芯片破壁者（二）：半導體“硅”鋪就的文明階梯

原標題：芯片破壁者（二）：半導體“硅”鋪就的文明階梯

在歷史學家湯因比眼中，人類社會發(fā)展的規(guī)律即“挑戰(zhàn)和應戰(zhàn)”，文明即是在“挑戰(zhàn)和應戰(zhàn)”這對矛盾中誕生和延續(xù)的。應戰(zhàn)成功，文明可以繼續(xù)向前發(fā)展，反之則會導致文明的流產(chǎn)。

在半導體不算漫長的歷史進程中，出現(xiàn)過無數(shù)個這樣的“挑戰(zhàn)與應戰(zhàn)”。它們大部分時候，是由某一個企業(yè)或國家，施與另一個競爭對手的。

那些被狙擊的產(chǎn)業(yè)體系，就如同被三體人派出的“智子”鎖死了一樣，再也無法實現(xiàn)科技升級，進而失去了向前發(fā)展的可能性。

所以，當我們探討如何走出半導體產(chǎn)業(yè)封鎖的囚籠，突破一個個“智子”的封鎖就變成了核心要務。

其中一個非常重要的“智子”，叫做——“硅”。

作為世界的創(chuàng)新中心，硅谷不僅擁有仙童、英特爾、谷歌等等明星企業(yè)和富可敵國的資本，更影響了全人類的生活方式與文明進程。

從西部“淘金地”，再到“點石成金”的“硅谷”，這個普通的舊金山南方小城，用不到百年的時間與“硅”結(jié)下不解之緣？又為何在成為高科技之都后，失去了對“硅”材料的統(tǒng)治權(quán)？

帶著這些問題，我們一起踏上今天的陽光加州之旅。

從硅谷到東京：硅的三個瞬間

歷史的許多重大轉(zhuǎn)折，往往源于微末處的機緣巧合。少有人會想到，以硅砂為原料的半導體行業(yè)興起，是源于一個兒子想要“逃離北上廣”回鄉(xiāng)的愿望。

1956年，因為母親年事已高，肖克利辭去了貝爾實驗室的工作，回到了故鄉(xiāng)——加州的圣克拉拉谷，也就是后來的硅谷。

在此之前，舊金山灣區(qū)最為人熟知的礦藏是金子。而肖克利的到來，為這里開啟了第二次“Gold rush”淘金熱，資本和人才瘋狂涌入的目標，則是新時代白色的金子——半導體硅（Si）。

在肖克利之前，關(guān)于半導體材料的研究已經(jīng)持續(xù)了上百年。人們發(fā)現(xiàn)，許多元素和化合物具有半導體性質(zhì)，在常溫之下的導電性能處于導體與絕緣體之間。

因為導電性可控，半導體非常適合用來制作電子元器件。

比如1874年，卡爾·費迪南德·布勞恩發(fā)明了第一個半導體器件——晶體探測器。1906年，美國工程師格林利夫·惠蒂爾·皮卡德則開發(fā)出了一種硅射電晶體探測器，這也是第一個硅半導體器件。1941年，第二次世界大戰(zhàn)期間，高純度鍺和硅晶體也開始被應用在雷達微波探測器上。

理論上，所有半導體都可以用來制造現(xiàn)代生活不可或缺的芯片，為什么漫長的變革之后，只有硅脫穎而出，成為集成電路的基礎(chǔ)，也成功晉升為最具商業(yè)價值的材料呢？

其實一開始，硅并不是集成電路的第一選擇，它的崛起歷經(jīng)了一個漫長的時期。

為了不陷入細枝末節(jié)的“故紙堆”，我們?yōu)檫@趟時光旅行設(shè)置了三個坐標：

坐標一：1956年，加州，晴，宜除舊從新

“硅谷”(Silicon Valley)一詞首次出現(xiàn)在出版物上，是一位名為唐·霍夫勒 (Don Hoefler) 的記者。1971年1月11日，他在為周刊 《電子新聞》撰寫報道時，將一批電子企業(yè)尤其是半導體公司在圣塔克拉拉縣蓬勃興起的景況，定題為《美國硅谷》。

