芯片，又称集成电路（integrated circuit，IC）。是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。从定义中可以看出，芯片的诞生需要硅片作为基础，而硅片的原材料就是我们平时见到的沙子。
01
芯片设计
一般来说，制造一个成品芯片需要经过设计、制造、封测三大过程。所以，在制造硅片之前，需要先进行芯片的设计，即设计电路图。这里先要明确该芯片的需求目的，制定规格，然后在电脑中完成细节设计，设计芯片必须要用到芯片设计软件EDA，然而这个软件几乎被美国公司垄断，19年美国宣布对华为实施制裁，相关美国公司停止了与华为的合作，华为虽然拥有除美国公司以外全球为数不多的芯片设计能力，但由于设计软件受制于人，对华为的芯片设计也产生了很不利的影响，这也成为了我们在芯片产业链上第一个受制于人的地方。
02
芯片制造
1、硅片制造
芯片设计的下一步就是芯片制造，芯片制造首先需要进行硅片制造，而沙子的化学公式为二氧化硅，想要得到能够制造芯片的硅片，首先需要从沙子中提取纯度非常高的硅，这个纯度需要达到99.999999999%，即平均上百万个硅原子最多只能有一个杂质原子。如此高的纯度必然需要超高的提炼技术，通常在沙子中加入碳，在高温作用下，进行反复提纯，然后再经过熔化，从中拉伸出小圆柱状的硅晶柱，也就是硅锭。而具备该提纯能力的公司多为美国、德国及日本公司，中国企业几乎不具备该提纯能力，这是我们在芯片产业链上第二个受制于人的地方。
2、晶圆制造
高纯度的硅提取成功后，下一步就是制造硅晶片，这一步需要用钻石刀将硅锭切成许多单个的圆片，圆片经过打磨抛光后便成为了硅晶圆，芯片的“地基”就完成了。硅晶圆的直径常见的有8英寸（200mm）和12英寸（300mm），直径越大，最终单个芯片成本越低，但加工难度越高。这一步仍然需要高超的技术，世界上能够制造这类电子级硅晶圆的前五家公司占据了92%的市场份额，分别位于日本、中国台湾、德国、韩国，中国大陆地区能够制造这类硅晶圆的企业占比很小。
3、光刻
硅晶圆制造好后，下一步就是耳熟能详的光刻，即在硅晶圆上刻出已经设计好的图案。而进行光刻前，要给硅晶圆涂上三层材料，第一层是氧化硅，第二层是氮化硅，最后一层是光刻胶，光刻胶属于非常重要的耗材，是光刻工艺的核心材料。光刻过程中光刻胶在紫外线下被溶解，清除后留下的图案和掩膜上的一致，而掩膜已经印着预先设计好的电路图案，至此，电脑上的电路图案便刻蚀在了电路上，光刻需要经过数十层，每一层都需要经过严格的校准，如果中途有微小的疏忽，最终很可能导致芯片不合格。光刻胶这项化学材料主要被日本企业垄断，相比而言，中国企业在该领域技术相对落后，仍有很大的发展空间。
4、刻蚀与离子注入
光刻之后就是刻蚀与离子注入，如果将光刻比作毛坯地基的初步建成，刻蚀与离子注入就相当于对地基进行装修并加入功能区，让整个晶体管具备流通信息的能力。这一步骤运用化学腐蚀或等离子体轰击硅晶圆表面，将没有被光刻胶覆盖的位置进行刻蚀，形成凹陷，然后把硼或磷注入到硅结构中，接着填充铜，以便和其他晶体管互连。
一般一个芯片包含几十层结构，就像相互交织的高架桥。从光刻步骤开始光刻机的应用必不可少，而几乎垄断全球市场的荷兰阿斯麦光刻机，50%以上的技术来源于美国，这又是一项受制于人的细分领域。
进行刻蚀的刻蚀机国内有中微半导体、北方微电子及北京七星华创公司；离子注入机国内生产企业有北京中科信、中国电子科技集团第四十八所。
5、退火至检测
