管的 16 兆字节 DRAM，宣告超大规模集成电路（VLSIC）时代的到来 |
| 1993 年 | 英特尔利用 0.6 微米技术成功开发出 66 兆赫兹奔腾处理器 |
| 1999 年 | 采用 0.25 微米和 0.18 微米技术成功开发出 CPU 时钟频率为 450 兆赫兹的奔腾 III 处理器 |
| 2003 年 | 采用 90 纳米技术开发出奔腾 4E 系列 |
| 2009 年 | 英特尔推出酷睿 i 系列，宣告 32 纳米技术时代的到来 |
| 2015 年 | IBM 成功开发出 7 纳米技术 |

1.1 早期发明与应用

• 第一块集成电路板 ：最初的集成电路板由几根电线连接两三个普通的电子元件，看似笨拙，但比单个元件的工作效率高得多。
• 半导体器件 - 引线结构 ：20 世纪 50 年代，许多工程师就有了集成电路的概念，但基尔比设计并制作了现代集成电路的初始原型，诺伊斯提出了半导体器件 - 引线结构，这成为大规模制造集成电路的基础技术之一。1960 年，仙童半导体公司开发出首个商业用途的单片集成电路，无需外部电气连接即可独立实现功能。
• 分子电子计算机 ：由于集成电路在尺寸、效率、适用性、使用寿命和功耗等方面具有明显优势，它最初被广泛应用于军事设备和航天领域。1961 年，德州仪器公司应美国空军委托开发出第一台基于集成电路的计算机——分子电子计算机。此后，美国国家航空航天局（NASA）对该技术表现出浓厚兴趣，其阿波罗制导计算机和行星探测器均基于集成电路技术开发。
• 集成电路在导弹制导系统中的应用 ：1962 年，德州仪器公司为民兵 I 型和民兵 II 型导弹制导系统开发了 22 套集成电路，标志着集成电路在导弹制导系统中的应用开端。到 1965 年，美国空军超越 NASA 成为全球最大的集成电路消费方。

1.2 摩尔定律与早期产品创新

• 摩尔定律 ：英特尔联合创始人戈登·摩尔在 1965 年预测，密集集成电路中的元件数量大约每 18 个月将翻一番，到 1975 年，一块微芯片上集成的元件数量将达到 65000 个。这一计算被称为摩尔定律，多年来一直是半导体行业小型化的目标，并引发了许多技术变革。
• Busicom 141 - PF 计算器 ：20 世纪 50 年代和 60 年代，科学家们努力将大型计算机小型化。1969 年，日本日本计算机械公司委托英特尔为其新型可编程电子计算器设计一套集成电路，这促使英特尔发明并商业化了首款微处理器——英特尔 4004。由此开发的电子计算器成为首款带有微处理器的计算器，即 Busicom 141 - PF。
• 英特尔 4004 微处理器 ：英特尔 4004 是为日本计算机械公司定制的芯片，是英特尔推出的首款商用微处理器，也是英特尔众多 CPU 中的第一款。它采用当时全新的硅栅技术，开创了集成电子学的新纪元。
• 世界上第一款数字手表——宝路华脉冲星 ：1971 年，汉密尔顿手表公司的约翰·伯吉带领团队开发出宝路华脉冲星数字手表，这是小型化集成电路最早的商业应用之一。它一经推出便成为时尚单品，售价高达 2100 美元，比汉密尔顿的机械表系列还要贵。如今，数字手表在众多集成电路衍生产品中已处于低端地位。

1.3 纳米技术与微芯片的复杂性

如今，晶体管尺寸已缩小到纳米级别。例如，3000 万个 45 纳米的晶体管可以被封装在针尖大小的空间内，而 IBM 新开发的 7 纳米技术能在相同空间内集成更多晶体管。集成电路的复杂程度已远超超大规模集成电路（ULSIC）的描述范畴。自 1968 年以来，单个晶体管的成本已降至原来的百万分之一，集成电路技术取得了飞跃式发展。