而所有故事的開頭，都會“倒帶”回1956年6月，肖克利離開貝爾實驗室回到老家，創(chuàng)辦肖克利半導體實驗室有限公司的那一天。

（肖克利）

吊詭的是，讓肖克利聲名鵲起、收獲了諾貝爾物理獎的——世界上第一個晶體管，卻跟硅毫無關(guān)系，它是由鍺制造的。

一個小小的金屬箭頭，插在一塊平板鍺上，一問世就把真空管送進了墳墓。隨后，貝爾實驗室對外授權(quán)晶體管專利，直接帶動了鍺的流行。直到1950年代末，鍺都是晶體管和其他半導體器件的主要材料。

（世界上第一個晶體管）

在這樣的背景下，肖克利出走創(chuàng)業(yè)，要做硅晶體管的消息，就顯得十分匪夷所思的。畢竟在他離開貝爾實驗室的時候，他并沒能如預想的那樣，制造出一個利用硅制成的場效應放大器裝置。

沒有這位“硅谷”第一公民的堅持，今天的半導體行業(yè)必定是另一番景況。

之所以堅持要用硅替代鍺來做晶體管，一是考慮到成本。鍺是一種稀有元素，在地殼中的含量少，礦藏還分布分散，導致價格高昂，難以大規(guī)模生產(chǎn)。而硅作為地殼中第二豐富的元素，在成本上很占優(yōu)勢。

二來，當時晶體管最大的客戶是美國政府和軍方，他們希望將芯片運用在火箭和導彈上，這就需要晶體管能夠耐高溫、抗劇烈震動，在200℃也能穩(wěn)定運行。但鍺晶體管的耐受溫度只有80℃，顯然不符合要求。只有硅有這個潛力。

第三，當時高純硅的工業(yè)提煉技術(shù)已經(jīng)成熟，而鍺則很難提煉到足夠的純度，這就導致晶體管性能低下。

硅晶體管的商業(yè)價值，還是更高性能的發(fā)明，少有人能抗拒這樣“名利雙收”的誘惑，肖克利的出走也就成了必然。

光環(huán)加身的肖克利，很快吸引了諸多工程師慕名加入，其中就包括硅晶體管先驅(qū)金·赫爾尼Jean Hoerni。

坐標二：1959年，查爾斯頓路，雷陣雨，宜自立門戶

有意思的是，盡管肖克利最先奠定了硅晶體管的發(fā)展方向，但他的實驗室卻一個硅晶體管也沒能生產(chǎn)出來。

真正讓硅晶體走入市場的是另一家公司——仙童半導體(Fairchild Semiconductor)。

1957年底，八個年輕人受不了肖克利的臭脾氣，集體辭職，在硅谷租了一間小房子，成立了仙童。肖克利暴跳如雷，大罵他們是“八個叛徒”。

次年，擁有兩個博士學位的金·赫爾尼，用被他稱作“大學水平”的物理知識，發(fā)明了一種平面工藝技術(shù)(planar technology),來使用硅制造晶體管。

后來，這項技術(shù)被評定為“20世紀意義最重大的成就之一”，并奠定了硅作為電子產(chǎn)業(yè)中關(guān)鍵材料的地位。

（成立仙童的八叛徒）

到底是一種什么技術(shù)呢？

此前，大部分電路都是靠人工，將單個的晶體管、電阻器、電容器和二極管連接在電路板上的。

赫爾尼則提出了一種光學蝕刻的處理方法，可以在硅片平面上將集成電路生產(chǎn)出來。

方法和現(xiàn)在的芯片制造邏輯類似，先手工畫出布局圖，然后做成透光片，在光滑的硅片上涂上感光材料，用紫外線/激光投射上去，黑暗區(qū)域和線條就會留在硅片上，再用酸液清洗，重復幾次，就可以硅晶圓上得到大批晶體管。

