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近年来，媒体经常报道“卡脖子”“科技战”等热点话题。围绕这些话题，芯片、集成电路、半导体成为被频繁提到的科技热词。那么，究竟什么是芯片？芯片是怎么发展起来的？它为什么很难制造？我们在芯片制造的哪些环节被“卡脖子”了呢？
芯片的英文名叫chip，与我们平常爱吃的薯片是同一个单词，指的是一种有特定功能的薄片状器件。微电子芯片是一种封装好的集成电路（integrated circuit，IC），里面包含了大量的晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件。它们按照给定的电路设计，集成在半导体材料（如硅、砷化镓、氮化硅等）晶片上，实现特定的电路功能。在大部分场合，芯片可以等同于集成电路，而半导体是制造芯片的一种基础源材料。
晶体管是芯片的核心单元。1947年，美国贝尔实验室的约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）利用半导体锗材料，发明了世界上第一个晶体管。随后，威廉·肖克利（William Shockley）发明了PN结晶体管。这三人因此共同获得1956年诺贝尔物理学奖。晶体管的诞生开创了集成电路发展的先河。1958年，美国德州仪器公司的工程师基尔比（Jack Kilby）提出并实现了集成电路的设想；几个月后，美国仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）申请了基于硅平面工艺的集成电路专利。这两项发明标志着集成电路的诞生，基尔比也因这一伟大创造获得了2000年诺贝尔物理学奖（诺伊斯于1990年去世，因此未能共同获奖）。
现代大规模集成电路由数百万个甚至上亿个晶体管组成。金属氧化物半导体场效应管（MOSFET，简称MOS管）是一种典型的晶体管结构（图1-3）。在MOS管中，通过调控施加在栅极上的电压，可以控制源极与漏极之间的电流特性。这就像可以通过调控水闸的高度，来控制水流速度一样。在半导体材料中有两种可以形成电流的载体（载流子），分别是N型的电子和P型的空穴。根据载流子类型的不同，可以将MOS管分为NMOS晶体管和PMOS晶体管两种。在芯片应用中，往往需要将NMOS晶体管和PMOS晶体管以对称互补的方式使用，这就构成了互补金属氧化物半导体集成电路（CMOS）。
（a）金属氧化物半导体场效应管结构示意图；（b）NMOS、PMOS电路符号。
集成电路作为计算机和微处理器的核心元件，是电子信息产业的基础。从手机、汽车、电器等民用领域，到飞机、导弹、卫星等其他应用，集成电路在我们生活的每一个环节都发挥着重要作用。未来随着5G通信、人工智能、生物芯片等新兴科技的高速发展，集成电路产业的规模还将进一步扩大。
1956年，北京大学、复旦大学、南京大学、厦门大学和东北人民大学（现吉林大学）的有关教师及部分学生集中力量，创办五校联合半导体专门化。1957年，中国研制出锗点接触二极管和三极管；1965年，河北半导体研究所也制造出了小规模双极型集成电路。中国与美国在半导体晶体管和集成电路发展的起步阶段只相差5～8年。
20世纪70年代以后，国际集成电路产业日新月异，我国与国外技术的差距逐渐拉大。1965年，美国仙童半导体公司的戈登·摩尔（Gordon Moore）预测，“最低元件成本下集成电路的复杂度大约每年增长一倍”；1975年，摩尔将上述预言进行修正，改为每两年增长一倍，这便是著名的“摩尔定律”。
集成电路发展至今60余年，基于硅材料的CMOS芯片一直遵循着“摩尔定律”不断向前发展。伴随着先进制造工艺的进步，器件的特征尺寸已经从1971年的10µm缩小到了10nm左右。随着制造工艺复杂度和制造成本的逐步攀升，目前国际上只有英特尔、三星、台积电等公司有能力继续研发7nm以下的集成电路技术，“摩尔定律”也极有可能被再次修正。
集成电路产业是典型的高科技产业，对人才、资金、技术都高度依赖，需要全世界系统分工（图1-4）。在各国研发机构的共同推动下，芯片技术在设计、制造和封装测试等多个方面都取得了突飞猛进的发展。时至今日，世界上没有任何一个国家可以独立地推进芯片技术继续进步。我国集成电路产业近年来实现了高速发展，整体实力显著提升，但在很多环节仍与国际先进水平存在差距。
芯片由数亿个晶体管像搭积木一样组合而成，芯片设计就是绘制搭积木所需的图纸，也是集成电路产品创新的核心。目前，中国大陆集成电路设计业的销售规模已经超过中国台湾地区，成为美国之后世界排名第二的集成电路设计企业聚集地。然而，在如中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、半导体存储器等高端核心芯片领域，我国还不能实现自给自足。此外，著名电子设计自动化（electronic design automation，EDA）工具的供应商多位于美国，如新思科技（Synopsys）、耀创科技（Cadence）等。
●图1-4 芯片产业需要全世界系统分工
芯片制造是基于芯片设计的版图，在硅片晶圆上加工出芯片的过程。芯片制造工艺一般分为前道工艺与后道工艺（图1-5）。其中核心的前道工艺包括薄膜的沉积、光刻和刻蚀等步骤。光刻是一种类似照相的工艺，可以将设计出的图案通过曝光的方式复印到硅片上，进而形成芯片的微观结构。目前，荷兰阿斯麦尔（ASML）公司在高性能光刻机领域具有强大的技术优势。而在薄膜沉积和刻蚀设备制造领域，美国和日本长期处于领先地位。需要说明的是，中国的设备生产商在近10年取得了长足进步，部分设备已经可以逐步替代进口设备，在多条芯片生产线上实现大规模量产。
●图1-5 芯片制造流程
除高端设备以外，芯片制造还依赖于生产环节中的各种关键材料。目前，硅片衬底材料的供应商主要集中在日本、德国和中国台湾地区；高性能光刻胶、封装材料的供应商以日本、韩国和美国的公司为主。
除了以上技术方面的因素，世界龙头企业的先进发展理念、管理模式及政府引导规划布局，也是值得我们学习的地方。改革开放几十年来，我国经济取得了突飞猛进的成就，但我们必须牢记：真正的核心技术是买不来的。只有坚持重视基础研究，不断提升科技创新能力，才能提高我国国际竞争力，从根本上解决“卡脖子”难题。
汪飞
南方科技大学深港微电子学院副教授。2003年获得中国科学技术大学工学学士学位，2008年取得中国科学院上海微系统与信息技术研究所工学博士学位。2008年加入丹麦科技大学，先后担任博士后、助理教授。主要研究基于微电子机械系统（MEMS）的传感器芯片、微型能量采集器件等。2018年获得深圳市青年科技奖。