1.4 阿波罗制导计算机芯片与现代计算器芯片对比

1969 年 7 月 16 日，超过 100 万人聚集在佛罗里达州肯尼迪航天中心，全球另有 6 亿人通过电视观看了直播，见证了人类首次登上月球的历史性时刻。然而，与现代计算机的处理能力相比，阿波罗 11 号航天器计算系统中使用的微芯片相当原始。阿波罗 11 号的制导计算机处理能力仅为 2 兆赫兹，RAM 为 4 千字节，ROM 为 72 千字节，甚至不如现代计算器。但航天器使用的微芯片更注重运行稳定性，因为航天器中某个部件过热或对异常情况的错误指令都可能导致灾难性后果。因此，为不同目的和场合定制单独的微芯片更为合适，这与个人电脑或智能手机中微芯片同时执行多项任务的设计不同。如今，智能手机的处理能力可能足以同时指挥数千艘阿波罗 11 号飞船登陆月球。

2. 集成电路制造过程

从普通的沙子到高科技的微芯片，需要经过数百道工业工序。以下是集成电路制造的主要步骤：

graph LR
    A[沙子] --> B[单晶硅锭]
    B --> C[晶圆]
    C --> D[光刻]
    D --> E[切割]
    E --> F[封装]

2.1 从沙子到单晶硅锭

制造微芯片最常用的半导体材料是硅，其最常见的化合物二氧化硅（SiO₂）以普通沙子的形式存在。用于微芯片的硅纯度必须接近 100%，即每一百万个硅原子中杂质原子不超过一个。为了达到近乎无缺陷的纯度，需要对硅原料进行多次精炼处理。在精炼过程中，通过从多晶硅熔体中提拉籽晶形成高纯度的单晶硅圆柱形锭，也称为晶棒，重约 100 千克，硅纯度可达 99.999999%。

2.2 晶圆制造

晶棒被晶圆锯切割并抛光后形成晶圆。晶圆是制造集成电路时微电子产品的基底。目前，大多数商用晶圆是通过晶体提拉法形成的圆柱形单晶硅晶棒切割和抛光而成。通常所说的 12 英寸晶圆，这里的 12 英寸指的是晶圆的直径。直径越大，每片晶圆上可生产的微芯片数量就越多，但制造大尺寸晶圆在技术上具有一定难度，因此半导体行业的主流晶圆尺寸是 12 英寸（300 毫米）。

2.3 光刻

光刻是利用光线将几何图案从光掩模转移到晶圆基板表面的光敏光刻胶上的过程。在光刻过程中，首先通过旋涂法在晶圆上覆盖一层薄而平整的光刻胶，去除光刻胶表面的凸起和褶皱，使其表面非常平整。光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶，其中正性光刻胶最为常见。然后将图案化的掩模应用于光刻胶表面以阻挡光线，使光刻胶中未被掩模覆盖的区域暴露在光线下。接着，在表面涂上一种称为显影剂的溶剂。对于正性光刻胶，曝光部分会被光线降解并可溶于显影剂；对于负性光刻胶，曝光部分会被光线强化，使未曝光部分可溶于显影剂。无论哪种情况，显影剂都会溶解光刻胶中可溶的部分，留下涂层。该过程与摄影有一些基本原理相同，即通过曝光形成图案。光刻过程就像基于 PCB 设计的重复印刷（更像是蚀刻）过程，用于定义集成电路中重叠的各层，包括扩散层、注入层、导电层和连接层等。所有集成电路电子元件都是由这些层的特定组合构成的。例如，晶体管是在栅极层（多晶硅或金属层）与扩散层交叉的地方形成的。对于一些复杂的集成电路设计，晶圆可能需要经过多达 50 次光刻过程。

2.4 切割

经过光刻过程后，集成电路会在单个晶圆上以大片形式生产出来。然后，晶圆会被切割成许多小块，每块包含一个完整的电路，这些小块被称为芯片（die），每个芯片将在后续工序中进行封装，并嵌入到各种电子设备中。

