在日常生活中，人们会用到手机、电视机、电脑、汽车等产品，芯片就是这些产品的“大脑”。芯片的设计制造到底难在哪儿？今天我们就来跟大家说一说这小小芯片的故事。
现代信息技术的基石
芯片是由半导体材料制成的集成电路，是现代信息技术的基石。根据芯片种类用途的不同，芯片中可以包含海量的微小晶体管、电阻和电容等元器件。
芯片的起源可以追溯到20世纪中叶，业界普遍认为是美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比发明了世界上第一个集成电路。随着集成电路的发明和发展，芯片技术经历了数十年的持续进步，新的设计制造方法和材料不断推出，集成电路单位面积上容纳的晶体管数量越来越多，芯片设计生产的自动化程度也越来越高。这意味着科学家和工程师能用更多的元器件，更方便地设计出高性能的复杂芯片产品，有了更聪明的芯片“大脑”，电子设备的性能也随之大幅提升。
20世纪末，芯片制造工艺进入纳米时代，运算处理能力飞速增长，为移动通信、互联网、人工智能等领域的跃变式创新奠定了坚实的基础。从5G通信网络到ChatGPT等人工智能大模型，芯片技术的发展带动了信息产业的全面高速发展，彻底改变了人们的生活方式。
日常使用的芯片可以按照处理信号的不同方式分为两大类：数字芯片和模拟芯片。数字芯片基于数字逻辑设计和运行，用于处理离散的数字信号。在数字芯片中，单位信号通常只有0和1两种状态，而0和1的不同组合就构成了数字芯片中处理的各种信息。手机、家电、智能设备中的处理器芯片以及现在非常火的人工智能加速器芯片，都属于数字芯片的范畴。而模拟芯片用于处理连续的模拟信号，种类繁多，在生活中同样随处可见。以手机为例，其中的电源管理芯片、射频芯片、滤波器、音频放大器等都是模拟芯片。
芯片可以按照用途分为处理器芯片、数字信号处理（DSP）芯片、AI加速器芯片、存储芯片等。处理器芯片是各种电子产品的核心，从数据中心的服务器到手机、平板设备，再到智能家电，它们的“大脑”都是处理器芯片。DSP芯片一般用于特定领域的信号处理和计算，从北斗卫星到合成孔径雷达，都有DSP芯片在大显身手。
总之，不同种类的芯片，从架构设计到底层晶体管实现的差别极大，但它们共同构筑了这个千姿百态的信息社会的基石。
设计制造产业链已全球化
作为现代信息技术的基石，芯片看起来很小，内部却非常复杂。所以，芯片设计制造的产业链极长，覆盖了包括芯片架构设计、逻辑设计、物理设计、EDA工具开发、芯片制造、封装测试等多个环节，如果再算上源头设备光刻机的制造，芯片设计制造产业链横跨全球几大洲，涉及数千家上下游企业。
芯片设计是芯片产业链的第一环，包括芯片的架构设计、逻辑设计、物理设计、验证测试等环节。在设计领域，以美国为代表的西方发达国家有先发优势，拥有一些全球知名的芯片公司，如英特尔、AMD、高通、英伟达、ARM等。
进入21世纪后，我国芯片产业进入高速发展期，芯片设计能力突飞猛进，在处理器设计领域，以龙芯、华为、飞腾、申威、兆芯、海光等为代表的芯片设计公司在处理器设计能力上已基本追赶上国际先进水平；在AI加速器设计领域，寒武纪等公司的设计技术已处于国际领先水平。
然而，当前芯片设计从仿真、电路综合、布局布线到验证测试，几乎全流程都需要EDA工具，即电子设计自动化软件的支持。原因是现代芯片设计动辄包含上亿晶体管，过于复杂的结构使得芯片无法像几十年前那样，仅靠工程师手工设计就能搞定，EDA工具变得必不可少。
芯片制造有3种主流模式
