這是壹篇關於半導體行業發展的長篇介紹，文中有些表達上對行業人士來說可能會存在些許不嚴謹，歡迎交流。
首先要解釋兩個概念： 芯片設計與芯片代工
它們是有區別的，在這裏舉個例子：高通、三星、華為都可以設計芯片。這其中，三星是可以自己生產芯片的，而高通和華為，是需要找代工的。
三星和臺積電，是兩家最廣為人知的芯片代工廠。
比如美國高通的芯片，是自己設計的。但它並不生產芯片，比如高通的高端芯片，是交給三星來代工的，華為設計的高端芯片則是交給臺積電來代工。
為什麽大陸目前生產不了高端芯片？
論芯片設計，我們已經不弱了，華為的麒麟芯片就是自己研發的，在高端芯片上已經算是很強了。
但麒麟芯片的代工卻沒有找大陸廠商。
因為即使是大陸目前第壹的中芯國際，現在也沒有能力生產麒麟970芯片。
華為麒麟970芯片，工藝制程是10nm。
關於工藝制程後面會有詳細介紹，就是數字越小，說明制程越先進。我們手機裏的芯片，制程工藝好不好，決定了芯片的性能。
7nm的芯片，必然比10nm的強，10nm的又強於14nm工藝的。
在2017年，三星和臺積電，都掌握了最先進的10nm工藝。所以現在10nm 的生產工藝，是壟斷在英特爾、三星和臺積電手裏的。
而大陸最先進的中芯國際，只能生產最高規格28nm工藝的。
為什麽大陸的生產工藝落後？
主要是光刻機： 因為芯片的生產，關鍵是要光刻機。 說到光刻機這個行業，就不得不提荷蘭 的ASML Holding N.V
簡單說壹下光刻機：
其實早期的光刻機的原理像幻燈機壹樣簡單，就是把光通過帶電路圖的掩膜 (Mask，後來也叫光罩) 投影到塗有光敏膠的晶圓上（關於晶圓，下面芯片設計中會有詳細介紹）。早期 60 年代的光刻，掩膜版是 1:1 尺寸緊貼在晶圓片上，而那時晶圓也只有 1 英寸大小。
因此，光刻那時並不是高 科技 ，半導體公司通常自己設計工裝和工具，比如英特爾開始是買 16 毫米攝像機鏡頭拆了用。只有 GCA, K&S 和 Kasper 等很少幾家公司有做過壹點點相關設備。
60 年代末，日本的尼康和佳能開始進入這個領域，畢竟當時的光刻不比照相機復雜。
1978 年，GCA 推出真正現代意義的自動化步進式光刻機 (Stepper)，分辨率比投影式高 5 倍達到 1 微米。
但此時的光刻機行業依舊是個小市場，壹年賣幾十臺的就算大廠了。因為半導體廠商就那麽多，壹臺機器又能用好多年。這導致妳的機器落後壹點，就沒人願意買了。技術領先是奪取市場的關鍵，贏家通吃。
80 年代壹開始，GCA 的 Stepper 還稍微領先，但很快尼康發售了自己首臺商用 Stepper NSR-1010G，擁有更先進的光學系統極大提高了產能。兩家開始壹起擠壓了其它廠商的份額。
到了 1984 年，在光刻行業，尼康和 GCA 平起平坐，各享三成市占率。Ultratech 占約壹成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家瓜分剩下的三成。
但轉折也發生在這壹年，這壹年飛利浦在實驗室裏研發出 stepper 的原型，但是不夠成熟。因為光刻市場太小，飛利浦也不能確認它是否有商業價值，去美國和 P&E、GCA、Cobilt、IBM 等談了壹圈也沒人願意合作。
很巧合有家荷蘭小公司叫 ASM International 的老板 Arthur Del Prado 聽說了有這麽回事，主動要求合作。但這家代理出身的公司只有半導體壹些經驗，對光刻其實不太懂，等於算半個天使投資加半個分銷商。飛利浦猶豫了壹年時間，最後勉強同意了設立 50:50 的合資公司。1984 年 4 月 1 日 ASML 成立的時候，只有 31 名員工，在飛利浦大廈外面的木板簡易房裏工作。
ASML 最早成立時的簡易平房，後面的玻璃大廈是飛利浦。Credit: ASML
ASML 在 1985 年和蔡司 (Zeiss) 合作改進光學系統，終於在 1986 年推出非常棒的第二代產品 PAS-2500，並第壹次賣到美國給當時的創業公司 Cypress，今天的 Nor Flash 巨頭。