2.5 集成电路封装

集成电路封装是半导体器件制造的最后阶段，将半导体材料块封装在一个支撑外壳中，以防止物理损坏和腐蚀。微芯片非常脆弱，上面布满了纳米级别的组件，没有保护措施很容易被划伤或损坏，因此封装至关重要。封装过程需要考虑电气、机械、热和经济等多方面因素。一般来说，封装过程包括芯片附着、键合、封装和晶圆键合等步骤，但并非每个封装都需要执行所有这些操作，因为不同的微芯片需要不同的封装类型。为了提高封装的电气性能，应尽量减小封装尺寸，同时确保良好的热传递和散热。近年来，封装设计不断更新，如系统级封装（SiP）或多芯片封装，通过在单个封装中堆叠多个芯片，实现更小的封装尺寸和更快的运行性能。但 SiP 技术会降低制造良率，因为封装中任何一个芯片出现缺陷，整个封装好的集成电路都将无法正常工作。封装完成后，需要进行测试，以确保每个封装产品的功能完整，并筛选出不合格产品。经过这些步骤后，合格的最终产品将下线，送往客户处用于组装各种日常电子设备。

2.6 集成电路制造的四个高要求要素

集成电路制造是世界上最先进、要求最高的制造工艺之一，以下四个要素是集成电路制造过程中严格控制且不可或缺的先决条件：
- 洁净室 ：集成电路制造对洁净度有严格要求，以每立方米中的灰尘、空气中的微生物或汽化颗粒等微粒数量来量化。在 ISO 1 级洁净室中，不允许有大于 0.3 微米的颗粒，0.3 微米及以下的颗粒最多允许 12 个。在微观世界中进行精细制造的生产线上，即使是最小的颗粒也会干扰纳米级组件的导电性，导致产品缺陷。洁净室的使用者是颗粒污染的最大来源，因此进入洁净室前必须穿着洁净服进行风淋处理。
- 超纯水（UPW） ：半导体行业的用水量与大城市相当，使用前必须去除水中可能导致产品缺陷或影响工艺效率的任何污染物。因此，经过最高纯度处理的超纯水被广泛应用于半导体行业，作为清洗和蚀刻剂。

3. 全球微芯片竞争格局

3.1 微芯片产业的经济影响力

自信息时代来临，以集成电路（IC）为核心的电子信息产业超越了以汽车、钢铁制造、汽油开采和石油副产品加工为代表的传统产业，成为全球最大的经济部门，为世界经济增长注入了强大动力。过去30年，IC制造产业呈现出强劲的增长势头。1994年，全球IC销售额首次突破1000亿美元，达到1097亿美元；到2000年翻了一番，达到2000亿美元；2017年进一步增长至4197亿美元，同比增长率达22%。

这些数据充分证明了IC被誉为信息产业的“养分”和产业发展的“倍增力量”是实至名归的。更重要的是，IC制造技术和能力在很大程度上决定了一个国家的工农业现代化水平、国防实力以及消费电子商品的竞争力。没有具有国际竞争力的IC产业支持，这些领域都难以蓬勃发展。

IC需求的不断增加和为突破其规模限制而进行的持续投资，成为现代经济向前发展的强大驱动力。每一份IC产值预计可带动10份电子设备产值和100份国民经济增长值。IC产业对世界经济的贡献超过了大多数其他经济部门。

3.2 微芯片的下游应用领域

微芯片具有广泛的下游应用领域，包括电信、计算机、消费电子、汽车、工业和医疗领域，以及政府和军事领域。以下是IC Insights提供的2016年各应用领域所占比例的饼图：

应用领域	占比
电信和计算机	74%
其他（消费电子、汽车、工业、医疗、政府和军事等）	26%

从这个表格可以看出，电信和计算机领域占据了IC市场的大部分份额。

3.3 全球IC产业的投资与发展趋势

IC产业的显著增长效应促使企业加大对IC技术进一步发展的探索力度。在过去几十年里，电子行业的增长率是国民生产总值的两倍，而IC产量的增长率实际上是电子行业的两倍。

摩尔定律在过去几十年里一直指导着IC行业的研发目标设定和长期规划。从1975年到2012年左右，大约每18个月，微芯片上集成的元件数量就会翻一番，微芯片的性能也会提升一倍，而IC制造成本则会降低一半。这种发展趋势反过来又要求更复杂的IC设计和更苛刻的制造技术，这也解释了为什么像英特尔和高通这样的世界领先半导体公司通常会有20%甚至30%的投资 - 销售比。