芯片设计完成后会得到版图，并送到芯片制造工厂。制造工厂根据版图进行芯片制造，首先需要制造出一个大圆盘，叫作晶圆，再经过掩膜、光刻、刻蚀、掺杂、薄膜沉积、清洗、切割等一系列制造工艺流程，形成裸芯片。从商业角度看，目前芯片制造有很多种模式，比较主流的有IDM 模式、OEM 模式、ODM 模式等，通俗地说，就是“自给自足”“代工”“贴牌”3种模式。
IDM 模式是指芯片制造企业自身是一个从芯片设计、晶圆制造到封装测试等全产业链自给自足的半导体公司，大家比较熟悉的英特尔、三星、海力士、英飞凌、美光等都属于这一类，其制造生产线通常只用于满足自身的需求，基本不提供对外代工。
芯片制造OEM模式俗称“代工”模式，即上游设计企业完成全套设计后，将产品版图发给芯片制造企业，由制造企业进行制造生产，生产出的芯片原始设计企业仍拥有完全的知识产权。相比IDM 企业，代工企业采用彻底开放制造平台的模式，面向全球芯片设计企业提供制造服务，既维持了生产线的多样化，也保证了生产线的满负荷运转，消减了空置风险。代工模式应用非常广泛，目前AMD、ARM 等许多国际知名芯片企业都选择代工模式生产。在全球代工领域，中国台湾地区、韩国和中国大陆等占据较为头部的市场地位。
封装和测试也是芯片产业链中的重要环节，目前亚太地区的企业占全球集成电路封装测试市场80%以上的份额。我国在芯片封装测试技术领域基本达到世界先进水平，封装技术和材料大部分能做到自给自足，仅在基板材料等个别领域进口比例稍高，仍有进步空间。
“卡脖子”的光刻机为什么厉害
从芯片全产业链的角度来看，只有设计、制造到封装测试的流程是不完整的，因为芯片制造设备本身的制造也属于芯片全产业链的一环，其中最重要的部分就是鼎鼎大名的光刻机。
在芯片制造过程中，光刻机利用光刻技术将设计企业提交的电路图案（也就是版图）精确地投射到硅片上形成电路，这个过程有点儿类似胶卷时代的照片冲印。光刻机是芯片制造生产线上的核心设备。
光刻机主要包括深紫外光刻机（DUV）和极紫外光刻机（EUV）两种类型，ASML占据高端DUV光刻机市场的90%，也是唯一掌握目前全球最先进的极紫外光刻机技术的企业。光刻机的制造技术非常复杂，需要精密的光学系统、高精度的机械系统、精确的控制系统以及高端材料技术的支撑。以EUV为例，虽然光刻机产品贴着ASML的品牌，但组成光刻机的10万余个零部件中，光源来自美国企业、光学系统来自德国企业、真空系统来自英国企业、高端材料来自日本企业……从某种意义上说，光刻机是50年来工业全球化的巅峰和代表，全球有超过5000家供应商在为光刻机产业链提供支持。
构建自主产业链势在必行
要搞明白芯片设计制造的痛点，还得从高度全球化的芯片产业链结构分析入手。
遍布美欧亚的众多企业共同支撑起了芯片产业从高端光刻机研发到芯片设计、制造、封装测试的全流程。在市场化大背景下，世界各国的技术和资源进行了自动整合，实现了优势互补，降低了产业成本。
我国芯片产业起步较晚，以处理器为例，美国在20世纪70年代就研制成功了第一款处理器芯片，而我国在2001年才研发了自己的第一款处理器。时至今日，伴随着国民经济的高速发展和政府的鼎力支持，我们用大约20年时间走过了发达国家50年的芯片发展道路。面对中国在芯片领域的迅速崛起，美国作为全球芯片产业的掌控者感受到了威胁，开始不断在芯片全球产业链的各个环节和关键技术上给中国制造麻烦。随着数字经济和人工智能的蓬勃发展，芯片作为信息技术的基石更加成为世界关注的焦点，各国对于芯片供应链安全的关注达到前所未有的程度。据《北京日报》