芯片为什么要那么多晶体管（肉眼无法辨别的5nm芯片）

芯片，电子学中将电路小型化的一种方式。在大多数人的印象里，芯片不就是一个四四方方、体积较小的方形物件吗？

然而，如果你有幸观察过真正的芯片，就会发现就这比指尖还要微小的“集成电路”上，密密麻麻部署着大量的电路图和晶体管，多者甚至超过了上千万个。

面对如此情景，人们不免疑问，这些上千万的晶体管到底是怎么装在芯片上的？一切到底是人为还是机器操作的？如果是机器，它有什么既定的模版吗？

安装晶体管的奥妙

当今随着科学技术的不断进步，芯片中已能装置100多亿个晶体管。在大多数人看来，晶体管是后期人工安装上去的，实则不然，晶体管实际上是在芯片制造的时候雕刻上去的。

这又从何说起呢？

在回答这个问题之前，我们首先需了解一番芯片的设计路程。

原来早在设计师设计芯片的时候，他们就已利用EDA工具对芯片进行了最终的布局，走线、布线。哪里该放置什么，具体路数该怎么走，设计师早已规划完成。

具体来说，芯片制作过程共有七大步骤，它们分别是扩散、光刻、蚀刻、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化。七大步骤中，又属光刻和蚀刻最为重要。

一般，设计师会事先画出晶体三极管的电路布局图，随后对其拍照，再按比例将其缩小成预定的透光胶片。和最初的电路布局图相比，透光胶片的整体面积要小很多。

准备工作结束后，设计师会将硅晶圆切成薄片，随后将其打磨抛光，最后再在上面涂一层感光材料。

透过胶片有了，涂了感光材料的硅片有了，到这时，设计师会再利用强光将胶片上的图案一一投射到准备完毕的硅片上。如此，光刻步骤已完成，芯片上的电路图和其他电子元件也已生成。

其实说起来，光刻和照相机照相的原理极为相似，只是照相机拍摄的是照片，而光刻刻的是芯片所需要的具体实质性元件。

大头工作完成后，接下来便是考验耐心和精细度的“蚀刻”步骤了。

和众人想象中不同的是，在光刻步骤时，硅片上实则还有一部分区域是没有被曝光的。为排除其干扰，物尽其用，设计师便会用酸性物质将这一片没有被曝光的区域蚀刻掉。

简单来说就是，设计师会利用特定的方法，将硅片表面不需要的材料彻底去除掉。待一切处理完毕后，设计师会再根据具体要求在其中加入半导体杂质。

到这时，我们就能够清楚地看到设计好的电路图案了。

以上便是一个晶体管从无到有的全过程。从其制作过程我们得以熟知，芯片上的晶体管压根就不是安装上去的，而是经过包括光刻、蚀刻在内的七大步骤在上面直接制作出来的。

而我们日常生活中使用的100多亿个晶体管都是通过这样的方式制成的，其中足以见得科技人员有多么辛苦。

那么话说回来，别的物件都是以十，百为单位计算的，但这个晶体管却剑走偏锋动辄上亿，难道晶体管是越多越好吗？

晶体管的奇特之处

晶体管是一种可变电流开关，相较于其他普通机械开关，晶体管可以利用电信号来控制自身开合。因为自己可以制动，为此，晶体管的开关速度变极快。

根据相关数据显示，晶体管的切换速度能达到100GHz以上。

得益于这一优点，日常生活中，晶体管被广泛应用于各式各样的数字和模拟功能中，包括但不限于放大，开关，稳压等。

另外，晶体管越多，处理器的运算效率就越高。因其体积小，耗电量也相对较低。

晶体管及芯片技术优秀归优秀，但不可否认的是，在制作芯片方面，我们国家还有很多的不足之处，不足之处中当属芯片研发技术最让人头疼，而这一点也是当今国人最为焦急的地方。

我国目前能造出什么水平的芯片？

纵观全球，美国是全球芯片产业最强大的国家已是不争的事实，美国的芯片技术全球领先也是客观事实。那么话说回来，相较于美国，我国的芯片技术又处于什么样的水平呢？

在回答这个问题之前，我们需先看一张对比图。

以下是2020年全球芯片销售额占比图。

从2020年全球芯片销售额中我们可以看到，美国半导体企业销售额占到了47%，相较下来，中国大陆仅占全球半导体销售额的5%。

其次是最上游的半导体IP领域。从相关数据中我们得知，美国占到了30%左右，而相较于美国的30%，中国大陆仅占4%。

再是半导体设备市场，这方面美国依旧远超我们，相比于美国的40%份额，中国大陆仅占2%。从这几项数据中不难看出，在半导体市场，中国大陆竞争力相对不足。

只是凡事皆有两面性，于半导体材料方面，除日本独大外，美国占比12%，而中国大陆则占到了15%，相较于美国，我们更为强大。

另外，我国在芯片的“设计”层面，完全有华为等公司作为领头羊，实际水平不低于国际平均水平，甚至能直追美国水平，不然，又怎么会总惹来美国一轮又一轮“急眼”似的制裁呢？

我国差的就是将这个“设计”付诸现实的“制造工艺”，不过说到这，高精度的光刻机，事实上目前也就荷兰一家ASML能够实现全工艺制造，不是日本、美国、德国等耳熟能详的“工业强国”。

最后是芯片制造产能。据相关数据显示，2020年美国的芯片制造产能为10.6%，而中国大陆则为22.8%，傲居全球第一。

说到这，有人不服气了，中国的芯片制造产能第一是没错，但这和其芯片质量并没有任何关系。和国外进口芯片质量相比，我们的国产芯片质量奇差。

有人甚至直言，我们还不如直接用外国芯片来代替国产芯片，这样用着更放心。

然而，事实当真如此吗？

国产芯片与进口芯片质量对比

不可否认，和老牌儿国外芯片相比，我们的国产芯片确实还有很多不足之处，但不足并不代表差劲。

说起来，我们的芯片当下示弱于进口芯片，和过去我们国家芯片的发展史分不开关系。

和别国相比，我国芯片产业发展起步较晚，项目较少，为此，我们的研究人员便没有太多的芯片项目研发设计经验。量变引起质变，长此以往，我们的芯片发展速度自然慢于他国。

再就是台积电。台积电，一般指台湾积体电路制造股份有限公司。众所周知，当下台积电已经掌握了芯片生产制造的5纳米工艺，并已成功量产。

这个5纳米工艺有多厉害呢？

这么说吧，各大手机厂商争相竞抢的宣传卖点是它，目前光刻机能实现的最先进的芯片制程工艺也是它。毫不夸张地说，当前5纳米工艺稳做芯片技术的第一把交椅。

但相较于台积电的5纳米工艺，当下我国大陆使用的仅是14纳米工艺，而这14纳米工艺还是最为优秀的芯片企业在使用。

总的来说，差距确实是存在的，但从另一个角度来说，差距也是动力。没有差距，人们很容易固步自封。相信在不久的将来，在国家科学技术的大力加持下，我们定会研发出质量、性能最为优越的芯片。

,