离子注入后，接下来包括退火、薄膜沉积、电镀、平坦化、清洗、检测等一系列步骤。退火的目的是将处于间隙位置的杂质原子通过退火而让它们进入替代位置，这一步骤需要纯度非常高的气体；薄膜沉积的主要作用是为了对所使用的材料赋予某种特性；电镀是为了防止金属氧化(如锈蚀)，提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性(硫酸铜等)及增进美观，这一步骤需要用到电镀液；平坦化是指利用化学腐蚀和机械研磨相结合的方式，对晶圆表面进行磨抛，这一步需要使用CMP设备。清洗是为了去除晶圆硅衬底上纳米级的异物，需要用到清洗设备进行清洗；最后运用检测设备进行检测。整个芯片制造过程步骤繁多，过程复杂，每一步都需要精益求精，否则，一个小错误就可能导致最终产品的失败。
03
封装测试
芯片制造完成后，接下来就是封装测试阶段，用精细的切割器将晶圆切割成片，封装阶段将衬底、晶片、散热片整合，装壳密封，就形成了一个完整的处理器。封装完成后，为了确保芯片的性能，还要经过成品测试，最终，满足要求的成品发送给客户使用。封装测试与前述步骤相比，技术含量相对较低，中国在此领域占据较大比重，比如，长电科技、华天科技、通富微电等。
芯片的整个制造过程，需要非常干净的工厂，干净程度远超外科手术室，从硅的精度99.999999999%即可看出，即使一个很微小的，肉眼不可见的污染源也会导致芯片制造的失败，这也是芯片领域耗资巨大的原因之一。所以，只有举国之力，才能拥有我们的中国“芯”。
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让你一下看懂芯片是如何制造出来的，你怎么看呢？
芯片可以被称为现代信息产业的粮食，如果没有芯片，所有的信息产品都要停摆。近来美国对华为的制裁，传说中的对中芯国际的制裁，都是想从根本上阻挡中国信息产业的蓬勃发展之势。
芯片是如此的重要，大家也对芯片行业的发展动态十分的关注。故而很多人也想更清楚地了解，芯片到底是如何制造出来的。本文通过一系列动图向你展示整个芯片的制造流程。芯片的诞生过程，可以分为设计、制造、封测三大步。
设计
芯片的诞生总是从设计开始的。下面你所看到的，就是芯片的设计图。
芯片设计图
在芯片设计图中，你可以看到很多这样的符号：
晶体三极管
这些都是晶体管的符号。晶体管有三个管脚，上下两个管脚C和E之间可以流过电流，而中间那个B管脚则是一个开关，决定了C和E之间能否有电流通过。看起来就好像下图一样，
晶体管工作示意图
当然，点按开关的小手指头，只不过是一个可爱的模拟；真实的实现，是通过B管脚的电流来控制，直观来说如下图所示，
晶体管的工作原理
我们都知道，在数字化系统中，信息都有0、1来代表，因此晶体管这种开与关的状态天然与0、1状态相切合，自然而然就成了数字电路中最基本的组成部分。换句话说，用一定数量的晶体管，就能实现我们想要的功能；想要得到更多更好的功能，就要增加晶体管数量。假如我们把芯片比做一栋大厦，那么晶体管就是建设这栋大厦的每一块砖。
一开始，晶体管长成这样：
晶体管
是不是感觉有点占地方？于是，人们就想办法把晶体管做小，就出现了集成电路，也就是芯片。在芯片里，集成了大量的晶体管。对同样面积的芯片来说，每一个晶体管的尺寸越小，能容纳的晶体管数量就越多，芯片功能就越强大。简单来说，晶体管两个管脚之间的距离被定义为线宽，线宽越窄，则晶体管就越小，那么芯片能容纳的晶体管就越多。我们常说某种芯片采用了5纳米或者7纳米的工艺，这里面的5纳米或7纳米指的就是晶体管的线宽。以华为最新的麒麟1020芯片为例，采用的是台积电5nm工艺，晶体管数量达到了惊人的150亿。
麒麟1020是当前世界上最先进的手机处理器
制造
芯片设计好了，该怎么制造呢？芯片是在一块圆型的高纯度硅片上进行制造的，人们管它叫做晶圆（Wafer）。硅的纯度非常高，用于做芯片的硅能达到11个9的纯度，就是99.999999999%。
