怎么样造出高端芯片

　　要怎么样才能造出一部苹果手机？
　　原创  不老的榕树
　　要造出一台苹果这样的手机，只有乔布斯或者库克是不行的，甚至，举美国全国之力都不行。下面这些行业当之无愧的巨头甚至寡头，我猜你很多都没听说过。但是，少了谁都不行。一个一个来：
　　英国·剑桥。ARM公司
　　没听说过吧？这个只有不到2000人的公司，决定了世界上90%的手机的芯片是啥样。他们为每一个用户，包括苹果、华为、三星、诺基亚...设计核心芯片的架构，告诉你具体设计的方法，给你设计芯片的技术。当然，这些是知识产权（IP），你要为此付钱。注意人家不卖断的，只授权的，有点像微博会员费，付一年用一年。还有点像专利费，买一台手机再抽成一点。他可以停止授权--曾经对华为这么做过。
　　你可能心想，这有啥了不起的，我自己去设计，不用你的技术。简单跟你讲，世界上做手机甚至电脑的谁不是人精？就连乔布斯这样谁都不吝的，照样乖乖买账，不是没有道理的：
　　剑桥，世界理工科大学的爷爷，获得诺贝尔科技奖最多的大学，使出1000多个天才脑子干的事，不是你使点劲就憋得出来的。
　　这公司2016年被软银收购了，但是软银并不敢干预任何实际业务。说来也是，惹急了这1000多人，一掀桌子说你行你上，孙正义、库克甚至乔布斯亲自爬出来，他们捆一块儿都得傻眼。他们要真行早上了。最近又传孙正义手头紧，要卖给英伟达套现了。不过可以想见，不管卖给谁，这公司的独立运作和创造应该是不会变的。
　　我个人认为这是史上最牛的公司，没有之一。不服你上：）门脸如下图，乡村俱乐部范儿：
　　一个说明他有多牛的示意图见下图：
　　日本·信越化工
　　集成电路是在硅片上用光刻出来的。硅片你不陌生，太阳能电池板上面那玩意儿就是。那个纯度是太阳能级的99.99%。而要做最精密的芯片，需要纯度是99.999999999%的硅晶片，11个9，就是每千亿原子中，外来原子的数量不超过1个。这听起来完全是不可能完成的任务，但是它就是日本信越的看家本事。这精度只有他目前能做到。
　　大家还在谈＂分子工程＂的时候，他都跟原子干上了。
　　在所有半导体级硅晶片的市场中，日本信越、胜高就占了60%，剩下的40%被韩国、德国、美国的企业占领。要注意，高纯度的，日本这二家基本是100%，别家几乎是望尘莫及，只能在低端一点的品种上喝点儿汤。
　　值得一提的是，信越公司的半导体芯片事业建立于1967年。此前它主要是搞化肥的。
　　2017年1月13日信越化工集团曾宣布，将提价。好家伙，全世界的IT企业几乎都DUANG的一下应声大跌。有人说，如果有一天日本宣布硅片禁运，一定比当年阿拉伯国家宣布石油禁运还厉害100倍。
　　他们的产品，就是硅晶片，长这模样：
　　荷兰·ASML公司
　　荷兰？不是搞奶粉的吗？这有它什么事儿？事儿大了。地球上截止目前，能提供7纳米及以下光刻机的，只有他，独一份。前面说过，集成电路芯片是用光在硅晶片上蚀刻出来的。简单说，这个光越细，单位面积上能刻出来的晶体管越多，芯片的功能当然就越强大。7纳米芯片，可以在一个指甲盖大的芯片上集成大约200亿个晶体管。中国为了两弹开发的109（后续型号441）晶体管计算机，用了1000多个晶体管，体积大概这样：
　　就集成度而言，现在一个芯片等于2000万个这样的计算机。而这公司一年只能出几十台这种高精度的光刻机，急不了。爱买不买，现在下单，加急也要3年后提货了。
　　神秘的ASML光刻机长这样：
　　他们的几纳米级光刻机有10多米长，二层楼高，一台机器运输起来需要三架运输机。其中有数以10万计的零件（不包括3万多个螺丝钉），几千米长的电缆光缆....要强调的是，其中90%以上根本不是荷兰的。光学镜头来自德国，光源设备美国的，硅晶片当然只能是日本的...资金也来自几十个股东，比如英特尔、台积电等等，反正听起来跟大家＂众筹＂差不多。