但接下來的壹年，1986 年半導體市場大滑坡，導致美國壹幫光刻機廠商都碰到嚴重的財務問題。ASML 規模還小，所以損失不大，還可以按既有計劃開發新產品。但，GCA 和 P&E 這些老牌廠商就頂不住了，它們的新產品開發都停滯了下來。
1988 年 GCA 資金嚴重匱乏被 General Signal 收購，又過了幾年 GCA 找不到買主而破產。1990 年，P&E 光刻部也支撐不下去被賣給 SVG。
1980 年還占據大半壁江山的美國三雄，到 80 年代末地位完全被日本雙雄取代。這時 ASML 大約有 10% 的市場占有率。
忽略掉美國被邊緣化的 SVG 等公司，90 年代後，壹直是 ASML 和尼康的競爭，而佳能在旁邊看熱鬧。
在後來 ASML 推出浸入式 193nm 產品，緊接著尼康也宣布自己的 157nm 產品以及 EPL 產品樣機完成。然而，浸入式屬於小改進大效果，產品成熟度非常高，而尼康似乎是在做實驗，因此幾乎沒有人去訂尼康的新品。
這導致後面尼康的大潰敗。尼康在 2000 年還是老大，但到了 2009 年 ASML 已經市占率近 7 成遙遙領先。尼康新產品的不成熟，也間接關聯了大量使用其設備的日本半導體廠商的集體衰敗。
至於佳能，當它們看到尼康和 ASML 在高端光刻打得如此厲害就直接撤了。直接開發低端光刻市場，直到現在它們還在賣 350nm 和 248nm 的產品，給液晶面板以及模擬器件廠商供貨。
再回來，英特爾、三星和臺積電之所以能生產 10nm 工藝的芯片，首先是它們能從 ASML 進口到高端的光刻機，用於生產 10nm 芯片。
而大陸沒有高端的光刻機，用中低端的光刻機又缺乏技術，所以暫時只能生產工藝相對落後的芯片。
下面我們談壹談芯片的設計，在談論設計之前，我們需要知道 CPU、GPU、微架構和指令集 等概念。
CPU的含義，亦即中央處理器，是負責計算機主要運算任務的組件。功能就像人的大腦。可能大家聽過CPU有 x86、ARM 這樣的分類，前者主要用於PC而後者主要用於手機平板等設備。
CPU執行在計算任務時都需要遵從壹定的規範，程序在被執行前都需要先翻譯為CPU可以理解的語言。這種語言被稱為 指令集 （ISA，Instruction Set Architecture）。程序被按照某種指令集的規範翻譯為CPU可識別的底層代碼的過程叫做編譯（compile）。像x86、ARM v8、MIPS等都是指令集的代號。同時指令集可以被擴展。廠商開發兼容某種指令集的CPU需要指令集專利持有者授權，典型例子如Intel授權AMD，使後者可以開發兼容x86指令集的CPU。
CPU的基本組成單元即為核心（core）核心的實現方式被稱為 微架構 （microarchitecture）和指令集類似，像Haswell、Cortex-A15等都是微架構的代號。微架構的設計影響核心（core）可以達到的最高頻率、核心在壹定頻率下能執行的運算量、壹定工藝水平下核心的能耗水平等等。
但值得註意的是： 微架構與指令集 是兩個不同的概念：指令集是CPU選擇的語言，而微架構是具體的實現。
以兼容ARM指令集的芯片為例：ARM公司將自己研發的指令集叫做ARM指令集，同時它還研發具體的微架構，例如Cortex系列並對外授權。
但是，壹款CPU使用了ARM指令集並不等於它就使用了ARM研發的微架構。像高通、蘋果等廠商都自行開發了兼容ARM指令集的微架構，同時還有許多廠商使用ARM開發的微架構來制造CPU，比如華為的麒麟芯片。通常，業界認為 只有具備獨立的微架構研發能力的企業才算具備了CPU研發能力 ，而是否使用自行研發的指令集無關緊要。微架構的研發也是IT產業技術含量最高的領域之壹。
以麒麟980為例，最主要的部分就是 CPU 和 GPU 。其中 Cortex-A76 和 Mali-G76 都是華為找ARM買的微架構授權，華為可以自研微架構嗎？肯定是可以的，但要想達到蘋果那樣應用在手機系統上還有很長壹段路要走，最起碼現在看來是這樣，除了自身研發會遇到各種問題外，因為芯片的開發和軟件開發壹樣，需要EDA工具，使用ARM的微構架，它們會提供很多工具，這些東西也挺核心的，所以壹旦另起爐竈就需要考慮各個方面的問題。