晶圆由高纯度的硅制成
晶圆有不同的直径。随着技术的进步，晶圆的直径总是在增加。大晶圆能生产更多的芯片，更少的浪费，因此能带来更好的制造效率，降低成本。近年来，晶圆的直径从4英寸（100mm）、6英寸（150mm），已经增加到8英寸（200mm）、12（300mm）英寸。未来还会增加到15英寸甚至20英寸。
不同的晶圆尺寸
制造芯片的过程，本质上来说就是在硅材料上实现一个个晶体管的过程。芯片里面的晶体管可以抽象成下图中的模式：
芯片里的晶体管
在硅晶体的上面，需要有一个二氧化硅绝缘层，再上面还有一个导电硅化合物层（图中红色部分），起到开关的作用。晶体管的电流流动模式如下图所示：
晶体管内的电流流动
整个芯片的制造过程分为很多细小的步骤。首先晶圆要放进加热炉（Furnace）里，炉子的温度有1000℃，目的是将晶圆表面氧化，形成二氧化硅绝缘层。
晶圆被放进加热炉中氧化
然后，在晶圆表面涂上光刻胶，这是为了进行晶圆曝光做准备。
芯片的起源
1：莱布尼茨的二进制和八卦1701年，德国数学家莱布尼茨法国科学院提交并宣读了他题为《数学科学新论》的研究论文。
在这篇文章中，他提出了用0和1两个数表示全部数字的方法。
每个数字都可以表示一个二进制数。二进制数中只有0和1，没有其他符号。
鲁道夫·奥古斯特公爵研究莱布尼茨的二进制数学后认为二进制数学符合《圣经·创世纪》中的记载，是“上帝的算法”。因为太简洁了，符合上帝从无到有创建世界的描述。
奥古斯特公爵很喜欢，但是科学院却把这篇论文给拒了。
当时的法国科学院院长单内认为，看不出这篇论文有什么用处。
这个思路就一直存在于审稿人的脑海里面，几百年未曾改变。
那么有个问题摆在莱布尼茨的面前，二进制有什么用？
作为我们300多年后的我们，对于二进制的作用是非常清楚的。但是在当时给二进制找个应用的确是个难题。
但是莱布尼茨作为大数学家，大哲学家。十七世纪的亚里士多德。可以和牛顿争夺微积分发明权的大佬，肯定不会被这个小问题难住。
但是用了两年时间，直到1703年莱布尼茨收到白晋所寄的伏羲八卦图，才发现自己的二进制体系与伏羲八卦图的一致性。
白晋是法国神父，曾经担任康熙皇帝的数学老师，1697年奉康熙之名回法国招募人才，并与莱布尼茨相识，多次书信来往，白晋由此给莱布尼茨介绍了中国的易经和八卦。
于是，莱布尼茨补充了本项研究意义，并发表在法国皇家科学院院刊上。
标题是《二进制算术阐述-仅仅使用数字0和1兼论其效能及伏羲数字的意义》。
莱布尼茨大神，打算用二进制来描述中国的八卦。
对于卦象来说，一根长线代表阳爻（阳），两根短线代表阴爻（阴）。
也就是阴阳。
易经说：道生一，无极变太极；一生二，太极变两仪；二生三，两仪变四象；三生万物，四象旋转，世界诞生。八卦，正如其名，是对宇宙后续变化的推演。
从伏羲八卦中找到二进制的意义，这个不是什么戏说。
很多学者论述了，莱布尼茨不是根据八卦而发明二进制，而是发明了二进制才遇到了伏羲八卦，因此本文采用这个说法，而不牵强附会中国的八卦给了莱布尼茨发明二进制的灵感。
对于莱布尼茨这个大数学家来说，二进制只是其很小的数学成就，但是却是当今信息时代存在的数学基础。
我们这个信息时代都是建立在二进制上的，在这一点上，莱布尼茨居功至伟。
但是，仅仅有二进制是不够的。
2：布尔运算的真和假
莱布尼茨发明了二进制。此时的二进制还只能像十进制那样运算，加减乘除。
就是换个方式来运算，没有什么稀奇。
而乔治·布尔则带了一种运算，那就是布尔代数。
乔治·布尔，1815年出生在英格兰的林肯，少时家贫，但敏而好学，自学成才，全部的志向都放在数学上。
1847年，布尔出版了《逻辑的数学分析，论演绎推理的演算法》。