這種平面處理工藝，將原本復雜的高臺式晶體管制造變得十分簡單高效。如果原來是搭樂高積木，現(xiàn)在就是復印機打印。

1959年，赫爾尼跟諾伊斯開會的時候，提交了這個工藝的最新版本。一次性制作集成電路的時代開始了。

（赫爾尼）

1961年，仙童發(fā)布了首款硅集成電路，一共容納了4個晶體管。到1965年的時候，帶有64個元件的芯片就在路上了。

隨著擴散型硅晶體管的大量上市，仙童成功“路徑正確”打敗“鍺集成電路”，躍升為跟德州儀器同臺競技的半導體新貴。

坐標三：1980年，日本東京，臺風，宜搶占先機

肖克利與仙童，催生了硅谷的半導體產(chǎn)業(yè)。然而今天全球前五大硅晶圓供貨商中，前五名分別是日本信越化學、SUMCO（三菱住友株式會社）、中國臺灣環(huán)球晶圓、德國世創(chuàng)（Siltronic）和韓國LG。

它們占據(jù)了全球90%以上的硅片供應，沒有一家是美國的企業(yè)。

這種切割和產(chǎn)業(yè)輪替是怎樣發(fā)生的？

一條不那么精確的時間分割線，出現(xiàn)在了1980年代。

在此之前，美國廠商是毫無疑問的半導體材料領(lǐng)軍者。

其中，英特爾是當之無愧的航標。

由于看到了半導體計算機存儲器的商業(yè)潛力，戈登·摩爾和羅伯特·諾伊斯從仙童出走，創(chuàng)辦了英特爾公司。

通過力推硅芯片，英特爾先后打敗了競爭對手摩托羅拉、德州儀器、IBM等，成為半導體存儲（DRAM）領(lǐng)域的霸主。硅芯片等于半導體芯片的產(chǎn)業(yè)地位，也就此塵埃落定。

在英特爾大舉進步的同時，也有不少企業(yè)在虎視眈眈。

20世紀50年代開始，新興的電子產(chǎn)業(yè)（尤其是硅晶體管）就吸引了美國其他企業(yè)以及海外同行的注意。

孟山都的兩家研究實驗室(圣路易斯和俄亥俄州代頓)，都開始研究硅材料。1959年，孟山都MEMC的ST·PETERS工廠開工建設(shè)，生產(chǎn)晶體管和整流器材料“超純硅”，并先后解決了許多技術(shù)難題。比如第一個在硅片清洗過程中使用臭氧，采用化學機械拋光等等。而伴隨著英特爾等一批“前輩”開始向微處理器CPU轉(zhuǎn)型，硅片制造的買賣就開始被孟山都壟斷。

到了1979年的時候，孟山都成為全球硅晶片供應商的龍頭，其業(yè)務占據(jù)了美國80%的FZ單晶。

而與孟山都同時開始切入硅晶圓市場的，還有日本廠商。

50年代末，日本先后成立了小松電子金屬、信越半導體、東洋硅等公司，開始了技術(shù)引進。

盡管技術(shù)落后于美國，但也憑借低廉的成本和價格搶占了不少市場份額。

偏偏日本不甘于一直做替代品，1971年，日本通產(chǎn)省制定了趕超美國半導體產(chǎn)業(yè)計劃，1976 年成立“超大規(guī)模集成電路技術(shù)研究組織”，NEC、富士通、日立、東芝、松下等廠商都有投資，試圖技術(shù)反超。

（關(guān)于日美半導體戰(zhàn)爭的報道）

當追隨者開始進入競爭者象限，一切就都變了。美日之間的貿(mào)易摩擦，自然而然輪到了半導體行業(yè)。

1977年開始，雙方不斷地談判、簽訂協(xié)議，直到1996年才基本宣告結(jié)束。而在整個過程中，日本的技術(shù)突破順利完成，在存儲領(lǐng)域，日本開始與美國并駕齊驅(qū)。

技術(shù)的持續(xù)進步，加上80年代美國經(jīng)濟衰退，日本企業(yè)的效率優(yōu)勢進一步放大。到了2000年的時候，盡管以孟山都為代表的美國廠商仍然在技術(shù)上占據(jù)優(yōu)勢，但產(chǎn)業(yè)話語權(quán)已經(jīng)移交到日系硅晶圓廠手中。