弄清楚了這些，就可以開始設計芯片了，但這壹步也是非常復雜繁瑣的。
芯片制造的過程就像蓋房子壹樣，先有 晶圓 作為地基，然後再層層往上疊，經過壹系列制造流程後，就可產出必要的 IC 芯片了。
那什麽是晶圓呢？
晶圓（wafer）， 是制造各種制式芯片的基礎。我們可以將芯片制造看作蓋房子，而晶圓就是壹個平穩的地基。在固體材料中，有壹種特殊的晶體結構──單晶（Monocrystalline）。它的特性就是原子壹個接著壹個緊密的排列，可以形成壹個平整的原子表層。因此，我們采用單晶做成晶圓。但是，該如何產生這樣的材料呢，主要有二個步驟，分別為 純化以及拉晶 ，之後便能完成這樣的材料。
純化分成兩個階段，第壹步是冶金級純化，此壹過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化矽轉換成 98% 以上純度的矽。但是，98% 對於芯片制造來說依舊不夠，仍需要進壹步提升。因此，將再進壹步采用 西門子制程（Siemens process） 作純化，將獲得半導體制程所需的高純度多晶矽。
接著，就是 拉晶 。
首先，將前面所獲得的高純度多晶矽融化，形成液態的矽。然後，以單晶的 矽種（seed） 和液體表面接觸，壹邊旋轉壹邊緩慢的向上拉起。至於為何需要單晶的矽種，是因為矽原子排列就和人排隊壹樣，會需要排頭讓後來的人該如何正確的排列，矽種便是重要的排頭，讓後來的原子知道該如何排隊。最後，待離開液面的矽原子凝固後，排列整齊的單晶矽柱便完成了。
但壹整條的矽柱並無法做成芯片制造的基板，為了產生壹片壹片的矽晶圓，接著需要以鉆石刀將矽晶柱橫向切成圓片，圓片再經由拋光便可形成芯片制造所需的矽晶圓。
至於8寸、12寸晶圓又代表什麽東西呢？很明顯就是指表面經過處理並切成薄圓片後的直徑。尺寸愈大，拉晶對速度與溫度的要求就更高，制作難度就越高。
經過這麽多步驟，芯片基板的制造總算完成了，下壹步便是芯片制造了。該如何制作芯片呢？
IC芯片，全名集成電路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是將設計好的電路，以堆疊的方式組合起來。
從上圖我們可以看出，底部藍色的部分就是晶圓，而紅色以及土黃色的部分，則是於 IC 制作時要設計的地方，就像蓋房子要設計怎樣的樣式。
然後我們看 紅色的部分 ，在 IC 電路中，它是整顆 IC 中最重要的部分，將由多種邏輯閘組合在壹起，完成功能齊全的 IC 芯片，因此也可以看作是 根基上的根基 。
而 黃色的部分 ，不會有太復雜的構造，它的主要作用是將紅色部分的 邏輯閘相連在壹起 。之所以需要這麽多層，是因為有太多線路要連結在壹起，在單層無法容納所有的線路下，就要多疊幾層來達成這個目標了。在這之中，不同層的線路會上下相連以滿足接線的需求。
然後開始制作這些部分：
制作 IC 時，可以簡單分成4 種步驟。雖然實際制造時，制造的步驟會有差異，使用的材料也有所不同，但是大體上皆采用類似的原理。
完成這些步驟之後，最後便在壹整片晶圓上完成很多 IC 芯片，接下來只要將完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封裝廠做封裝。
封裝：
經過漫長的流程，終於獲得壹顆 IC 芯片了。然而壹顆芯片相當小且薄，如果不在外施加保護，會被輕易的刮傷損壞。此外，因為芯片的尺寸微小，如果不用壹個較大尺寸的外殼，不容易安置在電路板上，所以才需要最後的封裝。
封裝的方式有很多種，常見的有雙排直立式封裝（Dual Inline Package；DIP），球格陣列（Ball Grid Array，BGA）封裝，SoC（System On Chip）封裝以及 SiP（System In Packet）封裝。
完成封裝後，然後還需要進入測試階段 ，在這個階段是為了確認封裝完的 IC 是否能正常的運作，檢測沒問題後便可出貨給組裝廠，做成我們所見的電子產品。
至此，完成整個制作流程。