从此在数学界名气大震，并且从“编外人员”到有了正式的教职。
1854年，他又出版了《思维规律的研究，作为逻辑与概率的数学理论的基础》，其中完满地讨论了这个主题并奠定了所谓的数理逻辑的基础。为这一学科的发展铺平了道路。
布尔代数讲述内容很多，但其最典型的就是两种值和三种运算。
布尔在整个计算中，定义两种值，也就是真和假。1（true），0（false）。
三种基本运算，就是与（AND），或（OR），非（NOT）。
与或非也可以用符号表示： &| ！ 三种符号表示。
与就是两个值都为真才为真。
或就是两个值有一个为真就为真。
真的非就是假，假的非就是真。
这个就是两种值，三种运算的含义。
有点哲学的意思。
布尔通过研究发现：所有的数字算数运算，都可以用布尔代数化简成为 0和1的与或非操作。
例如：加法a b
进位就是a&b，而加完后0位是（a&！b）|（b&！a）
也就是可以用与、或、非来表示加减。
二进制配合布尔代数，能够表示所有的数学运算。
1864年，布尔去世。但是他发明的这些计算方式，将在100年后得到应用，成为计算机体系中的基本运算。
用与、或、非的运算来等价表示加减乘除的运算，这个就是布尔留给后世的财富。
3：香农：硕士论文和开关电路
克劳德·艾尔伍德·香农是美国数学家，也是信息论的创始人。
但是，在成为信息论奠基者之前，学生时代的他就发表了一篇划时代的论文。
1936年，正在读硕士的香农发表了著名论文《继电器和开关电路的符号分析》。
在当时能够实现开关电路的技术方案就是继电器。
通过磁体通断打开或者关闭。
如果继电器打开，电流带来磁场，继电器合上，电路闭合。
如果继电器关闭，磁场消失，继电器关闭，电路断开。
这个开关电路给了香农灵感，配合布尔代数。
香农给出了布尔代数一种物理实现方式。
串联的开关电路就是布尔运算的与操作，两个开关a和b都关闭，灯才能亮。
这个电路就是a&b
而并联的开关电路就是布尔运算的或操作。两个开关有一个关闭，灯就会亮。
这个电路就是a|b
还没有硕士毕业的香农，奠定了现在数字电路的基础。
布尔计算可以将任何运算化简为与、或、非。
所以不断重复这两种电路，就可以通过电路实现任意运算。
此时，从莱布尼茨提出了二进制，已经过去了两百多年，离布尔发表布尔运算也过去接近100年。
终于，香农说，你们的数学表达，我可以用物理电路来实现了。
这个就是现代计算机的基石。
哈佛大学的霍华德·加德纳（Howard Gardner）教授评价：“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”
4：晶体管和集成电路
1947年，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管。
晶体管的诞生，替代了原来的继电器，电子管等设备。
成为了整个信息时代的基础。
在晶体管发明十年后的1958年，34岁的基尔比加入德州仪器公司。然后有了把多个晶体管放到一起的想法。于是，集成电路诞生了。
又过了十二年，1970年，第一个CPU，英特尔4004诞生了。
这些基础都变成如下MOS管的开关电路，下图就是一个开关电路（gate）。通过控制栅极电压，实现Source和Drain的通断。
时至今日，芯片的集成度不断的增加。
最新的CPU，GPU，手机处理器等等, 其晶体管的数量都已经超过百亿级别。
晶体管数量制程
M1 160亿 5nm
安培A100 540亿 7nm
A14 125亿5nm
麒麟9000153亿 5nm
但是，其内部运行的数学逻辑，仍然是莱布尼茨提出的二进制，布尔发明的布尔计算，和香农描述的开关电路。
一直没有改变！