　　至于手机上其他还有七零八碎的什么摄像头、显示屏，也各有绝活，大拿分别是德国、韩国、日本等企业，就按下不表来了。这是剑桥三一学院破破的大门。牛顿的母校。看看这个可以想到，一部手机后面的科技合作，不仅有跨越大洲的宽度，还有上下几百年的深度。
　　附带聊聊超简超通俗光刻机简史，兼谈＂70年代的光刻机＂。
　　0+0=0。1+0=1。0+1=1。1+1=10。
　　你别不信，计算机归根到底只会算这个，所有的计算问题都是通过一种叫＂程序＂的办法最终转换为这几个算式。但是因为计算机速度够快，所以能解决非常非常复杂的计算。
　　几十年前，物理学家发现了一种叫PN结的奇妙东西， 电荷只能从P流向N，反过来不行。工程师大喜，很快用这个原理制作出二极管和三极管，实现了半导体数字电路。二极管通的时候表示1，断的时候表示0，加上简单的电路，以上计算功能就实现了。
　　（2）把线路图制作成＂掩膜＂，你想象它是照相的底片；
　　（3）把底片投射到涂了光刻胶的芯片（你想象是相纸）上，就像洗照片；
　　（4）按照光刻胶上的图案＂刻蚀＂，就是倒进那些元素的离子。
　　这工艺比较简单，很快大家都会了。中国在60年代就出现了这种设备，开始是上百微米，后来是几微米....
　　这工艺最高级的可以做到刻出1微米的字。人的头发直径是60-90微米，所以当时大家已经高兴坏了：这太精细了，够用了够用了。
　　高兴不了多久就高兴不起来了：还是不够用，还要细才行。但是老工艺（接触式光刻），到此到头了。再细，不行了。
　　大家就开始想办法。各国想的办法一箩筐。主要的几个办法如下。不用记，感受一下就好，因为它们都过时了：
　　i线（365nm）
　　KrF（248nm）
　　ArF Dry（193nm）
　　ArF溶液（193nm）
　　括号里分别是这些工艺走到的极限。
　　1微米um=1000纳米nm。对，1千。
　　唯独在小国荷兰的飞利浦公司里，一伙人想出了EUV。术语叫：极紫外光。你这样记：咦哟喂。
　　只有他们成功了。这伙人后来从飞利浦分离出来，成立了一家叫做ASML的公司，专门做光刻机，从此地球上一家独大，一骑绝尘至今。关于ASML，可以回溯本文前述。
　　据说他们已经进军2纳米。
　　问题来了。硅原子直径只有0.1纳米，不可能最后去蚀刻硅原子吧？所以，ASML现在的光刻机一定会过时的，时间问题，哼哼，虽然我估计看不见那一天了。
　　此后怎么办呢？
　　各国科学家研究硅以外的材料很久了，比如石墨烯、有机材料等等。不过都还在科学家的脑子里，很小一部分实验在实验室里进行着，结果有喜有忧。它们目前距离实用都还很遥远，中间隔着无数美好的愿望、灵感、试验、工业化转换、成山的资本投入需要。
　　不过我相信最终半导体材料会有突破，那时可能硅片也走进历史。在这个过程中，需要很多智商超群的科学家们一个接一个地灵感发现。他现在可能在海淀上初中，可能在剑桥读化学，可能正在半懂不懂地听父母讨论投川普还是拜登（本文原发于2020年9月23日），甚至也可能还坐在一艘难民船或飞机上，跟乔布斯的爸爸当年一样。
　　但愿他们都得到公平的机会和自由的空间。
　　最后扯几句中国的光刻机。中国是1960年代就有光刻机了，跟我的岁数差不多。但那时，跟世界上大多数有光刻机的国家一样（那时有光刻机的国家还不少），是接触式光刻技术。
　　它跟现在的咦哟喂比起来，基本上是二踢脚和运载火箭的关系：就是没有毛关系。沿着二踢脚的路线再怎么奋勇前进，也不会抵达运载火箭。
　　说第一代光刻机因为改开下马也是无稽之谈。落后被淘汰，不是改开的问题。何况，80年代中期，中国还有过光刻机的黄金年代，那时的装备能造出几微米和大几百纳米的芯片，它们很多现在其实还在大量制造和流通，比如类似下图的，现在市场上1元多乃至几毛钱一个，在你家的某个电子设备里面一定能找到：
　　不过，它和现在我们说的＂芯片＂，已经基本没有什么关系，隔行如隔山，喜马拉雅那么高的山。