（美日簽訂半導體協(xié)議）

2005年，日本信越占全球300mm晶圓的50%市場份額，日系廠商則占據(jù)了全球65%的市場份額，而北美和歐洲僅僅各占15%左右。

除了核心的硅晶圓，國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）的數(shù)據(jù)顯示，在光刻膠、鍵合引線、模壓樹脂以及引線框架等重要的半導體制造材料上，日本也處于絕對的領(lǐng)導位置。

直到今天，盡管日本企業(yè)在消費半導體領(lǐng)域已經(jīng)優(yōu)勢不再，但在半導體材料方面，卻占據(jù)著主動權(quán)。

2019年7月1日，當日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)部宣布加強對韓國的半導體材料出口管制時，三星電子、SK海力士等韓國半導體企業(yè)立即拉響了警報，也讓關(guān)于半導體材料的“卡脖子”風險，進入了草木皆兵的國人眼簾。

打開“智子”封鎖，誰是半導體材料的破壁人

縱觀以硅為基礎(chǔ)的半導體材料發(fā)展歷史，從美國硅谷到日本東京的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變遷，也映射著一個另類的半導體宇宙：鎖住產(chǎn)業(yè)發(fā)展進階的“智子”，究竟有哪些？

如果非要總結(jié)出點所以然的話，有三個關(guān)鍵是必不可少的：

1.持續(xù)創(chuàng)新的商業(yè)眼光。

無論是肖克利對硅晶體管的技術(shù)信仰，還是仙童與德州儀器的集成電路方向之爭，亦或是日本半導體產(chǎn)業(yè)冒著貿(mào)易摩擦風險下的不讓步，無不說明伴隨著外界壓力不斷進行新的技術(shù)研發(fā)，有多么重要。

每一次技術(shù)的發(fā)展，都會帶來設(shè)備的更新需求與投資增長。

起初，美國半導體企業(yè)都認為日本制造擅長模仿，但當日本企業(yè)投入大量資金進行技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新時，一切都不同了。

反觀孟山都，在競爭失利后轉(zhuǎn)型進入清潔能源領(lǐng)域，甚至改名SunEdison，最后仍然沒能逃脫破產(chǎn)的命運。

一個企業(yè)乃至一個國家的技術(shù)話語權(quán)，就在這樣永不停歇的追趕中鑄成。

2.精益管理的高端制造。

日本半導體材料企業(yè)能夠崛起，與其精益求精的生產(chǎn)制造不無關(guān)系。

半導體產(chǎn)品對硅晶圓的純度要求很高，正是因為制造難度大，技術(shù)迭代快，制造設(shè)備更新頻繁，這些都要求材料企業(yè)需要有嚴苛的精益管理能力來控制成本、提升效率，從而確保盈利能力。

“錙銖必較”的高端制造，或許是半導體領(lǐng)域十分“重工業(yè)”的部分，也是解開商業(yè)價值必不可少的支撐。

（日本“硅島”）

3.電子產(chǎn)業(yè)的強勢拉動

如果1980年代，美國對日本推出“實體清單”，日本硅晶圓廠商還能占據(jù)這一關(guān)鍵的發(fā)展時間窗口嗎？

歷史不能假設(shè)，但可以推演一番，從1960年開始，日本的NEC開始研發(fā)IC，東芝、日立也都在存儲領(lǐng)域爭奪市場份額。

即使美國芯片制造商做出封鎖，那么日本的電子產(chǎn)業(yè)也能夠為材料廠商提供出口。

集成電路的發(fā)展對硅晶圓材料產(chǎn)業(yè)有著至關(guān)重要的影響，更是驅(qū)使其技術(shù)更新迭代的核心動力。

放棄了自主產(chǎn)權(quán)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場，半導體材料自然同氣連枝。

在人類歷史長河中，像硅這樣“點石成金”的奇跡并不多見。

它所演繹的材料傳奇，點燃了加州的電子之光，也伴隨著半導體組件在人類社會的每一個角落閃爍著它的光輝。

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