对于行业新进入者或追随者来说，充足的投资尤为关键。安装一条先进的微芯片生产线可能需要50 - 100亿美元。而且，行业追随者在新微芯片生产线的投资可能需要五到六年才能开始盈利，因为安装生产线并开始商业生产可能需要两到三年时间，而产值要达到收支平衡并开始盈利还需要另外两到三年。IC设备的投资也是如此，经过所有的开发和测试过程，IC设备的投资至少需要五年才能获得回报。

随着生产更小、更密集微芯片所需的技术要求越来越高，投资需要增加，回报周期也会更长。据估计，开发28纳米技术的成本为1亿美元，销售7000万颗芯片才能达到收支平衡。14纳米和7纳米技术的开发投资肯定更高，需要销售更多的芯片才能实现收支平衡。

以下是世界领先半导体公司的投资排名表：
|Rank|2007|2008|2009|2010|2011|2012|2013|2014|2015|2016|
| — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
|1|Samsung|Samsung Intel|Samsung Intel|Samsung|Samsung|Samsung|Samsung|Samsung|Samsung|
|2|Hynix|Intel|Samsung|TSMC|Samsung Intel|Intel|Intel|TSMC|TSMC|
|3|Intel|Hynix|TSMC|Intel|TSMC|TSMC|TSMC|TSMC|Intel|Intel|
|4|Micron|Micron|—|Hynix|GF|SK Hynix SK Hynix GF|SK Hynix Micron|
|5|Toshiba|Toshiba|—|GF|Micron|GF|GF|SK Hynix Micron|SK Hynix|
|6|Powerchip|TSMC|—|Micron|Hynix|Micron|Micron|Micron|GF|UMC|
|7|TSMC|SanDisk|—|UMC|Toshiba|UMC|Toshiba|Toshiba|Sony|SMIC|
|8|Nanya|Infineon|—|Toshiba|UMC|Toshiba|UMC|UMC|UMC|Toshiba|
|9|Eipida|—|—|Nanya|Sony|Sony|—|SanDisk|Toshiba|SanDisk|
|10|SanDisk|—|—|T1|Infineon|ASE|—|—|Inotera|GF|
|11|Infineon|—|—|Eipida|SanDisk|—|—|—|SanDisk|Sony|
|12|ProMOS|—|—|SanDisk|ST|—|—|—|SMIC|—|
|13|AMD|—|—|ST|Eipida|—|—|—|—|—|
|14|ST|—|—|—|—|—|—|—|—|—|
|15|Spansion|—|—|—|—|—|—|—|—|—|
|16|Fujitsu|—|—|—|—|—|—|—|—|—|
|Total investment of the companies on the list (US$ billion)|453|241|107|399|530|450|420|506|530|533|
|% of the world’s total investment|74%|56%|41%|74%|75%|76%|76%|77%|81%|82%|

从这个表格可以看出，全球半导体行业的投资高度集中。排名前十左右的公司的总投资约占全球总投资的80%，而排名前三的公司约占总投资的一半。

3.4 微芯片产业的特点与挑战

IC产业因其巨大的持续投资、长期的回报周期、严格且高的技术门槛以及相关技术的快速不断升级，被称为“烧钱行业”。然而，如果早期投资成功，该行业保证的高利润率将使所有投资转化为一台名为IC技术和专利的“赚钱机器”。

以下是微芯片产业的主要特点和挑战的总结：
- 高投资 ：安装先进生产线和开发新技术需要巨额资金。
- 长回报周期 ：从投资到盈利需要数年时间。
- 技术门槛高 ：需要不断研发和掌握先进技术。
- 技术更新快 ：必须跟上技术升级的步伐，否则将被淘汰。

graph LR
    A[高投资] --> B[长回报周期]
    B --> C[技术门槛高]
    C --> D[技术更新快]
    D --> A

这个流程图展示了微芯片产业各特点之间的相互关联和循环影响。高投资导致长回报周期，长回报周期要求企业具备较高的技术门槛来保证投资的有效性，而技术门槛高又促使企业不断投入以跟上技术更新的速度，技术更新快又进一步推动了高投资。

综上所述，微芯片行业在全球经济中扮演着至关重要的角色，其发展历程充满了创新和突破，制造过程复杂且要求极高，全球竞争格局也呈现出高度集中和激烈竞争的态势。随着科技的不断进步，微芯片行业将继续面临新的挑战和机遇，未来的发展值得我们密切关注。